通过弥合商用和QML V类选项之间的差距降低小型卫星组件成本

小型卫星星座（smallsats）有望为国家安全空间（NSS）计划带来切实的好处，在这些计划中，迫切需要最大限度地降低建设和部署成本。多个小型卫星，定义为发射质量为500公斤或更小的卫星，可以快速，廉价地建造，然后快速和响应地部署，以实施NSS资产网络，以应对当今不断变化的威胁形势。

到目前为止，小型卫星系统开发人员只有两个组件选项。一方面，商用现货 （COTS） 组件可降低成本和交货时间，但通常必须适应空间要求;另一种选择是更昂贵的组件，具有更长的交货时间，这些组件通过设计进行辐射硬化，并经过筛选并符合QML级Q和V级标准。现在，第三个“sub-QML”选项通过一类新的组件弥合了差距，这些组件将QML设备的辐射耐受性与航天传统相结合，允许更低的筛选要求和相关的更短的交货时间。

NSS小型卫星的需求增长

近年来，两个促成因素已经融合在一起，允许出现多个用于NSS应用的小型卫星程序。

一个因素是发射成本的降低：发射服务市场的竞争加上商业提供商的增长，造成了价格下降的压力，使全世界所有类型的卫星运营商都处于有利地位。由于其体积和质量低，可以同时发射多个小型卫星，通常以较大的卫星作为主要发射有效载荷。发射服务的成本可以分摊，从而降低总体计划成本。

有利于小型卫星发展的第二个因素是现代电子元件能力的不断提高。这一现实使小型卫星能够以更小的体积和质量包装更多的功能。

由于发射服务费用较低，小型卫星提供的功能不断增加，因此产生了一些新的和正在出现的飞行任务模式。有了多个小卫星的星座，侦察任务可以在感兴趣的区域实现更高的重访率。出于战术侦察目的，当前监视图像的快速可用性对作战人员来说可能是生死攸关的问题。

然而，小型卫星的吸引力并不局限于监视和侦察。继铱星、Globalstar和O3B商业通信星座的成功之后，已经提出了更多的小型卫星通信计划。有几个处于开发后期阶段。这些计划旨在为当今固定地面基础设施服务不足的世界地区提供高带宽数据通信访问。小型卫星通信星座还可以为战术军事通信带来显着优势，否则专用安全信道可能无法使用。

虽然大多数传统卫星计划需要使用经过认证和筛选到非常高水平的电子元件，但这种方法给NSS小型卫星计划带来了成本和交付挑战，因为NSS小型卫星计划的重点是低购置成本和更快的服务进入。改用 COTS 组件可能会带来其他成本和权衡。

COTS与QML的困境

到目前为止，用于单片电子集成电路（IC）的最常见的筛选和资格标准在MIL-PRF-38535中定义，该标准由美国国防部（DoD）下属的国防后勤局发布。混合半导体和分立半导体也存在类似的标准。符合MIL-PRF-38535标准的合格和筛选的组件被授予合格制造商列表或QML资格。这一要求确保任务目标得到实现，但与COTS组件相比，确实增加了成本并延长了交货时间。

许多人试图通过用COTS选项替换QML组件来削减小型卫星的成本和建造时间，从而消除这种筛选。但是，选择 COTS 组件的航天硬件开发人员可能仍需要投资证明它们将满足所有必要的质量、可靠性和辐射要求。这种保证可能很昂贵，而且通常，选择低成本的COTS部件会导致更高的拥有成本。

例如，虽然通用塑料封装的COTS组件本质上提供了高水平的质量和可靠性，但它们的设计并没有考虑到空间辐射环境，也不是为了承受发射到太空的冲击和振动。需要额外的工程工作来表征其辐射行为和机械特性，并评估任何弱点的解决方法。

减轻软辐射 COTS 组件中的辐射效应所需的系统工程工作可能广泛、耗时且昂贵。此外，鉴于星座计划将购买的组件数量相对较少（每年数百个零件，与销售到消费或汽车应用中的数百万或数千万个零件相比非常低），许多商业COTS组件供应商将不愿意花时间进行故障分析，扩展温度筛选，辐射表征， 或星座计划的其他技术支持活动。大批量供应商通常不提供代工厂或包装分包商变更的可追溯性或变更通知。所有这些都是空间系统开发人员的重要因素，因为在构建航天系统时，供应的一致性很重要。

此外，虽然塑料封装的COTS组件的高产量带来了高度的可靠性保证，但太空计划可能会遇到用于或已经集成到飞行硬件中的组件可能发生意外损坏的情况。随着 NSS 计划的承包商基础迁移到使用 COTS 组件提供低成本系统，应牢记组件供应商对技术支持以支持任务保证目标的需求。

sub-QML选项解决了这些挑战，提供了成本降低和航天飞行可靠性优势的至关重要的组合，这是COTS或QML组件都无法提供的。

弥合差距

几十年来，卫星行业一直由数量不多的组件制造商提供服务，这些制造商拥有数十年的成功支持太空任务的历史，并在许多计划中长期积累的飞行遗产。其中一些部件供应商为低成本卫星星座提供产品，在这些星座需要部署大量需要大量部件的卫星。这些子QML产品耐辐射但无QML筛选，符合非常高的可靠性和辐射防护标准。相同的部件也可以采用塑料封装，尽管它们不符合QML，但非常适合某些小型卫星应用。

对于许多需要尽可能高筛选的传统太空计划来说，亚QML组件可能不是正确的选择，因为它们的战略性质，或者因为与其他开发或建设成本相比，电子内容的成本很小。然而，它们是小型卫星星座的理想选择，在这些星座中，最大限度地降低卫星的建造和部署成本至关重要。采用亚QML方法进行组件选择可以显著降低成本，而不会牺牲部署空间系统所需的可靠性或辐射耐受性。

如今，一些组件供应商已经为空间应用提供亚QML组件。例如，美高森美与其新的母公司Microchip Technology一起提供了一个完整的系统解决方案，包括sub-QML FPGA（现场可编程门阵列）、混合信号IC、微处理器和微控制器、分立MOSFET［金属氧化物半导体场效应晶体管］、双极晶体管和二极管、芯片级原子钟和精密振荡器。

对于用于国家安全任务的系统，使用成本更低、交货时间更短的耐辐射亚QML设备，减轻了小型卫星系统设计人员对空间应用进行COTS组件认证的负担，同时降低了物料清单成本。此外，这些空间组件的老牌供应商在辐射耐受性方面的经验、奉献精神、响应能力和专业知识给系统开发人员带来了，可以大大降低与使用通用COTS组件相关的任何风险。与这些供应商合作，开发人员可以放心地实现成本目标，而不会将任务目标置于危险之中。

审核编辑：郭婷