Validation activities of a microprocessor for space applications

Abstract

Launching a satellite is a high cost mission. However, nowadays, low-mass and low-cost satellites are being developed to reduce mission costs, above all the scientific and educative ones. This thesis focuses on the study of one of the components of a femtosatellite designed and build at EETAC university. The component to be analyzed is the microprocessor. In order to meet the low cost requirements, those satellites must be built with COTS technology. The positive point of that technology is that it is affordable to anyone, in terms of economical aspects and readily availability. Nevertheless, it is not optimum to operate in the space environment, since it is not qualified and thus, its survivability is unknown. Once the existent problem of the COTS technology has been presented, the goal of this thesis is to achieve a certain space qualification level. The microprocessor Atmega 168 will be the analyzed COTS component. Future missions and potential applications are firstly analyzed in order to space- qualify the microprocessor. After that, the issues regarding to all the mission phases (pre-launch, launch, and orbit operations) are studied. This will help us to determine what are the harmful effects on the microprocessor. When all the effects that the microprocessor must deal with have been analyzed, the steps to obtain a certain space qualification are addressed. The basic procedures are defined by the corresponding TRA for each TRL. From TRA documentation, the proper tests and simulations are chosen within a realistic environment. The tests are a thermal vacuum laboratory experiment and a radiation exposure analysis, simulating the Van Allen belts, using the commercial software packages FLUKA and SPENVIS. Theoretical background to support the experiments and simulations are previously provided. Finally, after testing the microprocessor, the TRL level reached by it can be determined. Therefore, TRL 1 and TRL 2 are clearly achieved, since potential applications of the physical concept are developed. Given all that, we can conclude that the microprocessor has achieved TRL level 3. It passed all the tests and simulations conducted in this thesis. Nonetheless, TRL 4 is not achievable because Integration between satellite components must be tested. The integration of components is out of the scope of this thesis.

Català: Enviar un satèl·lit a l’espai és una missió d’alt cost. No obstant, actualment, s’estan construint satèl·lits de massa i mida molt més reduïda per abaratir els costos d’algunes missions espacials, sobretot, les que tenen caire científic i educatiu. Aquesta tesis es focalitza en l’estudi d’un dels components del femtosatèl·lit creat per l’EETAC, el microprocessador. Per poder dur a terme el requeriment de baix cost, aquets satèl·lits usen tecnologia COTS. Els punts positius d’aquesta tecnologia es que és més econòmica que la usada en satèl·lits comercials i és a l’abast de tothom. Per altra banda, els seu punt negatius es que no és una tecnologia òptima per operar en espai, ja que no està qualificada i per tant no sabem la seva fiabilitat en aquest ambient. Un cop presentat el problema existent amb la tecnologia COTS, l’objectiu d’aquesta tesis és assolir un cert nivell de qualificació espacial. La tecnologia COTS que està sotmesa a anàlisis és el microprocessador ATmega 168. Per poder qualificar el microprocessador, primerament s’analitzen les seves possibles aplicacions i futures missions. Després, es realitza un anàlisis de tota la problemàtica que comporten les diferents fases que experimenta el microprocessador: pre-llançament, llançament i operació en òrbita. Un cop analitzats tots els efectes que el microprocessador ha de suportar durant una missió, s’estudien els passos per a poder obtenir la qualificació espacial mitjançant els TRL, és a dir, quins TRA s’han de realitzar. A més a més, s’estudia també en quines fases perillarà més el seu rendiment i, finalment, es decideixen els tests corresponents per confirmar el seu funcionament durant la missió. Els tests escollits són: una prova de buit tèrmic i l’estudi de la radiació espacial simulant els cinturons de Van Allen, mitjançant els software FLUKA i SPENVIS. Per poder entendre el comportament del microprocessador en els tests, abans dels experiments i simulacions, es detalla teòricament els dos medi ambients escollits. Finalment, un cop realitzats els test, es confirmen els TRL que el microprocessador ha superat. Així doncs, el TRL 1 i TRL 2 queden superats, ja que durant el treball es realitza una primera idea de la missió i s’analitzen les possibles aplicacions. El TRL 3 també s’assoleix, ja que supera tots els test i simulacions proposats. No obstant, el TRL 4, degut a que incorpora integració amb altres components del femtosatèl·lit, queda fora del nostre abast.