单粒子击倒了俄罗斯“福布斯-土壤”火星探测器吗？

1、夭折的“福布斯-土壤”及“萤火一号”火星探测器

2011年11月9日北京时间4时16分，俄罗斯“福布斯-土壤”火星探测器携带着我国首个火星探测器“萤火一号”顺利发射升空，进入近地点205km、远地点319km、倾角51.4º的低地球轨道，其按计划应在北京时间6时55分47秒实施在轨发动机点火奔赴火星。但是，几小时后，从俄罗斯航天局传来消息：探测器在轨点火失败并与地面失去联系。随后的一两个月，俄罗斯航天局进行了多种努力挽救该探测器而无果，2012年北京时间1月16日该探测器坠落入太平洋。

2、俄罗斯航天局认为“空间重离子”击倒了火星探测器

2012年2月3日，俄罗斯航天局公布了跨部门委员会形成的“福布斯-土壤”探测器事故调查报告[1]。该报告指出：事故最可能的起因是宇宙线重离子轰击星载计算机系统的存储器使其运行出错，导致两台该计算机系统重启致使探测器进入“安全运行”模式。报告还明确指出受宇宙线重离子影响的器件是型号为WS512K32V-20G24M的静态随机存储器（SRAM）。这种故障现象就是航天界人人喊打的“单粒子效应”！

3、国际社会强烈质疑俄罗斯航天局的事故调查结论

俄罗斯航天局认定的事故原因，引起国际社会的热议，尤其是抗辐射专家的质疑。IEEE Spectrum于2012年2月16日发表题为“Did Bad Memory Chips Down Russia’s Mars Probe?”的专门文章[2]，其中阐述了NASA JPL实验室的抗辐射专家Steven McClure的看法。

（1）Steven McClure一眼识别出WS512K32V-20G24M器件，指出该器件早在几年前就被认定为对单粒子锁定极端敏感的器件之一[3]。

（2）Steven McClure评价说该器件是用于航空市场的军级器件，不应当用于航天市场，还指出无论是该等级器件的生产商还是销售商均不进行抗辐射测试、均不保证其抗辐射性能。

（3）该文章还提到，俄罗斯航天局曾介绍说建造“福布斯-土壤”探测器的飞行控制计算机用的微电子器件没有进行过抗辐射性能测试。

（4）尽管此器件是辐射敏感器件，Steven McClure还是质疑空间辐射导致“福布斯-土壤”探测器失效的论断。他认为：在不到三个小时内，在如此低的轨道，发生单粒子效应，这从以往经验来看是相当不可能的！

（5）Steven McClure坚持质疑导致“福布斯-土壤”探测器失效的原因是软件设计缺陷问题！

4、闲不住的小抗—实验

俄罗斯航天局推断空间辐射导致“福布斯-土壤”火星探测器失效的详细依据不得而知，抗辐射专家Steven McClure的质疑主要是凭经验。吃瓜群众们很茫然？！

“空间抗辐射”的小抗，在围观之余，决定亲自分析下可能的故障原因。

导致“福布斯-土壤”探测器失效的关键器件

据俄罗斯航天局的事故调查报告，探测器星载计算机系统采用的两只型号为WS512K32V-20G24M的SRAM器件是受害器件。该器件为WHITE ELECTRONIC DESIGNS公司生产的16M位军级SRAM。

小抗购得该型号器件，对其开帽后发现其内部由四片SAMSUNG公司的型号为K6R4016V1D的4M位SRAM芯片叠装而成，如图1。小抗随后的实验均针对该K6R4016V1D芯片。

图1 致“福布斯–土壤”探测器故障的关键器件

激光实验

各位朋友知道，小抗是非常擅长利用脉冲激光装置试验单粒子效应的（典型应用见：NASA利用脉冲激光进行的低等级器件抗单粒子效应筛选及防护设计试验）。花了一两天，激光试验做完了。

如图2是1nj激光针对该芯片右上端1/4左右区域（1M位）进行扫描辐照并自动记录的锁定分布，激光所到之处无不锁定！图3是器件锁定截面随激光能量的变化，激光能量阈值为0.65nJ、测算得到LET阈值为0.6MeV.cm2/mg，饱和截面为0.157cm2，该芯片整个管芯面积为0.48cm×0.52cm=0.25 cm2，即管芯的绝大部分区域都对单粒子锁定敏感。

图2 激光试验的K6R4016V1D芯片单粒子锁定分布

图3K6R4016V1D芯片单粒子锁定截面随辐照激光能量变化关系

重离子实验

激光实验结果出来了，小抗想与各位分享，又怕各位挑剔与重离子的等效性单粒子击倒了俄罗斯“福布斯-土壤”火星探测器吗？

图4 仿真得到的“福布斯–土壤”探测器遭遇的空间辐射环境

器件质子单粒子锁定敏感度

在缺少器件直接的质子单粒子效应敏感度数据的情形下，小抗利用SEEAP软件包，采用蒙卡方法模拟计算质子通过核反应产生次级重离子诱发单粒子效应敏感度，如图5。

图5仿真测算的K6R4016V1D芯片质子单粒子锁定响应特性

K6R4016V1D芯片在轨单粒子锁定频次

将重离子和质子诱发K6R4016V1D器件的单粒子锁定敏感度数据、“福布斯-土壤”探测器在LEO轨道遭遇的辐射环境数据相结合，仿真得到该器件在轨应用时可能发生的单粒子锁定频次如表2所示，其中银河宇宙线重离子诱发了绝大多数的锁定。

表2 K6R4016V1D芯片在“福布斯–土壤”探测器LEO轨道单粒子锁定频次

辐射粒子

辐射带质子

银河宇宙线质子

银河宇宙线重离子

总计

单粒子锁定频次

（次/芯片.天）

0.1

0.06

1.3

1.4

6、“福布斯-土壤”探测器在轨发生的单粒子锁定分析

在表2所列计算结果的基础上，考虑到“福布斯-土壤”探测器的星载计算机使用了两片各含四只K6R4016V1D芯片的WS512K32V器件，以及探测器进入LEO轨道到计划第一次在轨发动机点火历经2小时39分等信息，小抗进一步分析测算出探测器星载计算机在此期间可能发生的单粒子锁定次数为：辐射带质子0.08次、宇宙线质子0.05次、银河宇宙线重离子1.0次，总计1.1次！“福布斯土壤”探测器被单粒子击中的可靠性很高！当然，空间辐射粒子诱发星载计算机用器件发生单粒子锁定仅仅是探测器失效的主要客观原因，星载计算机系统软件设计未能够考虑应对器件单粒子锁定异常是导致探测器失效的可能人为原因。

7、“福布斯-土壤”探测器事故的启示

（1）近十年，航天界普遍感受到器件发生单粒子效应（包括单粒子锁定！）的阈值越来越低，很多器件LET阈值（MeV.cm2/mg）已经跌破了1！

2008年，小抗们曾经对与本文关注的K6R4016V1D芯片（3.3V）类似的SAMSUNG公司的另一款4M位SRAM芯片K6R4016C1D（5V）进行了研究[4]，该芯片的单粒子锁定阈值为0.37 MeV.cm2/mg、饱和截面为2×10-4 cm2，分析该芯片用于地球同步轨道和深空可能发生0.04次/芯片.天的单粒子锁定，并警示我国航天界重视此现象。

（2）器件的单粒子效应（包括单粒子锁定）截面在变大？！

本文研究的K6R4016V1D芯片，单粒子锁定阈值同样较低，但是锁定饱和截面更大、达到0.157cm2，以至于在“福布斯-土壤”探测器进入的LEO轨道使用时可能发生1.4次/芯片.天的锁定。

2007年，法国空间局（CNES）的研究人员报道了地面模拟试验和空间飞行实验均发现CYPRESS公司的16M位SRAM器件CY7C1069对单粒子锁定极敏感，饱和截面高达0.35cm2[5]，与该K6R4016V1D芯片情况类似。

（3）航天器上使用的器件集成度（存储器件位数）越来越高、数量越来越多，即规模越来越大！

综合以上原因，原来星上设备发生一次单粒子锁定约需一年左右，逐渐变为几个月左右，在2005年前后变为几天左右，到了2010年以后出现了“福布斯-土壤”探测器几个小时就酿成的事故，完全颠覆了类似JPL抗辐射专家的传统经验认识！。

搞航天，抗单粒子，任重道远！

参考文献：

[1] http://www.roscosmos.ru/18126/

[2] http://spectrum.ieee.org/aerospace/space-flight/did-bad-memory-chips-down-russias-mars-pbobe

[3] THOMAS E.PAGE JR, JOSEPH M.BENETEDDO. Extreme latchup susceptibility in modern Commercial-off-the-Shelf (COTS) monolithic 1M and 4M CMOS Static Random-Access memory (SRAM) devices[C]. IEEE Radiation effects data workshop, 2005:1-7

[4]韩建伟，张振龙，封国强，等.单粒子锁定极端敏感器件的试验及对我国航天安全的警示[J].航天器环境工程，2008,25(3)：265-267

[5] Bezerra F, Lorfevre E, Ecoffet R, Falguere D, Bourdoux P, CARMEN/MEX Test Board for the study of Radiation Effects on Electronic Components aboard JASON-2 and SAC-D Satellites, Radiation and its Effects on Components and Systems(RADECS), 10-14 Sept. 2007

来源：空间抗辐射