Extreme design: SuitSat pushes engineers' limits

http://www.eetimes.com/news/design/showArticle.jhtml?articleID=208403999
Patrick Mannion, TechOnline (06/26/2008 2:00 HΠEDT)
Editor's Note:
To view a really cool video of the SuitSat being launched, plus a videotaped teardown of it taken at this year's ESC, click here.
開始されているSuitSatさらに今年のESCでされるそれのビデオテープに録画された取り外しの本当にいかしたビデオを見るために、ここをクリックしてください。
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What started out as an innocuous call about their company's line of microcontrollers sucked a small cadre of engineers into a multiyear, space-based design project that would push the boundaries of their professional knowledge and flexibility, while reigniting the sense of wonder, exploration and possibility that led them down the path to engineering in the first place.
マイクロコントローラの彼らの会社のラインについての無害な呼び出しとして始めたことは彼らの専門の知識と柔軟性の境界を押す、複数年の、宇宙デザインプロジェクトにエンジニアの小さな幹部を吸いました、その一方で、第一に経路の下に彼らをエンジニアリングに連れていった驚き、探査と可能性の感覚に再点火しました。
That call came in October 2004 from Lou McFadin, hardware manager for Amateur Radio on the International Space Station (ARISS), a volunteer program designed to inspire students worldwide to pursue careers in science, technology, engineering and math through amateur-radio communications opportunities with the space station on-orbit crew.
その呼び出しは、宇宙ステーション軌道の上のクルーとアマチュア無線通信機会中をルーMcFadin、国際宇宙ステーション（ARISS）に関する Amateurラジオのハードウェアマネージャー、世界中で学生を科学で職業を続ける気にさせるようになっているボランティアプログラム、テクノロジー、エンジニアリングと数学から2004年10月に入りました。
McFadin was calling in the wake of an AMSAT Symposium/ARISS International Partner meeting at which it was decided to convert an old Russian Orlan space suit into a satellite by outfitting it with telemetry equipment and antenna--and to toss the suit out of the space station.
McFadinは、それに遠隔測定法装置とアンテナを装備させることによって古いロシアのOrlan宇宙服を衛星に変えることが決定されたAMSAT Symposium/ARISS International Partner会議に引き続いて訪問していました－そして、宇宙ステーションからスーツを投げること。
The plan, code-named SuitSat, called for the novel "satellite" to transmit spoken greetings from children in multiple languages, as well as slow-scan TV images encoded in audio signals and some spoken telemetry, such as elapsed time, temperature and battery voltage. McFadin was calling Microchip Technology Inc. to see if a PIC microcontroller could handle the job.
音声信号と若干の口頭の遠隔測定法（例えば経過時間、温度とバッテリー電圧）にコード化される遅い走査テレビ画像と同様に、計画（SuitSatというコードネームの）は複数の言語で子供たちからの口頭の挨拶を送るために、新しい「衛星」を必要としました。McFadinは、PICマイクロコントローラが仕事を処理することができたかどうか見るために、Microchip Technology社を呼んでいました。
It seemed simple enough, and so a small team from Microchip volunteered to help out. "We got into it thinking it's easy," said Steven Bible, technical staff engineer at the Chandler, Ariz., company. "Kind of like a high-level science fair project." They were mistaken.
それは十分に単純なようでした、そして、Microchipからの小さなチームは手伝うと申し出ました。「我々は、それが簡単であると思って、それに入りました」と、スティーブン聖書、チャンドラーのテクニカルスタッフエンジニア、アリゾナ、会社が言いました。「高水準科学博覧会プロジェクトがちょっと好きにしてください。」、Theyは誤っていました。
What the Microchip engineers didn't fully appreciate at the time was that extreme environmental and safety issues would challenge them at every step of the design. With a vacuum to deal with, they learned about the implications of outgassing and about handling thermal hot spots with no airflow. They also learned how to avoid the Fermi region to prevent arcing, how to handle thermal extremes, and what do about ionizing radiation. They studied power-optimization techniques for system longevity, and with no gravity for stability, they found out the hard way what a tumbling antenna does to radio reception.
Microchipエンジニアがその時に完全には評価しなかったものは、極端な環境で安全問題がデザインのあらゆるステップで彼らを難詰するということでした。対処する真空で、彼らは気流なしでガスを抜いていて扱えている熱のホットスポットの意味について学びました。彼らも、どのようにアークを防ぐためにフェルミ地域を避けるべきか、どのように熱の両極端を取り扱うべきか、そして、何が電離放射線についてするか学びました。彼らはシステム長命の力最適化技術を研究しました、そして、安定性のための重力なしで、彼らは苦い経験を通して転落しているアンテナがするものが受信に無線で連絡することを思い知りました。
The experience proved so interesting that the engineers enthusiastically signed up for SuitSat-2. Leveraging their acquired knowledge, the team has already developed a new solar-conversion technique for the follow-on satellite that will extend system life to months instead of weeks. They have also crafted a software-defined, full-duplex radio with a better antenna for two-way communication and more-refined control.
経験は、エンジニアが熱心にSuitSat-2の契約をしたように面白いとわかりました。彼らの獲得した知識に影響を及ぼして、チームは週の代わりにシステム生命を月まで広げる後続の衛星の新しい太陽の転換テクニックをすでに開発しました。彼らは、双方向通信とより洗練された支配のためにより良いアンテナでソフトウェア定義の、全二重ラジオも手で作りました。
Electronics the easy part
簡単なものは分けるエレクトロニクス
From a schematic-diagram point of view, the original SuitSat-1 system and its electronics were fairly straightforward. According to Bible, the main design parameters were that it be easy to assemble on the space station and that it work with simple, inexpensive ground receive equipment, so that teachers and hobbyists could readily track the signals. All they should have to do would be to download free software that let them track the audio and decipher the audio-encoded images.
概略図の観点から、最初のSuitSat-1システムとその電子機器は、かなり直接でした。聖書によって、主要なデザインパラメータが宇宙ステーションとそれの上でそれを集めることが単純なもので働くことが簡単であるということであったこと、先生と道楽者が信号をすぐに追うことができるように、安価な地面は器材を受けます。彼らがしなければならないすべては、彼らはオーディオを追跡して、オーディオコード化されたイメージを解読することができる無料ソフトをダウンロードすることになっています。
SuitSat-1 comprised a controller box with a control printed-circuit board, dc/dc converter and EMI filter. This connected to a separate radio box that used an off-the-shelf Kenwood TH-K2 amateur handheld two-way VHF radio with an external quarter-wave, ground-plane antenna. The controller also connected to a switch box with one power and two timer switches that were used to start the system upon deployment. The whole system was powered by the suit's own three, very expensive but high-power-density 28-volt silver-oxide batteries.
SuitSat-1は、制御プリント回路基板、dc/dcコンバータとEMIフィルタでコントローラボックスから成りました。これは、いつでもすぐ買えるケンウッドTH-K2アマチュア携帯装置を双方向に扱った別々のラジオボックスに接続しました外部の15分前-波（接地平面アンテナ）でVHFラジオ。コントローラも、配備と同時にシステムを始めるのに用いられた1つの力と2つのタイマースイッチで配電箱につながりました。全部のシステムはスーツの自分のもの3によって原動力となられました。そして、強力密度28ボルトの銀酸化物バッテリー以外の非常に高価でした。
The controller board was where the messages were stored and where temperature and voltage monitoring took place. At its heart was the PIC18F8722, a 64/80-pin microcontroller with 1 Mbit of enhanced flash, on-board 10-bit analog-to-digital converter and the company's nanoWatt technology. Another reason that processor got picked was its ability to handle voice signals encoded using adaptive pulse-code modulation (ADPCM). Those signals were stored on an 8-Mbit SPI serial flash chip from SST (the SST25LF080A), programmed via an RS-232 interface, and a MAX3232 RS-232 level shifter from either Maxim or Texas Instruments (dual sources).
コントローラボードは、メッセージが保存されたところと温度と電圧監視が起こったところでした。そのこころで、PIC18F8722（1Mbitの強化されたフラッシュ、オンボード10ビットのアナログ‐デジタル変換器と会社のnanoWatt技術による64/80-ピンマイクロコントローラ）はありました。プロセッサーが選択されたもう一つの理由は、適応可能なパルス符号変調（ADPCM）を使ってコード化される音声信号を取り扱うその能力でした。それらの信号は、マキシムかテキサスインスツルメンツ（二重源）からSST（SST25LF080A）（RS-232インターフェースによってプログラムされる）とMAX3232 RS-232レベルシフターから8メガビットのSPI連続物フラッシュチップに保存されました。
The ADPCM signal was output from the microcontroller to an MCP6022 op-amp-based, 4-kHz low-pass filter, and from there passed on to the radio, which transmitted at 145.99 MHz. Also on the board were an MCP9800 SPI temperature sensor and three MC14541 programmable timers.
ADPCM信号はマイクロコントローラからオペ-アンペアに拠点を置くMCP6022（4kHzの低域フィルター）への出力で、そこからラジオに進みました。そして、それは145.99MHzで伝えました。また、板の上に、MCP9800 SPI温度センサーと3台のMC14541プログラム可能なタイマーはありました。
Safety first
安全第一
The inclusion of timers on the control board underscored the biggest problem the designers faced: safety. "We had to deal with NASA safety people," said Bible. "It was mind-boggling." Each aspect of the design had its own documentation: snag hazard, outgassing hazard, electric shock and RF hazard. To handle the latter, the timers were used to implement three interlocks to prevent the transmitter from sending out messages before a 30-minute timeout, thereby giving the cosmonauts time to reenter the space station after pushing away the SuitSat.
制御盤のタイマーの包含は、デザイナーが取り組んだ最大の問題を強調しました：安全性。「我々は、NASA安全性人々と仕事をしなければなりませんでした」と、聖書にはありました。「それは肝をつぶすようでした。」、デザインのEach面は、それ自身のドキュメンテーションをしました：危険、ガスを抜いている危険、感電とRF危険を妨げてください。後者を取り扱うために、タイマーは送信機が30分のタイムアウトの前にメッセージを出すのを防ぐために3つの連動を実行するのに用いられました。そして、それによって宇宙飛行士にSuitSatを押しのけた後に宇宙ステーションに再び入る時間を与えました。
To keep from exposing the astronauts to toxic fumes, all the components had to be built from materials that could pass a thermal-vacuum test without outgassing. But that wasn't the only selection constraint: Tantalum and ceramic capacitors were chosen instead of electrolytic, since electrolytics are basically a can and are also potential leakers.
宇宙飛行士を中毒煙霧にさらさないようにするために、すべての構成要素は、ガスを抜くことなく熱の真空テストにパスすることができた材料から作り上げられなければなりませんでした。しかし、それは唯一の選択制約でありませんでした：electrolyticsが基本的に缶で、潜在的漏るものでもある時から、タンタルと陶製コンデンサは電解ものの代わりに選ばれました。
All mounting hardware had to be stainless steel, and no lock washers could be used, because they produce microscopic metal shavings that could short out fine-pitch SMT parts. Due to the vibration associated with takeoff, all wires were laced together and glued down. All bare-metal joints were covered with RTV to prevent any debris from shorting connections, and all bolts were glued to prevent loosening. Even the glue itself had to be specially approved by NASA.
ハードウェアを取り付けているすべてはステンレス鋼でなければなりませんでした、そして、彼らが純粋なピッチSMT部品を外へ短絡させることができた微細な金属削りくずを生産するので、止め座金が使われることができませんでした。離陸と関連した振動により、すべてのワイヤーは一緒にひもで縛られて、下に接着されました。すべての裸の金属ジョイントはどんな破片でも接続を短絡させるのを防ぐためにRTVでおおわれていました、そして、すべてのボルトはゆるむのを妨げるために接着されました。接着剤自体さえ、特にNASAの承認を得なければなりませんでした。
One of the more interesting considerations when preparing for a vacuum is the Fermi effect, whereby operation at lower oxygen pressure can cause arcing or a corona effect at voltages of around 40 V. To prevent this hazard, Bible said, the enclosures had extra holes to ensure rapid venting to vacuum. While ionizing radiation and its associated bit-flips and latchups were somewhat of a concern, the low-earth orbit at about 400 to 500 km, and the short life expectancy of the satellite, gave this problem low priority. In the end, it proved to not be an issue.
真空に備えることがフェルミ効果であるより面白い考慮すべき問題のうちの1つ、それによって圧力がアークにもたらすことがありえる下の酸素の作動またはおよそ40のV. Toの電圧のコロナ効果はこの危険（言われる聖書）を防ぎます。そして、構内は確実にする余分の穴を持ちました真空に漏れ出て急速です。電離放射線とその合同ビット-フリップとlatchupsがいくぶん懸念の間、400～500kmくらいの低アース軌道と衛星の短い寿命はこの問題に低いプライオリティーを与えました。結局は‖それが、問題でないことを証明しました。
Thermal, power management
熱の、力の管理
Thermal management did become an issue, however. While convection or forced-air cooling can be used on earth, the vacuum of space meant the designers had to rely on black-body radiation to keep the system cool. To maximize heat extraction, they mounted hot spots, such as the Kenwood radio transmitter, on a large aluminum block that was itself attached to the enclosure. Also, thermal extremes had to be avoided. As it orbited, the suit would be exposed to heat and cold alternately for 45 minutes each.
しかし、熱の管理は、問題になりました。対流または強制的空冷が地球上で使われることができる間、スペースの真空はデザイナーがシステムをクールにしておくために黒い体放射線に頼らなければならないことを意味しました。熱抽出を最大にするために、彼らは構内に付けられるそれ自体であった大きなアルミニウムブロックで、ホットスポット（例えばケンウッドラジオ送信機）に上がりました。また、熱の両極端は避けられなければなりませんでした。それが旋回したので、スーツはそれぞれ45分の間交替に熱と寒さにさらされます。
While the suit was designed to keep an active cosmonaut cool, the team had no information on the environment without a human inside. The suit was not going to be actively cooled. As the electronics were placed inside, the engineers banked on it being an insulator against extreme cold and heat. They used a temperature sensor and spoken telemetry to monitor the variations. It stayed at 12°C for the entire mission.
スーツが活発な宇宙飛行士をクールにしておくようにデザインされている間、チームには人間の内部なしで環境に関する情報がありませんでした。スーツは、活発に冷やされそうでありませんでした。電子機器が中に置かれたので、エンジニアは最大の寒さと熱に対する絶縁体でそれをあてにしました。彼らは、バリエーションをモニターするために、温度センサーと口頭の遠隔測定法を使いました。それは、全任務のために12°Cにとどまりました。
While the electronics went inside, the switch box and antenna were bolted externally to the helmet, with the cables running inside, taking care to reduce snagging potential. To maximize life expectancy from the used batteries, which would be in an unknown state of charge, the team made sure the transmission was easy to listen to and did not require an excess amount of energy. The result was a 30-seconds-off, 30-second-broadcast mission profile.
エレクトロニクスが中に行く間、中に走っていて、可能性を妨げることを減らすように注意しているケーブルで、配電箱とアンテナは外部的にヘルメットにボルト留めされました。使い古したバッテリー（それが管理の未知のありさまにあります）から、寿命を最大にするために、チームは伝達が聞くのが簡単で、過剰なエネルギー量を必要としなかったことを確認しました。結果は、30秒の休み（30秒の放送任務プロフィール）でした。

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