[논문]HAUSAT-2 우주방사능 환경과 영향 분석

정지완; 장영근

문제 정의

본 논문에서는 HAUSAT-2의 우주방사능 환경 모델을 생성하고, 총 피폭 현상과 단일 사건 효과에 대하여 분석하였다. 우주방사능 환경은 포획된 양자, 포획된 전자, 태양양자, 외계 우주방사선을 고려하여 분석하였다.

제안 방법

HAUSAT-2의 기하학적 형상에 의한 총 피폭량을 구하기 위해 모듈을 배치하고 모듈 내부에 우주방사선 탐지기가 위치하는 것으로 생각하였으며, 각각의 전장박스 내의 차폐 두께의 입체 각 분포도를 구하였다. 그 결과는 그림 2와 같다.
단일 사건 효과를 일으키는 요인으로는 중이온과 양자와 구조체의 간섭 현상이 있다. 단일 사건 효과는 저장되어 있는데이터의 비트값을 바꿔 오류를 유발하거나 과전류를 흘려 저장되어 있는데이터를 지워버릴 수 있으므로, 단일 사건 효과 해석은 데이터 저장 기능을 수행하는 탑재 컴퓨터 MCP860T2B와 메모리 K6X8008T2B에 대해 수행하였다. 해석은 방사능 시험 보고서의 데이터(방사능 포화 단면적과 LETth의 값)와 방사능 민감 부품의 포화단면적에 임계 전하 값이 가해질 확률을 구해 수행하였다.
본 논문에서는 HAUSAT-27} 운용될 궤도의 우주방사능 환경 중 가장 크게 영향을 미칠 것으로 예상되는 총 피폭 효과와 단일 사건 효과에 대해 해석을 수행하였으며, 총 피복 효과 분석 결과를 바탕으로 HAUSAT-2에 사용된 전자부품들의 방사능 내성을 확인하였으며, 임무를 수행하는 데 있어 문제가 없음을 확인하였다. 단일 사건 효과에 대해서는 SEU(Single Event Upset)와 SEL(Single EventLatchup)에 대해 해석 을 수행하였으며, SEL의 경우 HAUSAT-2의 임무기간 동안 발생하지 않고 SEU에 대해서는 임무기간 동안 최대 15번 정도 발생할 것으로 예측되었으므로, SEU를 제어해 줄 필요가 요구되었다. 따라서 HAUSAT-2는 EDAC 코드를 이용하여 메모리를 보호하는 설계를 고려 하였다.
본 논문에서는 HAUSAT-2의 우주방사능 환경 모델을 생성하고, 총 피폭 현상과 단일 사건 효과에 대하여 분석하였다. 우주방사능 환경은 포획된 양자, 포획된 전자, 태양양자, 외계 우주방사선을 고려하여 분석하였다. 우주방사능 환경 데이터를 바탕으로 HAUSAT-2의 총 피폭 현상을 분석한 결과 HAUSAT-2의 구조체 두께인 4mm에 대해 임무기간 동안 1.
단일 사건 효과는 저장되어 있는데이터의 비트값을 바꿔 오류를 유발하거나 과전류를 흘려 저장되어 있는데이터를 지워버릴 수 있으므로, 단일 사건 효과 해석은 데이터 저장 기능을 수행하는 탑재 컴퓨터 MCP860T2B와 메모리 K6X8008T2B에 대해 수행하였다. 해석은 방사능 시험 보고서의 데이터(방사능 포화 단면적과 LETth의 값)와 방사능 민감 부품의 포화단면적에 임계 전하 값이 가해질 확률을 구해 수행하였다. SEU와 SEL의 발생 확률을 구한 결과는 표3과 같다(Rollins 1990).

이론/모형

강화가 필요한 부품들의 경우 PCC법을 이용하여 부품에 특성에 맞는 RDM값을 정하는 방법과 부품의 위성 내 위치에 따라 받는 피폭량을 정확하게 구하는 방법이 있다. HAUSAT-2^ 경우 기하학적 형상에 의한 피폭량을 고려하는 방법을 이용하였다 (백명진과 김학정 2001a).
일반적으로 저궤도 위성의 경우에는 DMBP 방법이 이용되며, 군사위성이나 정지궤도 위성의 경우 PCC 방법을 이용한다. 따라서 HAUSAT.2의 부품 방사선 내성검증의 기준으로는 DMBP 방법을 이용하였다(NASA 1994).

성능/효과

560Krad보다 적은량이 피폭될 것으로 예상된다. BEU 모듈에 실제 누적되는 총 피폭량으로 DMBP 방법을 다시 수행한 결과 모든 부품이 10이상의 RDM을 가짐으로 HAUSAT-2의 임무수행에 있어서 총 피폭 현상에 의한 문제는 없을 것으로 생각할 수 있다. 재수행한 RDM 검증 결과는 표2와 같다(NASA 1994).
560krad가 누적됨 을 확인하였다. HAUSAT-2의 방사능에 민감한 부품들에 대해 DMBP 기준을 적용한 결과 몇몇의 부품이 RDM을 만족하지 못했지만, HAUSAT-2의 기하학적 형상을 고려하여 각각의 모듈에 실제 피폭되는 양을 고려했을 때 모든 부품이 RDM을 만족시키고 HAUSAT-2는 총 피폭 효과의 영향으로부터 안전함을 확인하였다. 단일 사건 효과에 대해서는 탑재 컴퓨터와 메모리에 대해 임무기간 동안 최대 15번의 SEU 가 발생할 수 있으며, SELe 발생하지 않을 것으로 예측되었다.
HAUSAT-2의 임무기간인 2008년부터 2010년까지는 태양활동이 왕성해지는 시점이므로, 모델링 시 최대 태양활동을 고려하였다. 그 결과 포획된 전자와 양자는 SAA(South Atlantic Anomaly)에 태양양성자는 극지방에 집중되어 있음을 알 수 있었다.
본 논문에서는 HAUSAT-27} 운용될 궤도의 우주방사능 환경 중 가장 크게 영향을 미칠 것으로 예상되는 총 피폭 효과와 단일 사건 효과에 대해 해석을 수행하였으며, 총 피복 효과 분석 결과를 바탕으로 HAUSAT-2에 사용된 전자부품들의 방사능 내성을 확인하였으며, 임무를 수행하는 데 있어 문제가 없음을 확인하였다. 단일 사건 효과에 대해서는 SEU(Single Event Upset)와 SEL(Single EventLatchup)에 대해 해석 을 수행하였으며, SEL의 경우 HAUSAT-2의 임무기간 동안 발생하지 않고 SEU에 대해서는 임무기간 동안 최대 15번 정도 발생할 것으로 예측되었으므로, SEU를 제어해 줄 필요가 요구되었다.
우주방사능 환경은 포획된 양자, 포획된 전자, 태양양자, 외계 우주방사선을 고려하여 분석하였다. 우주방사능 환경 데이터를 바탕으로 HAUSAT-2의 총 피폭 현상을 분석한 결과 HAUSAT-2의 구조체 두께인 4mm에 대해 임무기간 동안 1.560krad가 누적됨 을 확인하였다. HAUSAT-2의 방사능에 민감한 부품들에 대해 DMBP 기준을 적용한 결과 몇몇의 부품이 RDM을 만족하지 못했지만, HAUSAT-2의 기하학적 형상을 고려하여 각각의 모듈에 실제 피폭되는 양을 고려했을 때 모든 부품이 RDM을 만족시키고 HAUSAT-2는 총 피폭 효과의 영향으로부터 안전함을 확인하였다.
우주방사선에 민감한 부품들은 주로 ADC & DAC, FPGA, Linear Devices, Logic Devices, SRAM & DRAM, Transistor와 같은 부품들이다. 위의 종류에 대해 HAUSAT-2에서 사용하는 부품에 대해 우주방사능 허용 레벨 분류를 수행한 결과 CS+ATS 보드의 DSP, C&DH+MTQ 보드의 ADC, EPS+MAG 보드의 MOSFET이 Hardness Critical한 부품으로 분류되었다. Rmf는 사용부품이 고장까지 최대 견딜 수 있는 피폭량을 말하며, RDMe 식(1)에 의해 구할 수 있다
탑재 컴퓨터와 메모리의 비트수는 32,000비트수로 정하였으며, 해석 결과 SEU는 여러 번 발생하지만 SELe 발생하지 않을 것으로 생각된다. 따라서 HAUSAT-2는 SEU를 억제하기 위해 FPGA에 EDAC 코드를 삽입하여 메모리와 탑재 컴퓨터를 보호하도록 설계를 했으며, SEL 보호회로는 고려하지 않았다 (백 명진과 김학정 2001b, Rollins 1990).

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