Die Nachfrage nach Internetbandbreite steigt weiter, während die terrestrische Bandbreite nur langsam reagiert. Dies liegt zum Teil daran, dass es aus wirtschaftlicher Sicht nicht rentabel ist, etwa die Hälfte der Weltbevölkerung zu versorgen. Es ist jedoch eine wichtige Initiative, da die allgemeine Zugänglichmachung von Breitband für die am schlechtesten versorgten sozialen Schichten die Armut verringert, den Lebensstandard verbessert und einer der Schlüssel zum Wirtschaftswachstum ist.
Die Bandbreite muss mit mindestens 20 multipliziert werden, um die Internetnachfrage weltweit zu decken. Mehr als 100.000 neue Satelliten müssen in den nächsten zehn Jahren eingesetzt werden, um dieses Ziel zu erreichen, und hochdichte Stromversorgungslösungen werden Teil des Designs von LEO- und MEO-Satelliten sein.
Wo terrestrisches Breitband nicht hinreicht, ist Satellitenkommunikation bereit, dieses Problem zu lösen. Anbieter von Satellitenkommunikation und OEMs versuchen, Produkte zu entwickeln, die diese hervorragenden Wachstumschancen nutzen. Die Bemühungen von Unternehmen wie Boeing, das Satelliten an den europäischen Dienstleister SES für seine O3b-Konstellation (andere 3 Milliarden) liefert, und an SpaceX, das mit seiner schnell wachsenden Starlink-Konstellation führend darin ist, Milliarden von Menschen gleiche Chancen zu bieten .
Um diese Markt- und soziale Chance zu nutzen, planen Satellitenkommunikationsanbieter und OEMs, in den nächsten fünf Jahren genügend Kapazität mit mindestens der 20-fachen Gesamtbandbreite bereitzustellen.[b] Boeing, OneWeb, Viasat, SpaceX und andere planen, mehr als 100.000 hinzuzufügen Satelliten in den nächsten zehn Jahren[c] und sie alle versuchen, eine große Rolle im neuen Weltraumrennen zu spielen.
Um dies zu erreichen, durchläuft die Branche einen enormen Paradigmenwechsel im Satellitensystemdesign, um signifikante Erfolge zu erzielen, sowie eine großartige Gelegenheit, innovative Lösungen und neue Unternehmen einzuführen, um von diesem Boom zu profitieren.
Ein grundlegendes Element zur Lösung des Problems als Ganzes ist die Lösung des Ernährungsproblems. Neue Lösungen für die Satellitenkommunikation im Weltraum erfordern eine Hochleistungsverarbeitung, die wiederum mehr verbraucht. Platz- und Gewichtsbeschränkungen geben daher fortschrittlichen Energielösungen mit hoher Dichte und hohem Wirkungsgrad mehr Bedeutung, die es ermöglichen, diese fortschrittlichen Kommunikationssysteme zu erhalten.
Schlüssel zum Wettbewerb für neue Satelliten-OEMs und -Diensteanbieter
Um mit terrestrischen Lösungen konkurrieren zu können und den erwarteten Anteil des Internet-Bandbreitenwachstums in den nächsten fünf bis zehn Jahren zu erfassen, müssen räumliche Lösungen in Bezug auf Kapazität, Abdeckung, Latenz und Kosten wettbewerbsfähig sein. Um wettbewerbsfähig zu sein, ist die Schlüsselstrategie, in der sich die Unternehmen des sogenannten New Space zusammengeschlossen haben, der Einsatz einer großen Anzahl kleinerer und verbundener Satelliten in LEO (Low-Earth-Orbit) und MEO (Medium-Earth-Orbit). Orbit) Konstellationen. .
Der Einsatz von Hunderten oder Tausenden von Satelliten in niedrigeren Umlaufbahnen stellt Systemarchitekten und Entwickler vor einige erhebliche Schwierigkeiten. Die Kosten eines Satelliten, einschließlich der Startkosten, müssen im Vergleich zu geostationären (GEO) und Weltraumsatelliten um mindestens eine Größenordnung gesenkt werden, damit diese Lösung wirtschaftlich rentabel ist.[c] Um diese Kostensenkung zu erreichen, müssen sie müssen den Satellitendurchsatz erhöhen und sowohl Größe als auch Gewicht verringern. Gleichzeitig ist die Anzahl der einsetzbaren Satelliten begrenzt und auf der Grundlage der von internationalen Organisationen festgelegten Zuweisung beschränkt, sodass ein noch größerer Anreiz besteht, die maximale Leistung jedes Satelliten zu erreichen. Diese diametral entgegengesetzten Anforderungen, die die Verringerung der Größe und der Kosten von Satelliten bei gleichzeitiger Erhöhung ihrer Leistung sowie eine geringere Strahlenbelastung in niedrigeren Umlaufbahnen umfassen, legen mehrere Designkriterien fest, die sich von klassischen Anwendungen unterscheiden.
Gestaltungskriterien und Anforderungen für den New Space
Eine Möglichkeit für Entwickler, dieses Designproblem anzugehen, bestand darin, immer ausgefeiltere On-Board-Verarbeitungsfunktionen zu verwenden. Die Verwendung modernster FPGAs und ASICs mit Integrationsebenen weit unter einem Mikrometer und anspruchsvollen Niederspannungs- und Hochstrom-Leistungsanforderungen ist alltäglich geworden, um maximale Leistung auf kleinstem Raum zu erzielen.[d] Die Notwendigkeit von Fortgeschrittenere Lösungen bestimmen auch die Dauer der Mission, da Unternehmen mit fortschreitender Technologie die Satelliten schneller wechseln müssen, um von den neuesten Innovationen zu profitieren.
Die typische Dauer einer LEO-Mission und der optimale Zeitrahmen für Technologie-Upgrades beträgt drei bis sieben Jahre. Dieser Vorschlag kann teuer werden, und da die Zulassung nur für eine bestimmte Anzahl von Satelliten eingeholt wird, müssen Unternehmen diese ersetzen, anstatt weitere hinzuzufügen. Die kürzere Missionsdauer erfordert auch ein Überdenken der Markteinführungszeit von sieben auf zehn Jahre, die normalerweise Entwicklungs- und Produktionszyklen in der Hälfte oder weniger dauern. Die gute Nachricht ist, dass niedrigere Umlaufbahnen innerhalb des Van-Allen-Gürtels in Verbindung mit kürzeren Missionsdauern den erforderlichen Strahlenschutz erheblich verringern. Dies wiederum ermöglicht die Verwendung anspruchsvollerer und kostengünstigerer kommerzieller Produkte mit den für die Mission erforderlichen geringeren Strahlungstoleranzen.
Time-to-Market-Anforderungen treiben weitere Veränderungen voran. Entwickler versuchen, modulare Komponenten von der Stange zu bauen, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen, die Test- und Genehmigungszeit zu verkürzen und viel schnellere und vorhersehbarere Designzyklen zu ermöglichen. Diese Anforderungen, gepaart mit der schieren Menge an Satelliten, die OEMs produzieren müssen, belasten die Fertigungskapazitäten stark. Modulare Komponenten werden typischerweise in modernen Fertigungsumgebungen zusammengebaut und sind robust und kommerziell skalierbar, im Gegensatz zu älteren weltraumtauglichen Komponenten, die typischerweise in kleinen Stückzahlen und für Missionen hergestellt werden, die weniger Satelliten erfordern, mit einem höheren Grad an Strahlungsbeständigkeit.
Verbesserte Stromnetze für den New Space
Ähnlich wie andere Elemente in Satellitensystemen wurden die meisten vorhandenen weltraumtauglichen DC/DC-Lösungen, sowohl isoliert als auch nicht isoliert, für tiefere Weltraummissionen entwickelt und weisen ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Strahlungstoleranz auf. Als solche erfüllen sie nicht die Dichte- und Effizienzanforderungen von New-Space-Anwendungen. Diese Lösungen mit maximaler Strahlenresistenz erfordern aufgrund des hohen Handarbeitsanteils und zahlreicher Tests die Herstellung hermetischer Verkapselungen und die Produktion kleiner Stückzahlen mit extrem langen Zyklen. Eine andere Art von Stromnetz ist erforderlich, um die Leistungsanforderungen von New-Space-Anwendungen zu erfüllen und gleichzeitig eine angemessene Strahlungstoleranz zu bieten.
Um diese Größen-, Gewichts- und Kostenverbesserungen durch fortschrittliche Kommunikationsprozessoren zu erreichen und die Markteinführungszeit zu verkürzen, ist ein fortschrittliches Stromnetz, das in der Lage ist, hohe Ströme bei niedrigen Spannungen durch dichte und effiziente Leistungskomponenten zu liefern, unerlässlich. Kompakte, modulare Leistungskomponenten werden die Größe und das Gewicht des Stromnetzes auf drei Arten erheblich reduzieren:
- Sie haben eine höhere Leistungsdichte.
2. Sie verkleinern das Stromversorgungsnetz und erhöhen die Effizienz, wodurch die auf der hochkupferhaltigen Leiterplatte belegte Fläche reduziert wird.
3. Sie benötigen weniger zusätzliche Filterung.
Im Allgemeinen setzt die Verbesserung der Effizienz und Dichte des Speisenetzwerks Größe und Gewicht frei, die für Nutzlast- und Satellitensubsysteme verwendet werden können.
Schnellere Markteinführung, maximaler Nutzen, weniger Risiko und Kosten
Die strahlungstoleranten Leistungsmodule von Vicor bieten das ideale Leistungsnetzwerk für vorhandene LEO- und MEO-Satelliten, indem sie eine hocheffiziente, hochdichte und rauscharme Spannungswandlung zur Stromversorgung von ASICs und Prozessoren für die fortschrittliche Netzwerkkommunikation bereitstellen. Die Zuverlässigkeit wird durch die Dual-Power-Stage-Topologie erhöht, die es unseren Modulen zusammen mit umfangreichen Typzulassungstests ermöglicht, die TID- und SEE-Strahlungsanforderungen auf Mission zu erfüllen.
Die modularen Lösungen von Vicor wandeln Strom zwischen Quelle und Last um und ermöglichen es Entwicklern, Markteinführungszeiten, Risiken und Kosten zu reduzieren und gleichzeitig den Platz auf der Platine zu maximieren. Dieses Produkt von Vicor ist in der Lage, eine Prozessorlast von 0,8 V/150 A und 3,3 V/50 A über einen standardmäßigen 100-V-Bus mit einem Wirkungsgrad von bis zu 81 % zu versorgen. Die in der Entwicklung befindlichen Module der nächsten Generation werden die Gesamteffizienz verbessern und alternative Buslösungen bieten.
Zu den Vorteilen, die die neuen strahlungstoleranten Leistungsmodule von Vicor bieten, gehört eine Verbesserung der Leistungsdichte um den Faktor 3 bis 5 im Vergleich zu den besten derzeit verfügbaren Lösungen sowie eine 50-prozentige Reduzierung der Leistungsverluste für Anwendungen, die auf einem 100-V-Bus basieren . Die Implementierung einer strahlungstoleranten Lösung von Vicor wird den Platinenplatz und das Gewicht, die für das Stromnetz erforderlich sind, erheblich verringern, mit erstklassigen Niveaus an Dichte, Effizienz und akustischer Signatur.
Mit langjähriger Erfahrung als Marktführer sowohl in der kommerziellen Luft- und Raumfahrt als auch in Hochleistungsprozessor-Power-Lösungen verwendet Vicor fortschrittliche Gehäuse und standardmäßige SM-ChiP™-Montagetechniken in großen Mengen. Alle Komponenten werden in einem US-Werk mit robuster Fertigungskapazität hergestellt und sind auf große Mengen skalierbar, was es ideal für die heutigen LEO- und MEO-Herausforderungen macht.
Rob Russell, Vizepräsident von Satellitenlösungen, Vicor
