Как солнечная радиация нарушает работу электронных систем — и как от неё защищаются

Глубокий технический анализ инцидента, произошедшего в конце октября в США, показал: интенсивное солнечное излучение может повредить данные, используемые в системах управления полётом. Хотя такие события происходят нечасто, их последствия в авиации могут быть крайне серьёзными.

Что такое солнечная радиация

Солнечная радиация — это поток энергетических частиц (протонов, электронов, тяжёлых ионов) и электромагнитного излучения (рентгеновские лучи, ультрафиолет, радиоволны), испускаемых Солнцем. Особенно интенсивной она становится во время:

• солнечных вспышек;
• корональных выбросов массы (CME).

Во время таких событий заряженные частицы могут достигать Земли в течение нескольких часов или дней. Магнитное поле и атмосфера планеты эффективно защищают поверхность, но на больших высотах — в авиации и космосе — электронные системы оказываются значительно более уязвимыми.

Как радиация влияет на электронику

При взаимодействии с электронными компонентами солнечное излучение может вызывать несколько типов эффектов:

Временные сбои (Single Event Effects, SEE)
Энергетическая частица способна изменить состояние одного бита в памяти или регистре. Это приводит к ошибкам программного обеспечения или повреждению данных. По всей видимости, именно такой эффект и стал причиной инцидента с A320.

Постоянные повреждения

В редких случаях радиация вызывает локальные пробои или короткие замыкания внутри микросхем, делая компонент неработоспособным до перезапуска или замены.

Постепенная деградация

Длительное воздействие радиации ускоряет старение полупроводников, сокращая срок службы электронных компонентов.

Для авиации, где отказоустойчивость является абсолютным приоритетом, даже кратковременные ошибки данных требуют особого внимания.

Какие компоненты наиболее уязвимы

Чувствительность к радиации зависит от архитектуры и технологии изготовления. В зоне повышенного риска:

• Летучая память (ОЗУ, регистры) — наиболее подвержена одиночным сбоям битов.
• Микропроцессоры и FPGA — сложные логические структуры увеличивают вероятность зависаний и логических ошибок.
• АЦП и датчики — радиация может искажать измерения и цифровые выходные сигналы.
• CMOS-компоненты — с уменьшением техпроцесса транзисторы становятся более чувствительными к внешнему излучению.

Как защищают электронные системы от радиации

Современные системы используют сочетание аппаратных и программных мер защиты.

Аппаратные решения

• Экранирование
  Применение поглощающих материалов (вольфрам, специализированные композиты) для защиты критических узлов.
• Избыточность
  Дублирование или тройное резервирование вычислительных систем с автоматическим переключением при отказе.
• Радиационно-стойкие компоненты
  Используются в космической, военной и ядерной технике; способны работать при высоких дозах излучения.
• Защитные электрические схемы
  Фильтры и ограничители токов, возникающих из-за радиационных эффектов.

Программные решения

• Обнаружение и коррекция ошибок (ECC, CRC)
  Постоянный контроль целостности данных и автоматическое исправление повреждённых битов.
• Программная избыточность
  Параллельный запуск нескольких экземпляров одного алгоритма с последующим сравнением результатов.
• Динамическая реконфигурация
  В системах на базе FPGA возможна перестройка логики при обнаружении аномалий.

Почему в случае A320 хватило обновления ПО

Airbus выбрал программное обновление вместо аппаратной модернизации по ряду причин:

• Скорость внедрения
  ПО можно развернуть по всему парку за часы, тогда как аппаратные изменения требуют месяцев сертификации.
• Характер сбоя
  Проблема касалась повреждения данных памяти — типичного временного эффекта, хорошо поддающегося программной коррекции.
• Экономика и логистика
  Замена оборудования на тысячах самолётов была бы чрезвычайно затратной.
• Гибкость
  Программные механизмы можно дорабатывать по мере накопления новых данных или роста солнечной активности.

С высокой вероятностью обновление усилило контроль целостности критических данных, внедрило автоматические процедуры восстановления и оптимизировало управление памятью для снижения влияния радиационных сбоев.

Вывод

Инцидент с Airbus A320 наглядно показал: даже редкие космические факторы способны влиять на высоконагруженные и критически важные электронные системы. По мере роста вычислительной сложности и уменьшения техпроцессов устойчивость к радиации становится не только задачей космоса, но и важным элементом авиационной и киберфизической безопасности.

 

Источник: https://electronics-journal.com/technical-articles/103846-how-solar-radiation-disrupts-electronic-systems-and-what-solutions-can-protect-them