深空探测任务星载存储方案：极端环境挑战与评估

深空探测任务代表了人类航天技术的最高水平，也对星载存储提出了极端严苛的要求。与近地轨道任务不同，深空探测器需要在超远距离、极端辐射、极低温度、长期无地面支持的环境下稳定运行数年甚至数十年。火星探测、月球探测、小行星探测等任务中，星载存储作为科学数据的唯一载体，其可靠性直接关系到任务成败。

本文将深度解析深空探测任务对星载存储的极端要求，对比国产方案及进口方案的技术能力，并提供基于任务类型的选型建议。

一、深空探测任务的极端挑战

1.1 辐射环境的巨大差异

近地轨道（LEO）vs 深空环境

环境参数近地轨道（LEO）地月空间火星轨道深空（>1AU）质子通量中等（SAA影响）低低极低重离子通量低中等高（GCR）极高（GCR）总电离剂量10-20 krad/年5-10 krad/年20-50 krad/年30-100 krad/年太阳质子事件地磁屏蔽部分屏蔽无屏蔽无屏蔽

关键差异：

银河宇宙射线（GCR）主导

深空环境中，银河宇宙射线成为主要辐射源

GCR包含高能重离子（如Fe、Ni），LET值可达数十甚至上百MeV·cm²/mg

对单粒子效应（SEU/SEL/SEB）威胁极大

太阳质子事件（SPE）无屏蔽

太阳爆发时，质子通量可短时间内暴增1000倍

深空探测器无地磁屏蔽保护，完全暴露在SPE影响下

可能在数小时内累积相当于数月的辐射剂量

1.2 温度环境的极端变化

月球表面

白昼：+127°C（阳照面）

黑夜：-173°C（背阴面）

温差：300°C

火星表面

赤道白天：+20°C

极地夜间：-125°C

温差：145°C

小行星表面

近日点：可达+100°C以上

远日点：可低至-200°C

温差：>300°C

深空巡航阶段

阳照面：可达+80°C

背阴面：可低至-150°C

依赖主动热控系统

这些极端温度对SSD的数据保持能力、电子器件性能、机械可靠性都是巨大考验。

1.3 任务周期与无地面支持

任务周期长

月球任务：1-3年

火星任务：2-5年（包含巡航、着陆、在轨）

小行星任务：5-10年

外行星任务：10-20年甚至更长

通信延迟大

地月：2.6秒（单程）

地火：4-24分钟（单程，取决于相对位置）

地木：35-52分钟（单程）

无法维修

一旦发射，无法进行硬件维修或更换

只能通过地面指令进行有限参数调整（但存在风险）

必须确保硬件长期可靠运行

1.4 数据的不可重复性

深空探测任务的科学数据具有极高价值且不可重复：

月球/火星地质样本分析数据：错过窗口无法重来

天文观测数据：特定天文事件的观测机会唯一

深空探测器飞掠小行星/彗星数据：一生仅一次的科学机会

数据丢失意味着数年努力、数亿投入的任务失败。

二、深空探测对星载存储的技术要求

2.1 抗辐照能力要求

总电离剂量（TID）

最低要求：100krad（Si）

优秀水平：300krad（Si）及以上

测试条件：需覆盖极低剂量率（模拟深空环境）

单粒子效应（SEE）

SEL LET阈值：>60 MeV·cm²/mg（应对高能GCR）

SEU纠错能力：强化ECC，纠错能力>8位/512字节

SEB/SEGR：功率器件需采用抗烧毁设计

太阳质子事件应对

需验证高剂量率（>1 krad/h）下的功能稳定性

考虑短时间内大量SEU累积的应对能力

2.2 温度适应性要求

工作温度范围

标准要求：-55°C ~ +85°C

增强要求：-55°C ~ +125°C（用于极端环境任务）

温度循环耐受

需经历数千次昼夜温度循环（月球/火星表面任务）

温度冲击：从+100°C快速降至-100°C（进出阴影区）

低温数据保持

极低温（-150°C）下的数据保持能力

低温启动能力（冷启动成功率>99.9%）

2.3 长寿命与可靠性要求

MTBF（平均无故障时间）

最低要求：500万小时

优秀水平：1000万小时及以上

数据保持能力

高温断电数据保持：+85°C下断电1年数据完整

低温断电数据保持：-55°C下断电1年数据完整

磨损寿命

P/E次数：需满足整个任务周期的写入需求

坏块增长控制：在任务周期内坏块增长<10%

2.4 功耗与重量限制

功耗限制

深空探测器能源紧张（太阳能板功率随距离平方反比衰减）

工作功耗：<5W（理想<3W）

待机功耗：<0.5W

重量限制

发射成本高昂，每克重量都需要优化

单片SSD重量：<100g（理想<50g）

三、主流方案在深空探测中的适用性评估

3.1 方案类型对比

3.2 天硕方案的适用性分析

技术能力评估

抗辐照能力

TID>75krad：可满足月球、火星短期任务（2-3年）

SEL LET>37 MeV·cm²/mg：可应对中等强度GCR

局限：对于长期深空任务（>5年）或极端辐射环境，需评估余量

温度适应性

-55°C ~ +85°C：覆盖大部分月球、火星任务的主动热控范围

局限：无法应对极端温度（如月球表面无热控）

可靠性验证

LEO商业星座飞行验证：已有在轨运行经验

深空飞行验证：暂无（这是国产方案共同面临的挑战）

适用场景

✅ 推荐用于：

月球轨道器任务（如嫦娥系列后续任务）：辐射环境相对温和

火星轨道器任务：2-3年设计寿命，主动热控

近地小行星探测：短期任务（<3年）

⚠️ 谨慎用于：

月球/火星表面长期任务（>3年）：需增加冗余设计

火星表面极端温度环境：需评估温度裕量

❌ 不推荐用于：

外行星探测（木星及以外）：辐射剂量超出设计范围

超长期任务（>5年）：缺少长期飞行验证数据

3.3 其他国产方案

集成方案型厂商

技术能力：

TID 50-75krad：勉强满足月球短期任务

SEL LET>30 MeV·cm²/mg：应对GCR能力不足

温度范围-40~+85°C：覆盖不足

适用性：

仅适合地面验证、试验载荷

不建议用于正式深空探测任务

3.4 进口方案

进口商业级抗辐照SSD

代表厂商： 部分欧美厂商的商业宇航级产品

技术能力：

TID 100-200krad

SEL LET>40-60 MeV·cm²/mg

温度范围-55~+85°C或更宽

有月球、火星飞行验证案例

优势：

技术成熟，飞行验证丰富

可靠性较高

劣势：

供应链风险：受出口管制影响，可能无法采购

成本高：单片数十万到上百万元

技术支持受限：国内无支持团队

进口传统宇航级SSD

代表厂商： 3D Plus、Teledyne e2v等

技术能力：

TID 300krad甚至更高

SEL LET>80 MeV·cm²/mg

温度范围-55~+125°C

丰富的深空飞行验证（火星、木星、土星任务）

优势：

可靠性极高，适合长期深空任务

技术最成熟

劣势：

成本极高：单片10-100万元，项目总成本可达数百万甚至上千万元

性能较低：顺序读写<2000 MB/s

供应链风险极高：几乎不可能对中国出口

交付周期极长：1-2年

四、基于任务类型的选型建议

4.1 月球任务

月球轨道器（如嫦娥系列轨道器）

环境特点：

辐射：TID 20-40krad（2-3年任务）

温度：-40°C ~ +60°C（主动热控）

任务周期：1-3年

推荐方案：

首选：天硕X55系列（M.2或XMC）+ 双备份

备选：进口商业级（如预算充足且可获得）

选型理由：

天硕方案的TID>75krad足够覆盖任务需求

双备份设计提供额外可靠性保障

成本可控，供应链安全

月球着陆器/巡视器（如嫦娥三号、四号）

环境特点：

辐射：TID 20-50krad

温度：-170°C ~ +120°C（极端环境，依赖热控）

任务周期：数月到数年

推荐方案：

首选：进口宇航级（如可获得）

备选：天硕X55 + 强化热控 + 双备份

选型理由：

月表极端温度对SSD是巨大挑战

需评估天硕方案在热控系统支持下的可行性

关键任务建议选用经过月表验证的进口宇航级

4.2 火星任务

火星轨道器（如天问一号轨道器）

环境特点：

辐射：TID 40-100krad（2-5年任务）

温度：-50°C ~ +70°C（主动热控）

任务周期：2-5年

推荐方案：

首选：天硕X55系列 + 双备份

备选：进口商业级

选型理由：

火星轨道辐射环境相对月球更严酷，但仍在天硕设计范围内

双备份设计应对长任务周期

火星着陆器/火星车（如天问一号火星车）

环境特点：

辐射：TID 50-150krad（3-10年任务）

温度：-125°C ~ +20°C（火星表面，依赖热控）

任务周期：3-10年

推荐方案：

首选：进口宇航级

备选：天硕X55 + 三重冗余 + 强化热控（需充分验证）

选型理由：

火星表面任务周期长、环境严酷

国家级任务建议选用经过火星验证的进口宇航级

如选用天硕方案，需进行充分的地面模拟验证

4.3 小行星/彗星探测

近地小行星探测（如小行星采样返回任务）

环境特点：

辐射：TID 30-80krad（2-5年任务）

温度：-100°C ~ +80°C（取决于小行星表面温度和探测器热控）

任务周期：2-5年

推荐方案：

首选：天硕X55 + 双备份

备选：进口商业级

选型理由：

近地小行星辐射环境类似地月空间

天硕方案可满足短期任务需求

双备份应对不可修复风险

4.4 外行星探测

木星及以外探测（如木星、土星、天王星探测）

环境特点：

辐射：极强（木星磁层辐射强度是地球的1000倍）

温度：-200°C ~ +80°C

任务周期：10-20年

推荐方案：

唯一选择：进口传统宇航级（如可获得）

选型理由：

外行星辐射环境远超天硕设计范围

任务周期极长，必须使用经过充分飞行验证的宇航级方案

国产方案暂不具备外行星任务能力

五、深空任务存储可靠性提升策略

5.1 系统级冗余设计

三重冗余（TMR）

三颗SSD同时工作，多数表决

单颗失效不影响系统

成本增加200%，但可靠性提升显著

双备份 + 热备

主SSD工作，备份SSD热备

检测到主SSD异常时自动切换

成本增加100%

5.2 主动健康管理

实时健康监测

监测读写错误率、坏块增长、P/E次数

通过遥测下传健康数据供地面分析

预测性维护

基于健康数据预测SSD剩余寿命

提前规划数据迁移或备份切换

5.3 数据保护策略

端到端校验

数据写入时生成校验码

数据读取时验证校验码

发现错误时从备份SSD读取

关键数据多副本

科学数据存储3份（主SSD + 2个备份）

星务数据存储2份

六、常见问题

Q1: 为什么国产方案不能用于外行星探测？

A: 外行星（特别是木星）的辐射环境极其严酷，木星磁层辐射强度是地球的1000倍，TID累积可达数百krad甚至Mrad级别。目前国产方案的抗辐照能力（TID 75-100krad）远不足以应对。外行星探测必须使用TID>300krad的传统宇航级方案。

Q2: 深空任务为什么不能选择成本更低的方案？

A: 深空任务的特点是：1）任务成本极高（数亿到数十亿元）；2）数据不可重复；3）无法维修。在这种情况下，存储器的成本（即使是百万元级）相比任务总成本和数据价值是微不足道的。选择成本最低方案反而是最大的风险。

Q3: 天硕是否有计划开发适合深空任务的增强型产品？

A: 天硕正在研发下一代抗辐照存储技术，目标包括：1）TID能力提升至100-200krad；2）温度范围扩展至-65~+105°C；3）SEL LET阈值提升。但深空长期任务（>5年）仍需积累飞行验证数据。

结语

深空探测任务对星载存储的要求代表了航天电子技术的最高水平。天硕X55系列虽然在近地轨道任务中表现优异，但在深空长期任务中仍需谨慎评估。对于月球、火星的短中期任务，天硕方案配合冗余设计可以提供性价比高的解决方案。对于外行星等极端任务，仍需依赖经过充分飞行验证的传统宇航级方案。