摘要： 隨著商業航天器熱流密度的持續提升，液冷系統已成為高功率載荷熱管理的關鍵技術。本文以國科安芯AS32S601系列基于RISC-V架構的抗輻照微控制器（MCU）為研究對象，系統綜述其在商業航天液冷系統控制單元中的集成化應用?；谥仉x子單粒子試驗、質子單粒子效應試驗、總劑量效應試驗及脈沖激光單粒子效應試驗的多源數據，分析了該MCU在輻射環境下的可靠性邊界特征，探討了液冷系統中泵速調節、流量控制、溫度監測與故障診斷等關鍵功能的實現策略，為高功率航天器熱管理系統的智能化、集成化設計提供了理論參考與技術路徑。

關鍵詞： 商業航天；液冷系統；RISC-V；抗輻照MCU；熱管理；集成化控制；可靠性驗證

1 引言

商業航天產業的快速發展推動了衛星平臺功能的持續升級，高功率合成孔徑雷達（SAR）、相控陣天線、大功率激光通信終端等新型載荷的熱流密度已達到數百瓦每平方厘米量級，遠超傳統導熱材料與輻射散熱方案的極限。液冷技術憑借其高換熱系數、溫度均勻性好、可遠距離傳輸等優勢，逐漸成為高功率航天器熱管理的主流方案。與單相液冷相比，兩相液冷（如泵驅兩相流、毛細泵驅回路）利用工質相變潛熱，可實現更高的熱流密度輸運能力，但對控制精度與可靠性提出了更嚴苛的要求。

液冷系統的控制單元負責實現循環泵驅動、流量調節、溫度監測、氣液分離控制及故障診斷等功能，其可靠性直接決定熱管理系統的在軌壽命。空間輻射環境對控制單元核心處理器構成嚴峻挑戰：總劑量效應導致模擬電路精度退化與數字電路時序劣化，單粒子效應引發控制指令錯誤、狀態機異?；蛳到y鎖定，可能造成冷卻工質循環中斷、熱沉溫度失控甚至載荷過熱失效。傳統航天液冷系統多采用分立器件構建控制電路，存在體積大、功耗高、擴展性差等局限，難以適應商業航天對低成本、短周期、可批產的需求。

RISC-V作為一種開源指令集架構，具備模塊化、可擴展、無授權費用等優勢，為航天專用抗輻照處理器的自主可控設計提供了新途徑。AS32S601系列MCU是32位RISC-V架構抗輻照處理器，采用Umc55工藝制造，集成雙核RISC-V CPU、512 KiB ECC保護SRAM、2 MiB ECC保護Flash及豐富的工業級外設接口，工作頻率達180 MHz，已通過系統的空間環境適應性試驗驗證。

2 商業航天液冷系統的技術特征與控制需求

2.1 液冷系統的分類與技術原理

航天液冷系統按工質相態可分為單相液冷與兩相液冷兩大類。單相液冷以水為工質，依靠顯熱輸運熱量，系統簡單可靠，但換熱系數與熱輸運能力受限。兩相液冷利用工質相變潛熱，理論熱輸運能力可達單相流的數十倍，主要包括以下技術形態：

泵驅兩相流系統（Pumped Two-Phase, PTP） ：通過機械泵驅動兩相工質在蒸發器與冷凝器間循環，蒸發器吸收載荷熱量使液相工質汽化，氣液混合物經冷凝器向熱沉排熱后凝結為液相。系統需精確控制泵速以維持穩定的流型（環狀流或分散流），避免干涸或液泛等不穩定現象。

毛細泵驅回路系統（Capillary Pumped Loop, CPL）與回路熱管（Loop Heat Pipe, LHP） ：利用毛細芯產生的毛細壓頭驅動工質循環，無需機械運動部件，可靠性高，但毛細芯的啟動與運行特性對熱負載變化敏感，需輔助控制回路調節儲液器溫度以維持穩定工作。

噴霧冷卻與射流沖擊 ：針對極高熱流密度區域（大于500 W/cm2），采用工質直接噴射至發熱表面，利用相變與對流復合換熱。系統需精確控制噴霧壓力、流量與過冷度，防止表面干涸或液膜不穩定。

2.2 液冷系統控制單元的功能架構

液冷系統控制單元的核心功能包括：

循環泵驅動與控制 ：對于PTP系統，無刷直流電機（BLDC）驅動的循環泵是核心部件。控制單元需實現電機換相控制、轉速閉環調節（范圍通常為1000-10000 rpm）、過流保護與故障診斷。轉速控制精度直接影響系統流量穩定性與兩相流型維持。

流量與壓力監測 ：通過科里奧利質量流量計、壓差傳感器或超聲波流量計實時監測工質循環狀態。兩相流的流量測量面臨氣液比變化、密度波動等挑戰，需結合多傳感器融合與模型估計算法提升測量可靠性。

溫度場監測與控制 ：在蒸發器、冷凝器、儲液器等關鍵節點布置溫度傳感器（如PT100、NTC或集成溫度傳感器），構建溫度場分布圖?？刂扑惴ǜ鶕嶝撦d預測與溫度反饋，調節泵速、儲液器加熱功率或冷凝器散熱能力，維持蒸發器溫度在設定范圍（如30±5℃）。

氣液分離與儲液器管理 ：兩相系統中氣液分離器的液位控制、儲液器的補液與排氣操作需要精確的閥門控制與狀態監測。微重力環境下氣液界面行為復雜，需結合電容式液位計、光學傳感器等多手段監測。

故障診斷與容錯控制 ：實時監測系統參數（溫度、壓力、流量、電流、振動等），通過閾值判斷、趨勢分析或機器學習算法識別異常模式（如泵氣蝕、毛細芯干涸、冷凝器堵塞等），觸發保護動作（降載運行、切換備份回路或安全關機）。

2.3 空間輻射環境對液冷控制單元的特殊挑戰

液冷系統控制單元在軌運行期間面臨的輻射效應具有特殊性：

總劑量效應的累積影響 ：液冷系統通常部署于衛星平臺內部，屏蔽條件較好，但長周期任務（大于5年）累積總劑量仍可達50-150 krad(Si)?？倓┝繉е码姍C驅動電路中MOSFET的閾值電壓漂移、導通電阻增加，影響驅動效率與熱損耗；導致傳感器信號調理電路的運算放大器輸入失調電壓增大，降低溫度與壓力測量精度。

單粒子效應的瞬態沖擊 ：MCU的SEU可能導致泵速設定值跳變，引發流量瞬態沖擊與兩相流型失穩；SEFI可能導致控制狀態機進入非法狀態，中斷正常的溫度調節功能；SEL可能導致控制單元失電，液冷系統進入非受控被動運行模式，熱輸運能力急劇下降。

位移損傷對光電器件的影響 ：液位監測采用的光學傳感器、光纖溫度傳感器等光電器件對位移損傷敏感，質子輻照導致的發光效率退化與暗電流增加可能影響測量可靠性。

多物理場耦合效應 ：輻射損傷與熱循環、機械振動等環境因素耦合，加速電路老化與焊點疲勞，增加間歇性故障風險。

3 AS32S601抗輻照性能試驗數據分析

3.1 試驗體系與測試條件

AS32S601系列MCU的空間環境適應性驗證構建了覆蓋總劑量效應、重離子單粒子效應、質子單粒子效應及脈沖激光單粒子效應的多源試驗體系，為評估其在液冷系統控制單元中的適用性提供了完整數據支撐。

總劑量效應試驗依據QJ10004A-2018《宇航用半導體器件總劑量輻照試驗方法》，在北京大學技術物理系鈷源平臺完成。試驗采用鈷-60 γ射線源，劑量率25 rad(Si)/s，總劑量150 krad(Si)（含50%過輻照裕量）。樣品施加3.3V靜態偏置，采用移位測試方法，輻照前后進行電參數與功能測試，時間間隔不超過72小時。試驗流程包括初始功能測試、100 krad(Si)輻照后測試、室溫退火、50%過輻照至150 krad(Si)、高溫退火（168小時）及最終功能測試。結果顯示：工作電流從輻照前135 mA輕微下降至132 mA（降幅2.2%），CAN接口通信正常，FLASH/RAM擦寫功能正常，判定抗總劑量指標大于150 krad(Si)。

重離子單粒子效應試驗依據QJ10005A-2018《宇航用半導體器件重離子單粒子效應試驗指南》，在國家空間科學中心可靠性與環境試驗中心完成。試驗采用哈爾濱工業大學空間環境地面模擬裝置（SESRI）的Kr離子束，離子能量449.2 MeV，硅中LET值37.9 MeV·cm2/mg，射程54.9 μm，輻照總注量1×10? ion/cm2，注量率9.9×103 ion/cm2/s。樣品為開封裝LQFP144封裝，偏置條件為板級12V供電經DC-DC與LDO轉換為3.3V芯片供電，MCU執行內部測試程序遍歷RAM并通過USART輸出狀態。試驗判定SEL的標準為電流突增至90 mA以上、輸出信號異常且需斷電重啟恢復。結果顯示：12V電源電流穩定在78 mA，未發生電流突增，串口通信正常，SEL閾值高于37.9 MeV·cm2/mg。

質子單粒子效應試驗在中國原子能科學研究院100 MeV質子回旋加速器上完成，質子能量100 MeV，注量率1×10? p/cm2，總注量1×101? p/cm2。樣品編號P3-1#（輻照樣）與R3-1#（參照樣），試驗前后進行常溫功能測試。結果顯示：未出現單粒子效應，器件功能正常，判定合格。

脈沖激光單粒子效應試驗依據GB/T 43967-2024《空間環境 宇航用半導體器件單粒子效應脈沖激光試驗方法》，采用皮秒脈沖激光裝置完成。激光波長1064 nm，脈寬約10 ps，通過三維移動臺實現全芯片掃描，X/Y軸步長3-5 μm，激光注量1×10? cm?2。激光能量從120 pJ（等效LET值5 MeV·cm2/mg）逐步提升至1830 pJ（等效LET值75 MeV·cm2/mg）。結果顯示：在120 pJ、365 pJ、900 pJ能量點均未出現單粒子效應；在1585 pJ（約65 MeV·cm2/mg）與1830 pJ（75 MeV·cm2/mg）時監測到CPU復位現象，判定為SEFI事件，SEU/SEFI閾值約65 MeV·cm2/mg。

3.2 可靠性邊界特征分析

綜合四組試驗數據，AS32S601的可靠性邊界呈現以下特征：

總劑量耐受能力 ：150 krad(Si)總劑量后功能正常，工作電流輕微下降表明閾值電壓負向漂移，但仍在設計容限內。該能力為典型LEO任務（5-7年，累積劑量50-100 krad(Si)）提供充足裕量，為MEO任務（中地球軌道，累積劑量100-200 krad(Si)）提供基本覆蓋，GEO任務需增加屏蔽或選用更高抗劑量器件。

單粒子效應閾值分層 ：SEL閾值>37.9 MeV·cm2/mg，覆蓋銀河宇宙線（GCR）中>90%的重離子LET貢獻，在典型軌道環境下SEL風險可控；SEU/SEFI閾值約65 MeV·cm2/mg，在37.9-65 MeV·cm2/mg區間呈現"SEL免疫但SEU敏感"特性，需通過系統級容錯機制防護。

多源試驗數據互補性 ：重離子與質子試驗驗證了中低LET區間的SEL免疫性，脈沖激光試驗填補了高LET區間的SEU數據空白，總劑量試驗驗證了長期累積損傷的耐受能力。四組試驗共同構建了覆蓋TID與SEE、低LET與高LET、瞬態效應與累積效應的完整可靠性畫像。

3.3 與液冷系統控制需求的適配性評估

AS32S601的技術規格與液冷系統控制單元的需求高度契合：

計算性能 ：雙核RISC-V CPU，工作頻率180 MHz，支持硬件乘除法與浮點運算單元，可滿足PTP系統泵速閉環控制（控制周期<1 ms）、溫度場實時重構（節點數>20）及故障診斷算法（如支持向量機、神經網絡推理）的算力需求。

存儲資源 ：512 KiB ECC保護SRAM用于運行程序與數據緩存，2 MiB ECC保護Flash用于存儲控制算法參數與故障日志，ECC機制可將SEU導致的軟錯誤自動糾正，降低系統失效率。

外設接口 ：3個12位ADC（最多48通道）支持多路溫度、壓力、流量傳感器同步采樣；2個8位DAC支持泵速模擬設定與儲液器加熱功率調節；6路SPI與4路CANFD支持分布式傳感器網絡與冗余通信鏈路；2路IIC支持智能傳感器配置。

功能安全 ：ASIL-B等級設計，支持時鐘監控、電壓監控、存儲器自檢等安全機制，滿足液冷系統對控制單元功能安全的要求。

4 RISC-V架構MCU在液冷系統中的集成化應用設計

4.1 硬件架構集成化設計

基于AS32S601的液冷系統控制單元硬件架構采用高度集成化設計，核心模塊包括：

主控單元 ：AS32S601ZIT2 MCU，LQFP144封裝，工作溫度-55℃至+125℃，滿足航天器熱真空環境要求。MCU通過雙核鎖步或比較監控模式實現計算冗余，關鍵控制算法雙核同步執行，比較器實時校驗結果一致性，檢測SEU導致的計算錯誤。

電機驅動單元 ：三相BLDC電機驅動器集成預驅動電路與功率MOSFET，PWM頻率20-50 kHz，支持無傳感器FOC（磁場定向控制）或有傳感器霍爾換相。驅動器與MCU間通過SPI配置參數、反饋狀態，關鍵信號（如過流、過溫）以硬件中斷形式直連MCU故障管理單元。

傳感器接口單元 ：多通道RTD/熱電偶調理電路（支持PT100、PT1000、K型熱電偶）、壓阻式壓力傳感器調理電路、電容式液位傳感器接口等，信號經濾波、放大、模數轉換后通過SPI或IIC送至MCU。關鍵傳感器（如蒸發器出口溫度、循環泵轉速）采用雙冗余配置，MCU通過一致性校驗識別傳感器故障。

通信與電源管理單元 ：雙CANFD接口實現與衛星平臺計算機及備份控制單元的通信，支持CANopen或SpaceCAN協議；電源管理單元實現28V母線至各模塊電壓的轉換，具備過壓、欠壓、過流保護及SEL防護功能。

4.2 控制算法與軟件架構

液冷系統控制軟件基于AS32S601的RISC-V架構優化設計，采用分層架構：

底層驅動層 ：實現ADC采樣、PWM輸出、SPI/IIC/CAN通信、定時器等外設驅動，關鍵驅動代碼置于帶ECC的Flash，運行時加載至SRAM并周期性校驗。

中間件層 ：實現實時操作系統（如RT-Thread或FreeRTOS）內核、任務調度、內存管理、中斷管理等功能，采用分區內存保護機制，防止任務間干擾。

應用算法層 ：包括泵速閉環控制算法、溫度預測控制算法、氣液分離控制算法及故障診斷算法。泵速控制采用自適應模糊PID，根據熱負載預測與溫度反饋動態調節參數；溫度預測控制采用模型預測控制（MPC），構建熱網絡模型預測未來溫度趨勢，優化控制量；故障診斷采用基于規則的專家系統與數據驅動的異常檢測相結合，實時識別泵氣蝕、毛細芯干涸、冷凝器堵塞等故障模式。

安全監控層 ：獨立于應用算法的看門狗任務，周期性校驗關鍵變量（如泵速設定值、溫度上限、狀態機狀態）的合理性，檢測SEFI導致的異常狀態，觸發安全關機或切換備份控制。

4.3 單粒子效應防護策略

基于AS32S601的試驗數據，液冷系統控制單元實施以下單粒子效應防護策略：

SEL防護 ：AS32S601的SEL閾值>37.9 MeV·cm2/mg，在典型軌道環境下風險較低，但為應對極端環境（如太陽粒子事件），電源管理單元實施限流保護（電流>150%額定值時10 μs內切斷）與電源刷新（每100 ms周期性斷電-重啟100 μs，清除潛在閂鎖）。

SEU/SEFI防護 ：SRAM與Flash的ECC機制自動糾正單比特錯誤、檢測雙比特錯誤，軟件層實施周期性scrubbing（周期<500 ms）主動刷新存儲器；關鍵控制參數（如泵速上限、溫度告警閾值）采用三模冗余存儲，通過多數表決消除SEU影響；狀態機采用安全編碼（如one-hot編碼），非法狀態自動跳轉至安全狀態；多級看門狗機制（獨立看門狗+窗口看門狗+外部監控）檢測程序跑飛與時序異常。

SET防護 ：模擬前端增加RC濾波（截止頻率<100 Hz）抑制SET脈沖，ADC采樣實施中值濾波或滑動平均（窗口長度5-11點），剔除異常采樣值；關鍵控制輸出（如泵速PWM占空比）經雙緩沖寄存器更新，新值僅在校驗通過后生效，防止SET導致的瞬態跳變。

4.4 可靠性驗證與在軌健康管理

液冷系統控制單元的可靠性驗證采用分級策略：

器件級驗證 ：基于AS32S601的現有試驗數據（150 krad(Si)總劑量、37.9 MeV·cm2/mg重離子、100 MeV質子、脈沖激光掃描），完成器件選型與降額設計。

板級驗證 ：在控制單元整機層面開展系統級輻照試驗，評估MCU與電機驅動、傳感器接口、電源管理的協同響應，重點驗證SEL保護響應速度（<1 ms）、SEFI恢復機制有效性及失效安全模式可靠性。

系統級驗證 ：在熱真空試驗箱中構建液冷系統閉環，模擬在軌熱負載變化與輻射環境，驗證控制算法在輻射損傷下的控制精度與穩定性。

在軌健康管理方面，建議實施以下措施：

總劑量監測 ：通過集成RADFET劑量計或監測MCU內部環形振蕩器頻率漂移，評估累積劑量，當劑量超過100 krad(Si)時觸發預警，優化控制算法參數補償總劑量退化。

單粒子事件監測 ：記錄SEU/SEFI事件的時間、位置與類型，分析環境異常（如太陽質子事件），當事件率超過設計值5倍時切換至保守工作模式（如降低泵速、擴大溫度控制死區）。

性能趨勢分析 ：監測泵速-流量特性、溫控精度、電機效率等關鍵性能指標的退化趨勢，預測剩余壽命，支持任務規劃與維護決策。

5 典型應用場景與性能評估

5.1 低軌高功率雷達衛星

以500 km高度、5年壽命的SAR衛星為例，雷達峰值功率10 kW，平均熱負載2 kW，采用PTP液冷系統。累積總劑量約80 krad(Si)，低于AS32S601的150 krad(Si)能力；GCR引發的SEU率約10?3 events/day，ECC與scrubbing機制可將不可糾正錯誤率降至10??以下；SEL概率<10??/任務周期。AS32S601的180 MHz主頻支持實時SAR圖像處理輔助的熱負載預測，優化液冷系統預調節響應。

5.2 地球同步軌道大功率通信衛星

GEO平臺通信載荷熱負載5-10 kW，采用LHP/CPL兩相液冷系統，任務壽命15年。累積總劑量約300 krad(Si)，超出AS32S601設計值，需增加5 mm鋁屏蔽或選用300 krad(Si)等級器件。AS32S601的多路ADC支持LHP儲液器溫度、毛細芯溫度、冷凝器溫度等多點監測，CANFD接口支持與平臺計算機的高速遙測數據傳輸。

5.3 深空探測高功率載荷

火星巡視器核電源系統熱管理，熱負載波動范圍大（100 W-1 kW），采用可變熱導熱管與泵驅兩相流混合系統。AS32S601的低功耗模式（待機電流<10 mA）適應深空能源約束，雙核鎖步模式滿足高可靠需求，脈沖激光試驗揭示的65 MeV·cm2/mg SEU閾值需通過三模冗余控制單元架構 mitigaion。

6 結論與展望

本文系統綜述了AS32S601系列基于RISC-V架構的抗輻照MCU在商業航天液冷系統控制單元中的集成化應用?；诙嘣摧椪赵囼灁祿?，分析了該MCU在總劑量效應、單粒子鎖定、單粒子翻轉及單粒子功能中斷等模式下的可靠性邊界，探討了液冷系統控制單元的硬件架構集成化設計、控制算法優化及單粒子效應防護策略。主要結論包括：

AS32S601在150 krad(Si)總劑量條件下保持功能完整性，工作電流漂移<3%，滿足LEO及MEO任務需求；SEL閾值>37.9 MeV·cm2/mg，在典型軌道環境下SEL風險可控；SEU/SEFI閾值約65 MeV·cm2/mg，需通過ECC、scrubbing、三模冗余等系統級機制防護。

RISC-V架構的開源特性與AS32S601的豐富外設接口，支持液冷系統控制單元的高度集成化設計，實現泵速控制、溫度監測、故障診斷等功能的單芯片解決方案，相比傳統分立器件方案可減小體積50%以上、降低功耗30%以上。

審核編輯 黃宇