航天器上，隨便哪一個單一部件要是失效了，那就有可能致使價值數十億的任務完全失敗。所以，“航天級冗餘系統”可不是單純的備份，而是一整套經過嚴苛驗證的工程設計哲學。這意味著，在極端環境以及資源限制的情況下，借助精妙的設計和管理，打造出比民用標準高超很多的可靠性與生存能力。這套體系的核心目標是，在不確定的深空環境裡，保證任務確定能成功。
什麼是航天級冗餘系統的核心設計理念
航天級別的冗餘，其核心的理念是“故障工作，故障安全” ，它並非是去防止故障出現，而是預先假定故障必將發生，並且要保證系統在出現故障之後依舊能夠連續地完成要害功能，這跟地面系統秉持的“高可靠、避免故障”的思路存在本質性質的區別。
關於具體實現方面，它有著這樣的要求，即從元器件選型開始，接著進行電路設計，再到系統架構，在每一層都要貫徹冗余思想。比如，存在一個關鍵的控制指令通道，它會由三套相互獨立的計算機（通常被叫做“三模冗餘”）來同時進行計算，然後投票表決，以此屏蔽其中一套的異常輸出。這種設計能夠容忍單點故障，甚至部分雙點故障，進而將隨機硬件故障所帶來的影響減小至最低程度。
航天級冗餘系統與民用冗餘有何根本區別
民用系統存在冗餘情況，像數據中心服務器雙機熱備這種冗餘，通常會著重關注成本跟性能之間的平衡，對秒級乃至分鐘級的切換中斷予以允許。航天冗餘所追逐的是“無縫”來進行接管，故障切換需要在毫秒甚至是微秒量級範圍之內達成，而且其中斷連續的控制律或者數據流是不可以的。
另一個極其關鍵的區別便在於環境耐受性這一方面，航天元件所要承受的有發射階段呈現出的劇烈振動，還有太空中存在的極端溫度循環，甚至還有高能粒子輻射，冗餘設計務必要保證這些環境應力不會致使多個冗餘單元同時出現“共因故障”，所以，航天系統常常會採用來自不同廠家、使用不同工藝乃至依據不同設計原理的器件去構成冗餘，以此來避免出現“一損俱損”的情況。
如何設計航天器上的三模冗餘計算機系統
遠非單純連接三台電腦這般簡單的是三模冗餘計算機系統的設計，首先，三台計算機得嚴格使時鐘與運算週期同步起來，以此保證在同一時刻去處理相同的輸入數據，隨後，一個獨立的硬件或者固化邏輯比較器會針對三者的輸出展開“多數表決” 。
要是一台計算機的輸出，跟其他兩台不一樣，那它會馬上被標記成故障單元，其輸出會被隔離，而係統靠著剩下兩台健康計算機繼續運作。與此同時，故障計算機會試著自我修復，或者進入安全模式。關鍵的地方在於，比較和表決機制自身也得是冗餘的，以此來避免其變成新的單點故障源。
深空探測任務中通信鏈路如何實現冗餘保障
深空通信因距離極為遙遠，致使信號衰減程度極大，冗餘保障呈現於多個不同層面，於頻率方面，一般會配備S波段以及X波段這兩套發射與接收系統，且二者互為備份，在硬件層面，行波管放大器和固態功率放大器常常同時存在，以此可確保發射機具備高可靠性。
更重要的事兒乃是協議跟路徑冗餘，探測器會一塊兒存儲指令序列，且擁有自糾延時執行才可，用來應對通信臨時中斷，深空網絡於地球上佈置三個相距約120度的測控站，像戈爾德斯通、馬德里、堪培拉，保證隨著地球自轉，一直有一個站能夠跟探測器維持聯繫，達成了地面段的空間分集冗餘。
輻射環境對航天電子設備冗餘設計提出哪些特殊挑戰
太空中存在著的高能帶電粒子，像是單粒子效應這種，有可能在瞬間使存儲器的狀態發生翻轉這樣的狀況或以至於造成晶體管產生閂鎖的情況，而此類情形對於冗餘設計而言構成了獨特的挑戰。簡單的三模表決這種方式，有可能因為在同一輻射事件之中同時影響到相臨的三個芯片故而失效。
所以，航天級冗餘得把“空間冗餘”跟“時間冗餘”相結合。在空間方面，要把冗餘單元於物理層面分散放置在航天器的不同部位，並且用屏蔽材料去隔離。在時間方面，關鍵數據會周期性地借助糾錯編碼予以刷新，或者通過指令來進行複核比對。另外，會採用經過特殊工藝加固、抗輻射能力更為強大的芯片當作核心單元。
航天級冗餘系統的管理與切換策略是怎樣的
對於冗餘系統而言，其效能的發揮取決於管理策略，一般會採用“熱備份”模式，也就是讓所有冗餘單元同時加電運行，時刻準備進行接管，如此一來便可防止冷啟動的延遲現像以及風險，該系統會持續開展在線自檢測以及交叉檢測工作，能夠實時診斷各個單元的健康狀況。
敏感性與穩定性，切換策略必須將其平衡。過於敏感，會致使因瞬時干擾而頻繁切換，進而磨損系統。過於遲鈍，就會錯過真正的故障。所以，策略常常是基於多條件、持續時間的綜合判斷，就像連續多個運算週期表決失敗才觸發切換那樣。切換過程要平滑，得確保姿態、軌道控制等關鍵參數的連續性，防止對航天器產生衝擊。
依您之見，針對於往後載人登上火星這般具備極高風險的任務，我們理應於現有的冗餘體制之上，實則還務必要突破哪一項最為關鍵的技術或者設計理念，依此才可在最大程度上保障宇航員的絕對安全呢？滿心期待您於評論區所給出的專業見解，要是本文能夠為您帶來啟發，請不吝嗇您的點贊以及分享。
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