Selectarea conectorilor de clasă spațială pentru aplicații satelitare LEO

Industria sateliților se dezvoltă rapid, în special în domeniul sateliților pentru orbită joasă (LEO). Cu toate acestea, mediul LEO dur prezintă provocări semnificative pentru proiectanți. Expunerea la vid, oxigen atomic, radiații ultraviolete (UV) intense și fluctuații extreme de temperatură pot duce la degazare, degradarea materialelor și defectarea conectorilor, putând compromite sistemele esențiale pentru misiuni.

Pentru a asigura succesul misiunii, proiectanții trebuie să înțeleagă provocările operării în spațiu și să selecteze conectori din surse de încredere care încorporează materialele și tehnologiile avansate necesare pentru a îndeplini cerințele condițiilor LEO.

Acest articol analizează pe scurt provocările legate de proiectarea pentru aplicații LEO și discută strategii de atenuare a efectelor asupra mediului. Apoi, prezintă conectorii corespunzători de la Cinch Connectivity Solutions care pot ajuta la soluționarea acestor provocări.

Provocările de mediu în LEO și impactul acestora asupra conectorilor

Proiectanții de sateliți LEO se confruntă cu provocări de mediu unice. Deși mediul nu este la fel de dur ca spațiul cosmic îndepărtat, conectorii sateliților LEO și alte componente trebuie să reziste la degazare, radiații și coroziune, temperaturi extreme, vibrații și șocuri.

1. Degazarea

Degazarea descrie eliberarea de gaze din materialele nemetalice atunci când acestea sunt supuse la căldură sau la vid. Este o preocupare semnificativă în mediile LEO. Materialele plastice sunt utilizate pe scară largă în conectori pentru proprietățile lor excelente de izolare, iar unele metale utilizate în conectori pot conține bule de gaz microscopice care au rămas prinse în timpul fabricației. Atunci când conectorii sunt fabricați la nivelul mării, aceste bule de gaz nu sunt supuse forțelor aplicate ca urmare a diferențelor de presiune din interiorul și exteriorul materialului.

Însă, în vidul spațiului, diferențele de presiune cresc semnificativ, iar aceste gaze captive sunt eliberate. Această degazare poate duce la apariția unor mici fisuri și crăpături care afectează rezistența mecanică a conectorului (Figura 1).

Figura 1: Degazarea duce la apariția unor mici fisuri și crăpături care afectează rezistența mecanică a unui conector. (Sursa imaginii: Cinch Connectivity Solutions)

De asemenea, degazarea poate deteriora senzorii, cum ar fi camerele foto, prin formarea unui strat acoperitor. Aceasta poate duce chiar la scurtcircuite între conectori și componente, punând în pericol o misiune.

În timp ce vidul din spațiu este factorul principal care determină degazarea, există și alți factori de mediu care pot crește probabilitatea de apariție a acestui fenomen. De exemplu, slăbirea polimerilor cauzată de radiațiile UV și expunerea la oxigenul atomic facilitează eliberarea gazelor prinse.

2. Expunerea la radiații și oxigen atomic

Expunerea constantă la radiațiile UV ale soarelui poate deteriora materialele plastice utilizate în conectori. Radiațiile ionizante pot duce la acumularea de sarcină pe conectori, putând provoca descărcări electrostatice. Oxigenul atomic, abundent în mediul LEO și format atunci când radiațiile UV reacționează cu oxigenul, este foarte reactiv și poate eroda materialele conectorilor, în special polimerii și unele metale. De exemplu, politetrafluoretilena (PTFE), un material izolant din plastic comun în conectori, reacționează atunci când este expusă la oxigen atomic și radiații UV, ceea ce duce la uzură. Oxigenul atomic este deosebit de reactiv cu argintul, cauzând oxidarea și afectând conductivitatea electrică și rezistența la contact.

3. Fluctuații extreme de temperatură

Sateliții LEO se confruntă cu variații de temperatură de la +125 °C în lumina soarelui la -65 °C în umbra Pământului, iar unele componente externe pot fi supuse la temperaturi de la -270 °C la +200 °C. Acest lucru duce la cicluri termice, care accentuează și pot exacerba imperfecțiunile minore ale conectorilor. Diferențele în coeficientul de dilatare termică (CTE) dintre materialele conectorilor și componentele asociate pot determina cicluri termice inegale, ceea ce duce la combinații incompatibile și la posibile defecțiuni.

4. Vibrații și șocuri

Vibrațiile intense din timpul lansării pot compromite integritatea conectorilor. Mișcările dintr-o parte în alta (axa laterală) și înainte înapoi (axa de împingere) pot duce la nealiniere sau rupere în zonele de contact ale conectorilor. Șocurile generate la lansare, atunci când încărcătura utilă se separă de vehiculul de lansare, pot slăbi conectorii și pot crea puncte de oboseală.

Strategii de atenuare a efectelor din mediul LEO

Se recomandă etanșarea ermetică pentru a reduce multe dintre aceste riscuri. Etanșarea ermetică protejează componentele interne de vidul din spațiu și previne scurgerea gazelor interne. De asemenea, împiedică pătrunderea aerului, gazelor și umidității în ansamblu.

Pentru o proiectare de succes, există mai multe standarde relevante pentru aplicațiile spațiale:

• Metoda de testare a degazării ASTM E595 pentru materiale în medii cu vid măsoară pierderea totală de masă (TML) și materialele volatile condensabile colectate (CVCM) la +125 °C și, respectiv, +25 °C. Criteriile tipice de acceptare sunt: TML ≤ 1,00 %, CVCM ≤ 0,10 %.
• Instrucțiunile NASA EEE-INST-002 pentru selectarea, trierea, calificarea și reducerea regimului de funcționare a pieselor electrice, electronice și electromecanice (EEE) stabilesc nivelurile de fiabilitate pentru piesele EEE în funcție de cerințele misiunii.
• NASA SSP 30426 stabilește cerințele pentru controlul contaminării externe a Stației Spațiale Internaționale (ISS).
• NASA SP-R-0022A definește cerințele de stabilitate în vid pentru materialele polimerice.

Conectorii trebuie selectați în funcție de aceste standarde, pentru a se asigura îndeplinirea cerințelor riguroase ale misiunilor spațiale.

Nivelurile de pregătire tehnologică (TRL), dezvoltate de NASA în anii ’70, oferă o metodă standardizată de estimare a maturității tehnologiilor pe o scară de la 1 (principii de bază observate și raportate) la 9 (tehnologii testate în zbor). TRL-urile joacă un rol crucial în selectarea componentelor spațiale din mai multe motive:

• Reducerea riscurilor: Componentele cu un nivel mai ridicat de TRL au fost testate în medii relevante sau în misiuni spațiale reale.
• Gestionarea costurilor: Utilizarea componentelor cu un nivel mai ridicat de tehnologie poate reduce cerințele de dezvoltare și testare.
• Urmărirea progresului: TRL permite monitorizarea dezvoltării tehnologiei, de la concept la soluția gata de zbor, ajutând la planificarea și luarea deciziilor în timpul dezvoltării navelor spațiale.
• Limbaj comun: TRL-urile facilitează discutarea maturității diferitelor tehnologii spațiale.
• Ușurința integrării: Componentele cu TRL mai ridicat sunt în general mai ușor de integrat în sistemele existente, influențând deciziile de selecție.

Soluții de conectori pentru LEO

Pentru a răspunde cerințelor de proiectare ale aplicațiilor LEO, Cinch Connectivity Solutions oferă portofoliul său de conectori cu soluții Cinch pentru misiuni spațiale. Aceștia sunt concepuți pentru a face față provocărilor asociate sateliților LEO, cum ar fi CubeSat și NanoSat, care au limite stricte în ceea ce privește dimensiunea și greutatea.

Jumpere de conectare cu stivuire

Jumperele de conectare cu stivuire CIN::APSE de la Cinch oferă interconexiuni personalizate fără lipire, de înaltă densitate, pentru aplicații precum conexiuni placă-la-placă, conector flexibil-la-placă și componentă-la-placă în sateliții LEO. Caracteristicile cheie includ:

• conexiuni coplanare și în unghi drept de la placă la placă pentru flexibilitate în proiectarea și configurarea sateliților;
• combinație de RF, putere, semnal și date de mare viteză într-o capsulă de 1 milimetru (mm);
• aprobare NASA la TRL 9, indicând fiabilitatea dovedită în zbor;
• și performanță dovedită în condiții extreme de șocuri mecanice, vibrații și condiții termice.

Un exemplu tipic este 4631533093 (Figura 2). Această placă de circuite imprimate (PCB) flexibilă se comprimă pentru a se conecta la un conector cu stivuire montat pe o placă de circuite imprimate rigidă.

Figura 2: Este prezentat jumperul de conectare cu stivuire flexibil 4631533093 care conectează plăci de circuite rigide. (Sursa imaginii: Cinch Connectivity Solutions)

4631533093 are 25 de conductori, lungime de 76,2 mm (3 inch), un pas de 0,63 mm (0,025 inch) și capete expuse, măsurând 3,32 mm (0,131 inch).

Conectori micro-D ecranați pentru spațiu

Pentru echipamentele electronice miniaturizate de la bordul aeronavelor și pentru echipamentele de procesare a datelor, precum și acolo unde sunt necesare căi de semnal mai scurte în proiectele de sateliți compacți, Cinch oferă conectorii micro‑D Dura‑Con ecranați pentru spațiu. Caracteristicile notabile includ contacte cu pini răsuciți și socluri prelucrate pentru șapte puncte de contact durabile, conformitate MIL-DTL-M83513 (specifică conectorilor micro‑D), placare cu nichel și cabluri izolate cu etilenă tetrafluoroetilenă (ETFE). Soclul micro‑D cu 25 de pini DCCM25SCBRPN-X2S este un bun exemplu (Figura 3).

Figura 3: DCCM25SCBRPN-X2S este un soclu micro‑D cu 25 de pini, ecranat pentru spațiu. (Sursa imaginii: Cinch Connectivity Solutions)

Acest soclu are două rânduri cu un pas de 1,27 mm (0,050 inch) și o distanță între rânduri de 1,09 mm (0,043 inch). Are un finisaj de aur al contactelor, poate suporta până la 3 amperi (A) și depășește cerințele LEO privind degazarea de ≤ 1,0 % TML și ≤ 0,1 % CVCM.

Atenuatoare

Atenuatoarele Qualified Part for Space (QPS) de la Cinch sunt proiectate special pentru aplicații spațiale. Acestea îndeplinesc standardele pentru degazare ASTM E595 și MIL-DTL-3993 și oferă valori standard de 1, 2, 3, 6, 10 și 20 decibeli (dB). Sunt disponibile valori personalizate de la 0 la 20 dB. Un exemplu tipic este SQA-0182-01-SMA-02 (Figura 4). Acest atenuator de 1 dB are performanțe de la c.c. la 18 gigahertzi (GHz), capacitate de gestionare a puterii medii de 2 W (500 W, vârf) și un interval al temperaturii de funcționare de la -55 °C la +125 °C.

Figura 4: SQA-0182-01-SMA-02 este un atenuator de 1 dB proiectat special pentru misiuni spațiale. (Sursa imaginii: Cinch Connectivity Solutions)

Concluzie

Proiectanții de misiuni spațiale LEO au nevoie de conectori care să funcționeze fiabil în fața unor provocări precum degazarea, temperaturile extreme, radiațiile UV și ionizante, dar și vibrațiile și șocurile. Bazându-se pe furnizori consacrați, precum Cinch Connectivity Solutions, aceștia pot beneficia de o gamă de soluții concepute la cele mai înalte standarde pentru misiunile spațiale, pentru a asigura succesul proiectării.