Înțelegerea selecției de conectori și cablaje pentru aplicațiile spațiale

În ultimul deceniu, navele spațiale de pe orbita Pământului au devenit industrii importante cu aplicații în piața de masă. Acest lucru a dus la lansarea unui număr mare de sateliți cu o mare varietate de misiuni, care operează pe orbite terestre joase, medii și geostaționare (LEO, MEO, GEO). Indiferent de mărimea, sursa sau misiunea lor, toți acești sateliți au un factor comun în lista de materiale (BOM): nevoia de numeroși conectori și numeroase cabluri electrice pentru semnal și alimentare.

Deși acestea nu reprezintă factorul de atracție al electronicii active de la bord sau al misiunii mai largi a satelitului, performanța, fiabilitatea și constanța lor sunt vitale pentru proiectarea, implementarea și longevitatea obiectivului satelitului. Prin urmare, selecția și aplicarea unor interconexiuni adecvate reprezintă un factor important pentru succesul misiunii. Acestea trebuie să asigure funcționalitatea de bază, minimizând în același timp dimensiunea și greutatea și, simultan, trebuie să îndeplinească cerințele unice de fiabilitate și robustețe necesare pentru lansarea și zborul în spațiu.

Din fericire, datorită necesității ^{secolului XXI} de a avea un volum relativ mare de interconexiuni, conectorii și cablurile calificate pentru spațiu sunt acum componente standard pe care furnizorii le pun la dispoziție prin intermediul distribuitorilor, o schimbare majoră față de acum un deceniu sau doi, când acestea erau articole specializate, adesea achiziționate la comandă.

Acest articol analizează cerințele pentru conectorii și cablurile calificate pentru spațiu și selecția corespunzătoare a acestora. Apoi, prezintă soluții reale de la Harwin care pot contribui la asigurarea succesului misiunilor.

Cerințe privind cablurile și conectorii pentru spațiu

Lansările de sateliți LEO, MEO, GEO, care mai demult erau în principal domeniul misiunilor NASA cu nave spațiale ezoterice sau sateliți de comunicații/navigație, au devenit acum evenimente aproape de rutină. Unele dintre aceste lansări au ca rezultat desfășurarea a mai multor sateliți, inclusiv micile și popularele unități CubeSat dezvoltate în universități, în unele licee și chiar în grupuri științifice de amatori.

Cu toate acestea, spațiul este un mediu dur pentru componentele electronice de toate tipurile. Potențialele zone cu probleme includ conexiuni intermitente, performanțe sub specificații și chiar defecțiuni totale. Aceste probleme încep cu vibrațiile de la lansare și se extind până la frigul și vidul din timpul utilizării pe orbită și mai departe.

Aceste aspecte impun numeroase cerințe privind performanța conectorilor, precum și constrângeri privind proiectarea și implementarea acestora. Toate acestea sunt unite de termenul larg de priorități de fiabilitate și de impracticabilitatea sau imposibilitatea de a repara sau înlocui piese în timpul zborului. Pe lângă dimensiuni, greutate, șocuri și vibrații, alte probleme includ degazarea, magnetismul rezidual, temperaturile extreme și ciclurile termice, radiațiile cosmice, efectul de conturnare și orientarea conectorilor:

• Greutate și dimensiuni (volum): un vehicul spațial și satelitul său sunt foarte constrânși în ceea ce privește acești doi factori din cauza eficienței combustibilului și a faptului că fiecare centimetru cub de volum este prețios într-un proiect spațial cu volum limitat.
• Accelerație, vibrații și șocuri: în faza dură de lansare se generează zeci de unități g pe o gamă largă de frecvențe. Din acest motiv, conectorii clasificați pentru spațiu de obicei au în specificații șuruburi de reglare sau proiecte cu blocare ori de câte ori este posibil, pentru a garanta o conexiune sigură.
• Degazare: căldura și condițiile de vid din spațiu măresc rata de degazare din conectori. Materiale precum elastomerii și materialele plastice pot elibera încet compuși organici volatili (COV) care au fost dizolvați, prinși, înghețați sau absorbiți în material sub formă de gaz sau vapori. Chiar și adezivii epoxidici și alți adezivi obișnuiți pot elibera acești COV, ceea ce impune utilizarea unor adezivi speciali. COV-urile pot duce la contaminare ce poate afecta grav performanța echipamentelor esențiale pentru misiune, prin interferența cu instrumentele delicate și suprafețele optice. În cazul unui conector clasificat pentru spațiu, COV-urile sunt „scoase” din material prin coacerea conectorilor la o temperatură ridicată într-un cuptor sigilat cu vid.
• Magnetism rezidual: acesta poate interfera cu performanța circuitelor și subsistemelor din apropiere, provocând citiri eronate de la senzorii de precizie. Pentru a minimiza acest lucru poate fi necesară utilizarea de materiale nemagnetice, acolo unde este posibil, cum ar fi aliajele de cupru.
• Intervalul de temperaturi: intervalul extins pentru conectorii clasificați pentru spațiu este cuprins, de obicei, între -65 ⁰C și +150 ⁰C. Cu toate acestea, și ciclurile termice reprezintă o preocupare: solicitările repetate care rezultă din astfel de cicluri pot induce micro-fisuri și, în cele din urmă, fracturi de oboseală. Unii sateliți sunt concepuți să se rotească pentru a uniformiza temperatura medie între părțile orientate spre soare și cele umbrite. Aceasta nu este o soluție potrivită pentru sateliții mai mari, deoarece suprafața și zonele de sub suprafață pot fi supuse unor cicluri termice semnificative în comparație cu interiorul mai adânc al acestora. În cazul sateliților mici, cum ar fi CubeSat, aproape toate componentele sunt relativ aproape de suprafață.
• Radiații cosmice: acestea cresc pe măsură ce altitudinea de operare a satelitului crește și atmosfera protectoare a Pământului se subțiază. Efectele acestor radiații inevitabile sunt similare, în unele privințe, cu efectele interferențelor electromagnetice (EMI). În timp ce carcasa metalică a navei spațiale va asigura un anumit nivel de protecție, ar putea fi necesară includerea unei protecții suplimentare pe plăcile de circuite sau pe cablurile care sunt susceptibile la impactul radiațiilor.
• Conturnare: aceasta este o descărcare electrică continuă de curent înalt de la un conductor la cea mai apropiată suprafață metalică. Conturnarea va avea loc la diferite valori de tensiune, în funcție de densitatea moleculelor de aer, vidul din spațiu fiind cazul extrem, astfel încât conectorii trebuie să aibă o tensiune nominală adecvată pentru altitudine.
• Considerente fizice: orientarea conectorului și a cablului acestuia este critică. În mod evident, componentele sateliților sunt instalate foarte dens, iar popularii, dar minusculii CubeSat duc această densitate la un nou nivel (Figura 1). O singură unitate CubeSat (U) este standardizată la 10 × 10 × 10 × 10 centimetri (cm), iar un satelit CubeSat complet poate avea o dimensiune de 1U, 2U, 3U, 6U sau 12U.

Figura 1: popularul design al sateliților CubeSat se bazează pe un format standard de module mici care permite stivuirea la diferite lungimi incrementale. (Sursă imagine: Harwin)

În cazul în care conectorul este proiectat astfel încât cablurile să fie orientate vertical, la unghi drept față de placa de circuite, plăcile din CubeSat nu pot fi amplasate cu distanțe mici între ele, deoarece conectorul și cablul vor interfera. Cu toate acestea, conectorii orizontali și ansamblurile de cabluri de cuplare rezolvă această problemă prin direcționarea cablurilor de la marginea plăcii de circuite imprimate în lateral, în jurul marginii stivei, reducând astfel spațiul liber necesar deasupra plăcii de circuite.

Nu există o singură mărime potrivită pentru tot – și probabil că nu va exista niciodată

Tensiunile, curenții, frecvențele și alte cerințe de performanță diferite ale diverselor căi de interconectare înseamnă că o singură familie de conectori ar putea avea specificații excesive sau insuficiente în multe situații, iar niciuna dintre aceste condiții nu este acceptabilă, indiferent de motivele pentru care apar. În plus, nu există un singur „standard” care să definească un conector evaluat pentru spațiu. În schimb, există standarde pentru atribute de performanță specifice, cum ar fi degazarea. Lista de selecție a pieselor NASA (NPSL) este utilizată ca ghid pentru specificarea componentelor pentru tehnologiile spațiale, iar componentele din aceste liste de piese calificate (QPL) sunt specifice aplicațiilor spațiale. În Europa, conectorii de calitate spațială poartă calificarea Agenției Spațiale Europene (ESA/ESCC).

Un proiectant care selectează conectori trebuie să găsească un echilibru între valorile nominale ale conectorilor și caracterul critic al misiunii. Specificarea excesivă a conectorilor poate duce la probleme serioase de costuri și de disponibilitate/timp de execuție. În același timp, ar fi un caz nefericit și frustrant dacă un CubeSat ar eșua prematur din cauza unor probleme legate de conectare inadecvată sau prost înțeleasă. Prin urmare, este important să se ofere o perspectivă realistă a cerințelor proiectului față de opțiunile de conectori și cabluri.

Numeroase opțiuni disponibile pentru a răspunde cerințelor

Pentru a permite proiectanților să își adapteze în mod optim selecțiile în funcție de cerințele clasificărilor de spațiu, furnizori precum Harwin oferă mai multe familii de conectori. Fiecare familie, la rândul său, are mai multe variații în ceea ce privește tipul și numărul de contacte, aranjamentul de cuplare, opțiunile de fixare și alte caracteristici. Printre familiile de conectori Harwin relevante se numără:

• Gama Mix-Tek Datamate, care oferă o gamă largă de configurații pentru conectorii de semnal, de alimentare și coaxiali, permițând inginerilor să selecteze aranjamentele de conectare potrivite pentru aplicațiile lor (Figura 2). Contactele de alimentare au o putere nominală de până la 20 de amperi (A), contactele de semnal suportă 3 A, iar contactele coaxiale oferă o performanță de 6 gigahertzi (GHz) cu o impedanță de 50 ohm (Ω).

Figura 2: seria Mix-Tek Datamate acceptă combinații de conectori de semnal (3 A), alimentare (20 A) și coaxiali (6 GHz). (Sursă imagine: Harwin)

Fiabilitatea ridicată se datorează utilizării contactelor strunjite în combinație cu clemele de contact din cupru beriliu cu patru degete de la Harwin. Conectorii Mix-Tek sunt disponibili într-o varietate de configurații pentru cabluri și plăci, cu un maxim de 50 de contacte de joasă frecvență sau 12 contacte speciale (coaxiale și de alimentare). Conectorii, cu un pas de 2 mm, pot fi amestecați și potriviți cu aproape orice combinație de contacte de semnal, de alimentare și coaxiale.

• Familia de conectori de înaltă fiabilitate Kona, cu pas de 8,5 mm, oferă o conexiune de înaltă calitate și de curent ridicat pentru mediile solicitante (Figura 3). Contactele izolate individual ating 60 A de curent continuu la 3.000 de volți per contact, cu o durabilitate nominală de 250 de cicluri de cuplare. Contactul este proiectat cu șase degete, este construit din cupru beriliu și placat cu aur pentru a menține continuitatea electrică în condiții de șocuri și vibrații puternice și este disponibil într-un pachet compact cu un singur rând în configurații de la cablu la placă.

Figura 3: seria Kona de conectori cu pas de 8,5 mm care acceptă un curent continuu de până la 60 A și 3.000 de volți per contact. (Sursă imagine: Harwin)

• Conectorii de alimentare M300 oferă o gamă de puteri nominale de înaltă fiabilitate și performanță și realizează o conexiune de alimentare compactă cu o putere de până la 10 A per contact, oferind astfel o soluție ușoară și robustă, cu o experiență dovedită în condiții extreme (Figura 4). Conectorii sunt protejați împotriva vibrațiilor și a șocurilor cu ajutorul unor șuruburi de reglare din oțel inoxidabil.

Figura 4: conectorii de alimentare M300 oferă o conexiune de alimentare compactă de până la 10 A per contact. (Sursă imagine: Harwin)

Designul dovedit cu patru degete al contactului menține continuitatea electrică în ciuda mediilor cu vibrații și șocuri puternice. Conectorii pentru plăci de circuite imprimate, cu pas de 3 mm, conectorii de cablu cu sertizare și ansamblurile de cabluri gata făcute sunt capabile să reziste la temperaturi cuprinse între -65 °C și +175 °C și pot rezista la 1.000 de cicluri de cuplare.

CubeSat conduce o familie specială

Familia de conectori și ansambluri de cabluri Gecko este concepută pentru a corespunde volumului relativ mare și cerințelor mai puțin stricte în ceea ce privește anumite dimensiuni pentru aplicațiile CubeSat (Figura 5). Acești conectori oferă o soluție de interconectare cu profil redus, de la cablu la placă și de la placă la placă, și sunt deosebit de bine adaptați pentru stivuire și cuplare de cabluri în zonele în care spațiul liber de pe PCB este foarte mic.

Figura 5: familia Gecko de conectori cu profil redus este disponibilă într-o gamă largă de stiluri, configurații și număr de contacte. (Sursă imagine: Harwin)

Conectorii Gecko sunt conectori dreptunghiulari de înaltă fiabilitate, cu pas de 1,25 mm, și sunt furnizați sub formă de carcase de conector cu contacte înlocuibile comandate separat. Conectorii utilizează contacte de sertizare cu cilindru de cablu și carcase și sunt disponibili în versiuni tată și mamă; conectorii verticali și orizontali cu orificii pentru coada plăcii de circuite imprimate și conectorii verticali pentru montare pe suprafață sunt destinați interconectării între cabluri, între cabluri și plăci și între plăci.

Conectorii Gecko sunt cu până la 45% mai mici și cu până la 75% mai ușori decât echivalentele standard existente în industrie și Micro-D, cu o greutate tipică de aproximativ 1 gram (g). Aceștia sunt disponibili în trei variante care nu pot fi intercalate:

• Seria de conectori Gecko-SL (Screw-Lok): un conector are șuruburi flotante pentru o interconectare sigură și robustă cu piesa sa pereche (Figura 6). Screw-Lok-urile pot avea și știfturi de montare pe placă sau pe panou pentru o fixare sigură a plăcii de circuite sau a carcasei. Contactele au o tensiune nominală de 2,8 A per contact în izolare și 2,0 A pentru toate contactele simultan. Acești conectori sunt oferiți atât ca și conectori orizontali, cât și ca ansambluri de cabluri de cuplare pentru stivuirea plăcilor de înaltă densitate.

Figura 6: contactele din seria Gecko-SL au o tensiune nominală de 2,8 A per contact în izolare și de 2,0 A pentru toate contactele simultan. (Sursă imagine: Harwin)

De exemplu, G125-3241696M2 este un conector Gecko-SL dreptunghiular cu 16 contacte, cu montare pe panou, cu un pas de 1,25 mm (Figura 7).

Figura 7: Gecko-SL G125-3241696M2 este un conector Gecko-SL dreptunghiular cu 16 contacte, cu montare pe panou, cu un pas de 1,25 mm. (Sursă imagine: Harwin)

• Gecko-MT (tehnologie mixtă): acești conectori sunt versiuni cu configurație mixtă ale seriei Gecko-SL (Figura 8). Prin completarea contactelor de date cu două sau patru contacte de alimentare de 10 A în configurații de alimentare/date de 1 + 8 + 1 sau 2 + 8 + 2, produsele Gecko-MT permit reduceri semnificative de spațiu și greutate în hardware-ul electronic.

Figura 8: Gecko-MT este similar cu seria Gecko-SL, dar acceptă contacte mixte de semnal și de alimentare într-o singură carcasă de conector. (Sursă imagine: Harwin)

Aceștia sunt disponibili în configurații pentru cablu sau prin orificii, cu aceleași variante de fixare Screw-Lok ca și conectorii Gecko-SL și într-o varietate de configurații de contact de semnal (rând dublu) și de alimentare (un singur rând).

G125-FV10805F1-1AB1ABP este un conector de soclu Gecko-MT cu 10 poziții, cu opt contacte de semnal și două de alimentare, permițând unui singur conector să îndeplinească ambele funcții (Figura 9).

Figura 9: conectorul G125-FV10805F1-1AB1ABP din seria Gecko-MT găzduiește opt contacte de semnal și două de alimentare. (Sursă imagine: Harwin)

• Gecko Latch (model original): conectorii tată din această familie pot fi echipați cu zăvoare de blocare ușor de eliberat pentru o interconectare sigură cu conectorul de cuplare mamă (Figura 10).

Figura 10: conectorii Gecko Latch oferă zăvoare ușor de eliberat între perechile tată și mamă. (Sursa imaginii: Harwin)

G125-FS12005LOR, un conector cu 20 de poziții, cu montare pe suprafață, este un exemplu de design Gecko Latch (Figura 11).

Figura 11: conectorul G125-FS12005L0R cu 20 de poziții, cu montare pe suprafață, este unul dintre membrii familiei Gecko Latch. (Sursă imagine: Harwin)

Seriile Gecko-SL și Latch oferă între 6 și 50 de contacte într-o configurație cu două rânduri. Carcasele conectorilor sunt polarizate pentru a preveni cuplarea incorectă și au numărul contactului unu indicat pe partea exterioară a carcaselor.

Sunt disponibile carcase metalice opționale care sunt compatibile atât cu conectorii Gecko-SL, cât și cu cei Gecko-MT, pentru a asigura protecție mecanică, la radiofrecvență (RF) și EMI, cum ar fi carcasele posterioare (capotă) G125-97020022 pentru conectorii Gecko-SL cu 20 de poziții (Figura 12).

Figura 12: carcasele posterioare metalice, cum ar fi acest G125-9702002 pentru conectorii Gecko-SL cu 20 de pini, oferă utilizatorilor opțiunea de a adăuga protecție mecanică și EMI îmbunătățită la conectorii Gecko-SL și Gecko-MT. (Sursă imagine: Harwin)

Carcasele posterioare sunt opționale, așadar modelele care nu necesită o astfel de protecție nu sunt împovărate de greutatea unui conector cu carcasă metalică. Pentru o flexibilitate suplimentară, carcasele posterioare se atașează la placa de circuite și nu la conector.

Nu uitați cablul și ansamblul

Este ușor să vă petreceți timpul și energia cu selectarea conectorilor, dar aceasta este doar o parte din povestea conectivității, deoarece cablarea asociată unui conector este la fel de importantă. Printre alegerile de interconectare dictate de tipul de semnal și de instalare se numără firele de bază, perechile răsucite, firele ecranate și cablurile coaxiale. Proiectanții au la dispoziție cinci opțiuni atunci când vine vorba de obținerea unui ansamblu de cabluri:

1. Realizați-le pe cont propriu (producție internă)
2. Folosiți contacte și fire pre-sertizate
3. Utilizați ansambluri de cabluri gata făcute
4. Specificați un ansamblu de cabluri complet, realizat la comandă, care este o variație a produselor standard
5. Specificați un ansamblu de cabluri complet personalizat, realizat special pentru cerințele dvs.

Datorită utilizării pe scară largă a conectorilor Gecko, multe dintre ansamblurile de cabluri necesare sunt disponibile ca articole standard, gata făcute, reducând astfel timpul de execuție și incertitudinea. De exemplu,

G125-FC11205F0-0150F0 este un ansamblu de cabluri cu 12 poziții, cu o lungime de 150 mm, conceput pentru interconexiuni dreptunghiulare între socluri (Figura 13).

Figura 13: cablul și ansamblul general alcătuiesc interconectarea completă; acest G125-FC11205F0-0150F0 este un ansamblu de cabluri cu 12 poziții, cu o lungime de 150 mm, pentru interconexiuni dreptunghiulare de la soclu la soclu și este disponibil ca o componentă standard. (Sursă imagine: Harwin)

Concluzie

Este important să căutați conectori care să fie cât mai mici și mai ușori posibil pentru intervalul de performanță necesar și să nu supra-specificați în cazul în care nu sunt necesare cifre sau obiective mai stricte.

Acest lucru este valabil mai ales pe piața CubeSat, deoarece acești sateliți miniaturali sunt concepuți pentru a fi stivuiți pe mai multe rânduri într-o rachetă în care atât spațiul, cât și greutatea, sunt foarte importante.

Pentru acești sateliți populari, aproape de „piața de masă”, conectorii și ansamblurile de cabluri Gecko permit proiectanților să gestioneze realitățile legate de performanță și costuri, în timp ce se străduiesc să echilibreze compromisuri multiple, uneori contradictorii, în selecția componentelor.