Valg af rumkvalitetsstik til LEO-satellitapplikationer

Satellitindustrien oplever en hurtig vækst, især inden for LEO-satellitter (low earth orbit). Men det barske LEO-miljø giver betydelige udfordringer for designerne. Udsættelse for vakuum, atomart ilt, intens ultraviolet (UV) stråling og ekstreme temperatursvingninger kan føre til afgasning, materialenedbrydning og fejl i forbindelsen, hvilket potentielt kan kompromittere missionskritiske systemer.

For at sikre en vellykket mission skal designerne forstå udfordringerne ved at arbejde i rummet og vælge stik fra pålidelige kilder, der indeholder de avancerede materialer og teknologier, der er nødvendige for at opfylde kravene til LEO-forhold.

Denne artikel gennemgår kort udfordringerne ved at designe til LEO-applikationer og diskuterer strategier til at afbøde de miljømæssige virkninger. Derefter introduceres passende stik fra Cinch Connectivity Solutions, som kan hjælpe med at løse disse udfordringer.

Miljømæssige udfordringer i LEO og deres indvirkning på stik

Designere af LEO-satellitter står over for unikke miljømæssige udfordringer. Selv om miljøet ikke er så barskt som i det ydre rum, skal LEO-satellitstik og andre komponenter kunne modstå afgasning, stråling og korrosion, ekstreme temperaturer samt vibrationer og stød.

1. Afgasning

Afgasning beskriver frigivelsen af gasser fra ikke-metalliske materialer, når de udsættes for varme eller vakuum. Det er et stort problem i LEO-miljøer. Plast bruges i vid udstrækning i stik på grund af deres fremragende isolerende egenskaber, og nogle metaller, der bruges i stik, kan indeholde mikroskopiske gasbobler, der er fanget under fremstillingen. Når stik fremstilles ved havets overflade, er disse gasbobler ikke udsat for de kræfter, der opstår på grund af trykforskelle i og uden for materialet.

Men i rummets vakuum øges trykforskellene betydeligt, hvilket frigør disse indespærrede gasser. Denne afgasning kan føre til små revner og sprækker, som påvirker stikkenes mekaniske styrke (figur 1).

Figur 1: Afgasning fører til små revner og sprækker, der påvirker et stiks mekaniske styrke. (Billedkilde: Cinch Connectivity Solutions)

Afgasning kan også skade sensorer som f.eks. kameraer ved at danne et belægningslag. Det kan endda føre til kortslutninger mellem stik og komponenter og bringe en mission i fare.

Selv om det primært er rummets vakuum, der driver afgasningen, kan andre miljøfaktorer øge sandsynligheden for afgasning. For eksempel gør svækkelsen af polymerer forårsaget af UV-stråling og eksponering for atomart ilt det lettere for indesluttede gasser at slippe ud.

2. Eksponering for stråling og atomar ilt

Konstant udsættelse for solens UV-stråling kan skade plast, der bruges i stik. Ioniserende stråling kan føre til akkumulering af ladning på stik, hvilket potentielt kan forårsage elektrostatiske udladninger. Atomisk ilt, som der er rigeligt af i LEO-miljøet, og som dannes, når UV-stråling reagerer med ilt, er meget reaktiv og kan nedbryde forbindelsesmaterialer, især polymerer og visse metaller. For eksempel reagerer polytetrafluorethylen (PTFE), et almindeligt plastikisoleringsmateriale i stik, når det udsættes for atomar ilt og UV-stråling, hvilket fører til slitage. Atomisk ilt er særligt reaktivt med sølv, hvilket forårsager oxidering og påvirker den elektriske ledningsevne og kontaktmodstanden.

3. Ekstreme temperaturudsving

LEO-satellitter oplever temperatursvingninger fra +125 °C i sollys til -65 °C i jordens skygge, og nogle eksterne komponenter kan blive udsat for temperaturer fra -270 °C til +200 °C. Dette fører til termisk cykling, som belaster og kan forværre mindre ufuldkommenheder i stik. Forskellene i varmeudvidelseskoefficienten (CTE) mellem forbindelsesmaterialer og tilhørende komponenter kan resultere i ujævn termisk cykling, hvilket fører til inkompatible kombinationer og potentielle fejl.

4. Vibration og stød

Intense vibrationer under opsendelsen kan kompromittere forbindelsens integritet. Bevægelser fra side til side (lateral akse) og fremad til bagud (trykakse) kan føre til forskydning eller brud i kontaktområderne. Stød, der opstår ved opsendelsen, når nyttelasten adskilles fra løfteraketten, kan løsne forbindelserne og skabe udmattelsespunkter.

Strategier til afhjælpning af LEO-miljøpåvirkninger

Hermetisk forsegling anbefales for at mindske mange af disse risici. Hermetisk forsegling beskytter interne komponenter mod rummets vakuum og forhindrer interne gasser i at slippe ud. Det forhindrer også luft, gas og fugt i at trænge ind i samlingen.

For at sikre et vellykket design er der flere standarder, som er relevante for rumfart:

• ASTM E595 testmetode for afgasning af materialer i vakuummiljøer måler det samlede massetab (TML) og opsamlede flygtige kondenserbare materialer (CVCM) ved henholdsvis +125 °C og +25 °C. Typiske acceptkriterier er: TML ≤ 1,00 %, CVCM ≤ 0,10 %.
• NASA EEE-INST-002 instruktioner for udvælgelse, screening, kvalificering og reducering af elektriske, elektroniske og elektromekaniske (EEE) dele fastlægger pålidelighedsniveauer for EEE-dele baseret på missionsbehov.
• NASA SSP 30426 fastlægger krav til kontrol af ekstern forurening på den internationale rumstation (ISS).
• NASA SP-R-0022A definerer krav til vakuumstabilitet for polymere materialer.

Stik skal vælges i henhold til disse standarder for at sikre, at de opfylder de strenge krav til rummissioner.

TRL (Technology Readiness Levels), der blev udviklet af NASA i 1970'erne, er en standardiseret metode til at vurdere teknologiers modenhed på en skala fra 1 (grundlæggende principper observeret og rapporteret) til 9 (afprøvet gennem flyvning). TRL'er spiller en afgørende rolle i udvælgelsen af rumkomponenter af flere grunde:

• Risikoreduktion: Komponenter med højere TRL er blevet afprøvet i relevante miljøer eller faktiske rummissioner.
• Styring af omkostninger: Brug af komponenter med højere TRL kan reducere kravene til udvikling og testning.
• Sporing af fremskridt: TRL gør det muligt at overvåge teknologiudviklingen fra koncept til flyveklar status, hvilket hjælper med planlægning og beslutningstagning under udviklingen af rumfartøjer.
• Fælles sprog: TRL'er gør det lettere at diskutere modenhed på tværs af forskellige rumteknologier.
• Nem integration: Komponenter med højere TRL er generelt lettere at integrere i eksisterende systemer, hvilket påvirker udvælgelsesbeslutningerne.

Stikløsninger til LEO

For at imødekomme designkravene til LEO-applikationer tilbyder Cinch Connectivity Solutions sin Space Mission Solutions-portefølje af stik. De er designet til at imødekomme udfordringerne i forbindelse med LEO-satellitter som CubeSats og NanoSats, som er meget begrænsede i størrelse og vægt.

Stablede jumperstik

Cinchs CIN::APSE stablede jumperstik giver loddefri, brugerdefinerede forbindelser med høj densitet til applikationer som kort-til-kort, flex-til-kort og komponent-til-kort-stik i LEO-satellitter. Nøglefunktioner omfatter:

• koplanare og retvinklede kort-til-kort-stik giver fleksibilitet i satellitdesign og -layout;
• kombination af RF, effekt, signal og højhastighedsdata i en 1 millimeter (mm) pakke;
• NASA-godkendelse ved TRL 9, hvilket indikerer flyveprøvet pålidelighed;
• og dokumenteret ydeevne under ekstreme mekaniske stød, vibrationer og termiske forhold.

Et typisk eksempel er 4631533093 (figur 2). Dette fleksible printkort (printkort) komprimeres for at forbinde et stablingsstik monteret på et stift printkort.

Figur 2: Her ses jumperen til den fleksible stablede jumperstik 4631533093, som forbinder stive printkort. (Billedkilde: Cinch Connectivity Solutions)

4631533093 har 25 ledere, er 3 tommer (in.) lang, har en benafstand på 0,025 tommer og har synlige ender, der måler 0,131 tommer.

Rumafskærmede mikro-D-stik

Til miniaturiseret luftbåren elektronik og databehandlingsudstyr, og hvor der er brug for kortere signalveje i kompakte satellitdesigns, leverer Cinch de rumafskærmede Dura-Con micro-D-stik. Bemærkelsesværdige funktioner omfatter twist benkontakter og bearbejdede sokler for holdbare syv kontaktpunkter, overholdelse af MIL-DTL-M83513 (specifikt for mikro-D-stik), nikkelbelægning og isolerede ledninger af ethylentetrafluorethylen (ETFE). DCCM25SCBRPN-X2S 25-ben micro-D stikket er et godt eksempel (figur 3).

Figur 3: DCCM25SCBRPN-X2S er et 25-bens, testet for rumfart, micro-D-stik. (Billedkilde: Cinch Connectivity Solutions)

Dette stik har to rækker med en afstand på 0,050 tommer og en række-til-række afstand på 0,043 tommer. Det har en guldkontaktfinish, kan håndtere op til 3 ampere (A) og overgår LEO's afgasningskrav på ≤ 1,0 % TML og ≤ 0,1 % CVCM.

Dæmpningsled

Cinchs Qualified Part for Space (QPS)-dæmpere er specielt designet til anvendelse i rummet. De opfylder ASTM E595- og MIL-DTL-3993-standarderne for afgasning og leveres med standardværdier på 1, 2, 3, 6, 10 og 20 decibel (dB). Brugerdefinerede værdier fra 0 til 20 dB er tilgængelige. Et typisk eksempel er SQA-0182-01-SMA-02 (figur 4). Denne 1 dB-dæmper har en ydeevne fra DC til 18 gigahertz (GHz), en gennemsnitlig effekt på 2 W (500 W, peak) og et driftstemperaturområde på -55 °C til +125 °C.

Figur 4: SQA-0182-01-SMA-02 er en 1 dB dæmper, der er specielt designet til rummissioner. (Billedkilde: Cinch Connectivity Solutions)

Konklusion

Designere af LEO-rummissioner har brug for stik, der fungerer pålideligt i forhold til udfordringer som afgasning, temperatur, UV- og ioniserende stråling samt vibrationer og stød. Ved at stole på gennemprøvede leverandører som Cinch Connectivity Solutions kan de drage fordel af en række løsninger, der er designet efter de højeste standarder for rummissioner for at sikre et vellykket design.