Forstå valget af stik og kabler til space-applikationer

I løbet af det seneste årti er rumfartøjer i kredsløb om Jorden blevet vigtige industrier med masseanvendelser på markedet. Dette har resulteret i opstilling af et stort antal satellitter med en lang række forskellige missioner, der opererer i lave, mellemstore og geostationære kredsløb (LEO, MEO, GEO). Uanset størrelse, kilde eller mission har alle disse satellitter én fælles faktor i deres materialekartotek (BOM): Behovet for mange elektriske stik og kabler til signal- og strømforsyning.

Selv om de måske ikke har samme glamourfaktor som aktiv elektronik om bord eller den bredere satellitmission, er deres ydeevne, pålidelighed og konstans afgørende for satellitdesign, opstilling og målets levetid. Derfor er valget og anvendelsen af passende sammenkoblinger en vigtig faktor for missionens succes. De skal levere grundlæggende funktionalitet og samtidig minimere størrelse og vægt, og samtidig skal de opfylde de unikke krav til pålidelighed og robusthed, der kræves til opsendelse og flyvning i rummet.

Heldigvis er 21^th århudredes stik og kabler nu standardkomponenter, der er tilgængelig fra leverandører via distributører, hvilket er et stort skift i forhold til for bare et årti eller to siden, hvor de var specialiserede, ofte specialbestillede produkter.

I denne artikel gennemgår vi kravene til space-kvalificerede stik og kabler og deres passende valg. Derefter præsenteres løsninger fra Harwin, der kan hjælpe med at sikre missionens succes.

Krav til kabler og konnektorer for plads

Når NASA's missioner med esoteriske rumfartøjer eller kommunikations- og navigationssatellitter tidligere primært var NASA-missioner, er opsendelser af LEO-, MEO- og GEO-satellitter blevet næsten rutinebegivenheder. Nogle af disse opsendelser resulterer i opsendelse af et dusin eller flere satellitter, herunder de små, populære CubeSat-enheder, der er udviklet på universiteter, i visse gymnasier og endda af videnskabelige amatørgrupper.

Rummet er imidlertid et hårdt miljø for alle typer elektroniske komponenter. Potentielle problemområder omfatter afbrydende forbindelser, ydeevne under specifikationerne og endda direkte fejl. Disse problemer begynder med vibrationer ved opsendelsen og fortsætter gennem kulden og vakuumet under brug i kredsløb og videre ud over det.

Disse spørgsmål stiller mange krav til forbindelsernes ydeevne og begrænser forbindelsernes design og implementering. De er alle forenet af det brede begreb pålidelighedsprioriteter og den upraktisk eller umulige mulighed for reparation eller udskiftning under flyvning. Ud over størrelse, vægt, stød og vibrationer er der også andre spørgsmål som udgasning, restmagnetisme, ekstreme temperaturer og termiske cyklusser, kosmisk stråling, flashover og stikorientering:

• Vægt og størrelse (volumen): Et rumfartøj og dets satellit er stærkt begrænset i begge disse faktorer af hensyn til brændstofeffektivitet og det faktum, at hver kubikcentimeter volumen er værdifuld i et rumdesign med begrænset volumen.
• Acceleration, vibrationer og stød: Den hårde opsendelsesfase resulterer i titusindvis af g på tværs af en lang række frekvenser. Af denne grund er der i ruminddelte stik normalt angivet jackskruer eller låsedesigns, når det er muligt, for at sikre en sikker forbindelse.
• Udgasning: Varmen og vakuumforholdene i rummet øger hastigheden af udgasning fra konnektorer. Materialer som elastomerer og plast kan langsomt frigive flygtige organiske forbindelser (VOC'er), som er opløst, fanget, frosset eller absorberet i materialet som gas eller damp. Selv epoxy- og andre almindelige klæbemidler kan frigive disse VOC'er, hvilket kræver særlige klæbemidler. VOC'er kan resultere i forurening, som kan påvirke ydelsen af missionskritisk udstyr alvorligt ved at forstyrre sarte instrumenter og optiske overflader. For et space-klassificeret stik "drives VOC'er ud" af materialet ved at bage stikkene ved en forhøjet temperatur i en vakuumtæt ovn.
• Resterende magnetisme: Dette kan forstyrre effektiviteten af nærliggende kredsløb og undersystemer og forårsage vildledende aflæsninger fra præcisionssensorer. For at minimere dette kan det være nødvendigt at anvende ikke-magnetiske materialer, hvor det er muligt, f.eks. kobberlegeringer.
• Temperaturområde: Det udvidede område for rumklassificerede konnektorer er normalt -65⁰C til +150⁰C. Termisk cykling er imidlertid også et problem: Gentagne belastninger, der opstår ved sådanne cykliske belastninger, kan fremkalde mikrorevner og i sidste ende træthedsbrud. Nogle satellitter er designet til at rotere for at udligne deres gennemsnitstemperatur mellem solvendte og solbeskyggede sider. Dette er en utilstrækkelig løsning for større satellitter, da overfladen og undergrunden stadig kan være udsat for betydelige termiske cyklusser sammenlignet med det dybere indre. I små satellitter, som f.eks. CubeSats, er næsten alle komponenter relativt tæt på overfladen.
• Kosmisk stråling: Den øges i takt med, at satellittens driftshøjde stiger, og Jordens beskyttende atmosfære bliver tyndere. Virkningerne af denne uundgåelige stråling ligner på nogle måder virkningerne af elektromagnetisk interferens (EMI). Selv om rumfartøjets metalkabinet giver en vis beskyttelse, kan det være nødvendigt at medtage yderligere afskærmning på printplader eller kabler, der er udsat for strålingspåvirkning.
• Flashover: Dette er en kontinuerlig elektrisk udladning med høj strøm fra en leder til den nærmeste metaloverflade. Flashover opstår ved forskellige spændingsværdier afhængigt af luftmolekylernes tæthed med vakuum i rummet som det ekstreme tilfælde, så stik skal have en spændingsværdi, der passer til højden.
• Fysiske overvejelser: Det er afgørende, hvordan stikket og dets kabel er orienteret. Satellitter er naturligvis tæt pakket, og de populære, men små CubeSats bringer denne tæthed op på et nyt niveau (figur 1). En enkelt CubeSat-enhed (U) er standardiseret til 10 × 10 × 10 cm, og en komplet CubeSat-satellit kan have en størrelse på 1U, 2U, 3U, 6U eller 12U.

Figur 1: Det populære CubeSat-satellitdesign er baseret på et lille standardmodulformat, der gør det muligt at stable forskellige længder i forskellige trin. (Billedkilde: Harwin)

Hvis stikket er udformet således, at kablerne er orienteret lodret vinkelret på printkortet, kan printpladerne i CubeSat-satellitten ikke være tæt placeret, da stikket og kablet vil gribe ind i hinanden. Horisontale stik og matchende kabelsamlinger løser imidlertid dette problem ved at føre kablerne fra kanten af printkortet sidelæns rundt om stakkanten og derved reducere den nødvendige afstand over printkortet.

En størrelse passer ikke til alle - og det vil den sandsynligvis aldrig gøre

De forskellige spændinger, strømme, frekvenser og andre krav til ydeevne for de forskellige forbindelsesveje betyder, at en enkelt stikfamilie vil være alvorligt under- eller overspecificeret i mange situationer, og ingen af disse forhold er acceptable, om end af forskellige årsager. Desuden findes der ikke en enkelt "standard", som definerer et space-klassificeret stik. I stedet er der standarder for specifikke præstationsegenskaber som f.eks. udgasning. NASA's liste over reservedele (NPSL) anvendes som en vejledning til specifikation af komponenter til rumteknologier, og komponenter på disse kvalificerede reservedelslister (QPL) er specifikke for space-applikationer. I Europa er konnektorer af rumkvalitet godkendt af Den Europæiske Rumorganisation (ESA/ESCC).

En konstruktør, der vælger stik, skal finde en balance mellem stikdimensioner og kritiske missioner. Overspecificering af stik kan føre til alvorlige problemer med omkostninger og tilgængelighed/ledtid. Samtidig ville det være uheldigt og frustrerende, hvis en CubeSat mislykkedes for tidligt på grund af utilstrækkelige eller dårligt forståede forbindelsesproblemer. Derfor er det vigtigt at give et realistisk perspektiv på projektkrav i forhold til mulighederne for stik og kabler.

Mange valgmuligheder til at matche kravene

For at give designere mulighed for at skræddersy deres valg optimalt i forhold til kravene om pladsbegrænsning tilbyder leverandører som Harwin flere stikfamilier. Hver familie har igen flere variationer i kontakttype og -antal, parringssammensætning, fastholdelsesmuligheder og andre funktioner. Blandt de relevante Harwin-stikfamilier er:

• Mix-Tek Datamate-serien tilbyder et bredt udvalg af konfigurationer for signal-, strøm- og koaksialstik, så ingeniørerne kan vælge de stikarrangementer, der passer til deres applikationer (Figur 2). Strømkontakterne er normeret til op til 20 ampere (A), signalkontakterne klarer 3 A, og koaksialkontakterne giver 6 gigahertz (GHz) ydeevne med en impedans på 50 ohm (Ω).

Figur 2: Mix-Tek Datamate-serien understøtter kombinationer af signal (3 A), strøm (20 A) og koaksialstik (6 GHz). (Billedkilde: Harwin)

Den høje pålidelighed skyldes brugen af drejede kontakter i forbindelse med Harwins beryllium kobberkontaktclips med fire fingre. Mix-Tek-stik er tilgængelig i en række forskellige lednings- og printpladekonfigurationer med maksimalt 50 lavfrekvenskontakter eller 12 specialkontakter (koaksial- og strømkontakter). Stikkene med en pitch på 2 mm kan blandes og matches med næsten enhver kombination af signal-, strøm- og koaksialkontakter.

• Kona-stikfamilien med høj pålidelighed med 8,5 mm benafstand giver en højkvalitetsforbindelse med høj strømstyrke til krævende miljøer (Figur 3). Individuelt afskærmede kontakter kan yde 60 A kontinuerlig strøm ved 3.000 volt pr. kontakt med en holdbarhed på 250 parringscyklusser. Kontaktdesignet med seks fingre er fremstillet af beryllium kobber og forgyldt for at opretholde den elektriske kontinuitet under kraftige stød og vibrationer og er tilgængelig i en kompakt enkeltrækkepakke i kabel-til-kort-konfigurationer.

Figur 3: Kona-serien af stik med 8,5 mm benafstand understøtter op til 60 A kontinuerlig strøm og 3.000 volt pr. kontakt. (Billedkilde: Harwin)

• M300-strømkontakterne tilbyder en række høj pålidelighed og ydeevne og giver en kompakt strømforbindelse med op til 10 A pr. kontakt, hvilket giver en let og robust løsning med en dokumenteret erfaring under ekstreme forhold (Figur 4). Stikkene beskytter mod vibrationer og stød med monterede jackskruer i rustfrit stål.

Figur 4: M300-strømkontakterne giver en kompakt strømforbindelse med op til 10 A pr. kontakt. (Billedkilde: Harwin)

Det gennemprøvede fire-finger-kontaktdesign opretholder den elektriske kontinuitet på trods af høje vibrationer og stød i miljøer. Disse printpladestik med 3 mm benafstand, crimpede kabelstik og færdige kabelsamlinger kan tåle -65°C til +175°C og er holdbare i 1.000 parringscyklusser.

CubeSat driver en særlig familie

Gecko-familien af stik og kabelsamlinger er designet til at opfylde de relativt store mængder og mindre strenge krav i nogle dimensioner til CubeSat-applikationer (Figur 5). Disse stik giver en lav profil, kabel-til-kort- og kort-til-kort-forbindelsesløsning og er særligt velegnede til stabling og kabeltilslutning i områder, hvor der er begrænset plads på PCB'et.

Figur 5: Gecko-familien af lavprofilkontakter er tilgængelig i en lang række forskellige stilarter, konfigurationer og kontaktantal. (Billedkilde: Harwin)

Gecko-stik er rektangulære stik med 1,25 mm benafstand og høj pålidelighed, og de leveres som stikhuse med separat bestilte udskiftelige kontakter. Stikkene anvender kabeltromle-krimpkontakter og -huse og er tilgængelig i han- og hunudgaver; vertikale og horisontale gennemgående hulstik til printplader og vertikale overflademonterede stik er beregnet til kabel-til-kabel-, kabel-til-printplade- og printplade-til-printplade-forbindelse.

Gecko-stikkene er op til 45 % mindre og op til 75 % lettere end de eksisterende tilsvarende industristandardkontakter og Micro-D-stik med en typisk vægt på ca. 1 gram (g). De tilbydes i tre varianter, som ikke kan kombineres:

• Gecko-SL (Screw-Lok) stikserie: Et stik har flydende skruer for sikker og robust sammenkobling med sin modpart (Figur 6). Screw-Loks kan også have tavle- eller panelmonteringsbolte til sikker fastholdelse af printplader eller kabinetter. Kontakterne er normeret til 2,8 A pr. kontakt i isolation og 2,0 A for alle kontakter samtidigt. Disse stik tilbydes både som horisontale stik og matchende kabelsamlinger til stabling af printkort med høj tæthed.

Figur 6: Kontakterne i Gecko-SL-serien er normeret til 2,8 A pr. kontakt i isolation og 2,0 A for alle kontakter samtidigt. (Billedkilde: Harwin)

G125-3241696M2 er f.eks. et rektangulært Gecko-SL-stik med 16 kontakter til panelmontering med en benafstand på 1,25 mm (Figur 7).

Figur 7: Gecko-SL G125-3241696M2 er et rektangulært Gecko-SL-stik med 16 kontakter til panelmontering med en benafstand på 1,25 mm. (Billedkilde: Harwin)

• Gecko-MT (blandet teknologi): Disse stik er en version med blandet layout af Gecko-SL-serien (Figur 8). Ved at supplere datakontakterne med to eller fire 10 A strømkontakter i strøm/data-konfigurationer på enten 1 + 8 + 1 eller 2 + 8 + 2, giver Gecko-MT-produkterne mulighed for betydelige plads- og vægtreduktioner i elektronisk hardware.

Figur 8: Gecko-MT svarer til Gecko-SL-serien, men understøtter blandede signal- og strømkontakter i et enkelt stikhus. (Billedkilde: Harwin)

De er tilgængelig i kabel- eller gennemgående hulkonfigurationer, med de samme Screw-Lok-fastgørelsesvarianter som Gecko-SL-stik og i en række forskellige signal- (dobbelt række) og strømkonfigurationer (enkelt række).

G125-FV10805F1-1AB1ABP er en 10-position Gecko-MT koblingsstik konnector med otte signal- og to strømkontakter, hvilket gør det muligt at bruge et enkelt stik til begge funktioner (Figur 9).

Figur 9: G125-FV10805F1-1AB1ABP-stikket i Gecko-MT-serien indeholder otte signal- og to strømkontakter. (Billedkilde: Harwin)

• Gecko-låsen (original design): Han-stikkerne i denne familie kan udstyres med let frigørbare låseklodser for sikker sammenkobling med det kvindelige modstående stik (Figur 10).

Figur 10: Gecko Latch-stikkene har let at frigøre låse mellem han- og hunpar. (Billedkilde: Harwin)

G125-FS12005LOR, et 20-positioner, overflademonteret stik med koblingsstik, er et eksempel på Gecko Latch-designet (Figur 11).

Figur 11: G125-FS12005L0R 20-positionsstik til overflademontering er et af medlemmerne af Gecko Latch-familien. (Billedkilde: Harwin)

Gecko-SL- og Latch-serierne tilbyder mellem 6 og 50 kontakter i en dobbelt række-konfiguration. Stikhuse er polariserede for at forhindre forkert sammenkobling og har kontaktnummer et angivet på ydersiden af husene.

Der findes valgfrie metalbagsider, der er kompatible med både Gecko-SL- og Gecko-MT-stik, som giver mekanisk beskyttelse, beskyttelse mod radiofrekvenser (RF) og EMI, f.eks. G125-9702002-bagsider (hætte) til Gecko-SL-stik med 20 positioner (Figur 12).

Figur 12: Metalbackshells som denne G125-9702002 til 20-pin Gecko-SL-stik giver brugerne mulighed for at tilføje forbedret mekanisk og EMI-beskyttelse til deres Gecko-SL- og Gecko-MT-stik. (Billedkilde: Harwin)

Ved at gøre backshells valgfrie kan konstruktioner, der ikke kræver en sådan beskyttelse, ikke belastes med vægten af et stik med et metalkabinet. For at opnå yderligere fleksibilitet er bagschellerne fastgjort til printkortet i stedet for til stikket.

Glem ikke kablet og monteringen

Det er nemt at bruge tid og energi på valg af stik, men det er kun en del af historien om konnektivitet, da den kabling, der er forbundet med et stik, er lige så vigtig. Blandt valgmulighederne for forbindelsesledninger, der er dikteret af signaltypen og installationen, er almindelige ledninger, parsnoede parledninger, skærmet ledning og koaksialkabler. Designere har fem valgmuligheder, når de skal anskaffe sig en kabelsamling:

1. Gør-det-selv (intern fremstilling)
2. Brug fortrykte kontakter og ledninger
3. Brug færdige kabelsamlinger
4. Angiv en komplet, specialfremstillet kabelsamling, som er en variation af standardprodukter
5. Angiv en fuldt tilpasset kabelsamling, der er fremstillet specifikt til kravene

På grund af den brede anvendelse af Gecko-stik er mange af de nødvendige kabelsamlinger tilgængelige som standardiserede, færdige produkter, hvilket reducerer leveringstiden og usikkerheden. F.eks.

G125-FC11205F0-0150F0 er en kabelsamling med 12 positioner, der er 150 mm lang og er beregnet til rektangulære stik-til-stik-forbindelser (Figur 13).

Figur 13: Kablet og den samlede samling udgør den komplette sammenkobling; denne G125-FC11205F0-0150F0 er en 12-positioner, 150 mm lang kabelsamling til rektangulære sokkel-til-sokkel-forbindelser og er tilgængelig som standardkomponent. (Billedkilde: Harwin)

Konklusion

Det er vigtigt at søge efter stik, der er så små og lette som muligt til den ønskede ydeevne og ikke at overspecificere, hvor strammere tal eller mål er unødvendige.

Dette gælder især på CubeSat-markedet, da disse miniatursatellitter er designet til at blive stablet i en raket, hvor både plads og vægt er af stor betydning.

Til disse populære, næsten "massemarkedssatellitter" giver Gecko-stik og kabelkontakter designere mulighed for at håndtere realiteterne omkring ydeevne og omkostninger, mens de stræber efter at afbalancere de mange, til tider modstridende kompromisser i forbindelse med valg af komponenter.