Dobór złączy klasy kosmicznej do rozwiązań satelitarnych na niską orbitę okołoziemską (LEO)

Przemysł satelitarny przeżywa szybki rozwój, szczególnie w dziedzinie satelitów na niską orbitę okołoziemską (LEO). Jednak trudne warunki środowiskowe na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) stwarzają dla projektantów poważne wyzwania. Narażenie na działanie próżni, tlenu atomowego, intensywnego promieniowania ultrafioletowego (UV) i ekstremalnych wahań temperatury może prowadzić do odgazowania, degradacji materiału i awarii złączy, potencjalnie zagrażając systemom o znaczeniu krytycznym.

Aby misja zakończyła się sukcesem, projektanci muszą rozumieć wyzwania związane z pracą w kosmosie i wybierać złącza z wiarygodnych źródeł, które wykorzystują zaawansowane materiały i technologie niezbędne do spełnienia wymagań warunków niskiej orbity okołoziemskiej (LEO).

W niniejszym artykule omówiono pokrótce wyzwania związane z projektowaniem rozwiązań na niską orbitę okołoziemską (LEO) i omówiono strategie łagodzenia wpływu środowiska. Następnie przedstawiono odpowiednie złącza firmy Cinch Connectivity Solutions, które mogą pomóc w sprostaniu przedstawianym wyzwaniom.

Wyzwania środowiskowe na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) i ich wpływ na złącza

Projektanci satelitów umieszczanych na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) stoją przed niecodziennymi wyzwaniami środowiskowymi. Środowisko nie jest tak surowe, jak w przypadku dalekiego kosmosu, jednak złącza i inne komponenty do satelitów na niską orbitę okołoziemską (LEO) muszą być odporne na odgazowywanie, promieniowanie i korozję, ekstremalne temperatury, a także drgania i wstrząsy.

1. Odgazowywanie

Odgazowywanie to uwalnianie gazów z materiałów niemetalicznych, gdy są one poddawane działaniu ciepła lub próżni. Stanowi ono poważny problem w środowiskach niskiej orbity okołoziemskiej (LEO). W złączach szeroko stosuje się tworzywa sztuczne ze względu na ich doskonałe właściwości izolacyjne, a niektóre metale stosowane w złączach mogą zawierać mikroskopijne pęcherzyki gazu uwięzione podczas produkcji. Gdy złącza są produkowane na poziomie morza, na te pęcherzyki gazu nie działają siły wynikające z różnicy ciśnień wewnątrz i na zewnątrz materiału.

Jednak w próżni kosmicznej różnice ciśnień znacznie się zwiększają, powodując uwalnianie uwięzionych gazów. Odgazowywanie może prowadzić do małych pęknięć i szczelin, które wpływają na wytrzymałość mechaniczną złącza (ilustracja 1).

Ilustracja 1: odgazowywanie prowadzi do małych pęknięć i szczelin, które wpływają na wytrzymałość mechaniczną złącza. (Źródło ilustracji: Cinch Connectivity Solutions)

Odgazowywanie może również uszkadzać czujniki, takie jak kamery, poprzez formowanie warstwy powłoki. Może nawet prowadzić do zwarć między złączami i komponentami, zagrażając powodzeniu misji.

Na odgazowywanie przede wszystkim wpływa próżnia kosmiczna, jednak jego prawdopodobieństwo mogą zwiększać inne czynniki środowiskowe. Na przykład osłabienie polimerów spowodowane promieniowaniem ultrafioletowym (UV) i ekspozycją na tlen atomowy ułatwia wydostawanie się uwięzionych gazów.

2. Narażenie na promieniowanie i tlen atomowy

Stałe narażenie na promieniowanie ultrafioletowe (UV) może spowodować uszkodzenie tworzyw sztucznych w złączach. Promieniowanie jonizujące może prowadzić do akumulacji ładunku na złączach, potencjalnie powodując wyładowania elektrostatyczne. Tlen atomowy, występujący powszechnie w środowisku niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) i powstający w wyniku reakcji promieniowania ultrafioletowego (UV) z tlenem, charakteryzuje się wysoką reaktywnością i może powodować erozję materiałów złączy, zwłaszcza polimerów i niektórych metali. Na przykład politetrafluoroetylen (PTFE), powszechnie stosowane w złączach izolacyjne tworzywo sztuczne, reaguje pod wpływem tlenu atomowego i promieniowania ultrafioletowego (UV), prowadząc do zużycia. Tlen atomowy reaguje szczególnie ze srebrem, powodując utlenianie i wpływając na przewodność elektryczną oraz rezystancję zestykową.

3. Ekstremalne wahania temperatury

Temperatura satelitów na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO) waha się od -65°C w cieniu Ziemi do +125°C w świetle słonecznym, przy czym temperatura niektórych komponentów zewnętrznych może wahać się od -270°C do +200°C. Prowadzi to do cykli termicznych, które mogą obciążać złącza i narażać je na osłabienie. Różnice we współczynniku rozszerzalności cieplnej (CTE) pomiędzy materiałami złącza i powiązanymi komponentami mogą skutkować nierównomiernymi cyklami termicznymi, prowadząc do niekompatybilnych kombinacji i potencjalnych awarii.

4. Drgania i wstrząsy

Silne drgania podczas startu mogą zagrozić integralności złącza. Ruchy boczne (oś boczna) i przód-tył (oś ciągu) mogą prowadzić do nieprawidłowego wyrównania lub uszkodzenia w obszarach stykowych złącza. Wstrząsy generowane podczas startu, gdy ciężar ładunku oddziela się od rakiety nośnej, mogą spowodować poluzowanie złączy i powstanie punktów zmęczenia.

Strategie łagodzenia wpływu środowiska niskiej orbity okołoziemskiej (LEO)

W celu ograniczenia wielu z tych zagrożeń zaleca się uszczelnienie hermetyczne. Uszczelnienie hermetyczne chroni komponenty wewnętrzne przed próżnią kosmiczną i zapobiega ulatnianiu się gazów. Zapobiega również wnikaniu powietrza, gazów i wilgoci do zespołu.

Istnieje kilka norm odnoszących się do zastosowań kosmicznych, które pomagają w zapewnieniu powodzenia projektów:

• W metodzie badania odgazowywania materiałów według normy ASTM E595 w środowiskach próżni mierzy się całkowitą utratę masy (TML) i zebrane lotne substancje skraplające się (CVCM) odpowiednio w temperaturze +125°C i +25°C. Typowe kryteria akceptacji to: TML ≤ 1,00%, CVCM ≤ 0,10%.
• Poziomy niezawodności elementów elektronicznych i elektromechanicznych w zależności od potrzeb danej misji określono w instrukcjach NASA EEE-INST-002 dotyczących doboru, ekranowania, kwalifikacji i obniżania parametrów elementów elektronicznych i elektromechanicznych.
• Wymagania Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) w zakresie kontroli zanieczyszczenia zewnętrznego podano w normie NASA SSP 30426.
• Wymagania dotyczące stabilności próżniowej materiałów polimerowych określono w normie NASA SP-R-0022A.

Aby mieć pewność, że złącza spełniają rygorystyczne wymagania misji kosmicznych, należy je dobierać zgodnie z wymienionymi normami.

Ustandaryzowaną metodę szacowania dojrzałości technologii w skali od 1 (podstawowe zasady przestrzegane i deklarowane) do 9 (sprawdzone w locie) stanowią poziomy gotowości technologicznej (TRL), opracowane przez NASA w latach 70. XX wieku. Poziomy gotowości technologicznej (TRL) odgrywają kluczową rolę w doborze komponentów kosmicznych z kilku powodów:

• Redukcja ryzyka: komponenty o wyższym poziomie gotowości technologicznej (TRL) sprawdzają się w odpowiednich środowiskach lub podczas rzeczywistych misji kosmicznych.
• Zarządzanie kosztami: użycie komponentów o wyższym poziomie gotowości technologicznej (TRL) może zmniejszyć wymagania rozwojowe i testowe.
• Monitorowanie postępów: poziomy gotowości technologicznej (TRL) pozwalają na monitorowanie rozwoju technologii od koncepcji do statusu gotowości do lotu, pomagając w planowaniu i podejmowaniu decyzji podczas rozwoju statku kosmicznego.
• Wspólny język: poziomy gotowości technologicznej (TRL) ułatwiają dyskusję na temat dojrzałości różnych technologii kosmicznych.
• Łatwość integracji: komponenty o wyższych poziomach gotowości technologicznej (TRL) są generalnie łatwiejsze do zintegrowania z istniejącymi systemami, co wpływa na decyzje doboru.

Rozwiązania w zakresie złączy do urządzeń umieszczanych na niskiej orbicie okołoziemskiej (LEO)

Aby wyjść na przeciw wyzwaniom związanym z projektowaniem zastosowań na niską orbitę okołoziemską (LEO), firma Cinch Connectivity Solutions oferuje wachlarz złączy w ramach kategorii produktowej rozwiązania do misji kosmicznych firmy Cinch . Zostały one zaprojektowane tak, aby sprostać wyzwaniom związanym z satelitami na niską orbitę okołoziemską (LEO), takimi jak CubeSat i NanoSat, które mają ograniczone rozmiary i wagę.

Mostki złącza piętrowego

Mostki złączy piętrowych CIN::APSE firmy Cinch zapewniają bezlutowe, niestandardowe połączenia wysokiej gęstości do takich zastosowań, jak połączenia międzypłytkowe, elastyczno-płytkowe i komponentowo-płytkowe w satelitach na niską orbitę okołoziemską (LEO). Kluczowe funkcje to m.in.:

• połączenia międzypłytkowe koplanarne i pod kątem prostym zapewniające elastyczność projektowania i rozmieszczania satelitów;
• połączenie częstotliwości radiowych (RF), mocy, sygnału i szybkich danych w obudowie 1mm;
• aprobata NASA na poziomie gotowości technologicznej (TRL) 9, wskazująca na niezawodność sprawdzoną w locie;
• i sprawdzone działanie w warunkach ekstremalnych wstrząsów mechanicznych, drgań i warunków termicznych.

Typowym przykładem jest urządzenie 4631533093 (ilustracja 2). Ta elastyczna płytka drukowana podlega ściskaniu i łączy się ze złączem piętrowym zamontowanym na sztywnej płytce drukowanej.

Ilustracja 2: na ilustracji przedstawiono elastyczny mostek złącza piętrowego 4631533093 do łączenia sztywnych płytek drukowanych. (Źródło ilustracji: Cinch Connectivity Solutions)

Urządzenie 4631533093 posiada 25 żył, ma długość 3” (76,2mm), raster 0,025” (0,635mm), a długość jego odsłoniętych końców wynosi 0,131” (3,3274mm).

Złącza micro-D w ekranowaniu kosmicznym

Na potrzeby zminiaturyzowanych, podkładowych urządzeń elektronicznych i sprzętów do przetwarzania danych oraz zastosowań, w których w kompaktowych konstrukcjach satelitarnych wymagane są krótsze ścieżki sygnałowe, firma Cinch oferuje posiadające ekranowanie kosmiczne złącza micro-D Dura-Con. Ich godne uwagi cechy to m.in. skręcane styki i obrabiane gniazda zapewniające siedem punktów styku, zgodność z normą MIL-DTL-M83513 (specyficzna dla złączy micro-D), powłoka niklowa oraz przewody w izolacji etylenowo-tetrafluoroetylenowej (ETFE). Dobrym przykładem jest 25-wtykowe gniazdo micro-DDCCM25SCBRPN-X2S (ilustracja 3).

Ilustracja 3: urządzenie DCCM25SCBRPN-X2S jest 25-wtykowym gniazdem micro-D z ekranowaniem kosmicznym. (Źródło ilustracji: Cinch Connectivity Solutions)

Omawiane gniazda mają dwa rzędy o rastrze 0,050in (1,27mm) i odstępach między rzędami 0,043in (1,0922mm). Ich styki mają pozłacane wykończenie, wytrzymują prądy do 3A, i przekraczają wymagania dotyczące odgazowywania w środowisku niskiej orbity okołoziemskiej (LEO) - ≤1,0% całkowitej utraty masy (TML) oraz ≤ 0,1% zebranych lotnych substancji skraplających się (CVCM).

Tłumiki

Tłumiki kwalifikowane do zastosowań kosmicznych (QPS) firmy Cinch są specjalnie zaprojektowane do zastosowań kosmicznych. Spełniają one normy ASTM E595 oraz MIL-DTL-3993 dotyczące odgazowywania i występują w wersjach ze standardowymi wartościami dB: 1, 2, 3, 6, 10 i 20. Dostępne są wartości niestandardowe w zakresie od 0 do 20dB. Typowym przykładem jest urządzenie SQA-0182-01-SMA-02 (ilustracja 4). Ten tłumik 1dB charakteryzuje się działaniem w zakresie od zera do 18GHz, średnią mocą 2W (500W, szczyt.) oraz zakresem temperatur roboczych od -55°C do +125°C.

Ilustracja 4: tłumik 1dB SQA-0182-01-SMA-02 został zaprojektowany specjalnie do misji kosmicznych. (Źródło ilustracji: Cinch Connectivity Solutions)

Podsumowanie

Projektanci rozwiązań do misji kosmicznych na niską orbitę okołoziemską (LEO) potrzebują złączy, które będą działać niezawodnie w obliczu takich wyzwań, jak odgazowywanie, temperatura, promieniowanie ultrafioletowe (UV) i promieniowanie jonizujące oraz drgania i wstrząsy. Polegając na sprawdzonych dostawcach, takich jak firma Cinch Connectivity Solutions, mogą oni korzystać z szeregu rozwiązań zaprojektowanych według najwyższych standardów misji kosmicznych, aby zagwarantować sobie powodzenie projektów.