Zrozumienie doboru złączy i okablowania do zastosowań kosmicznych

W ciągu ostatniej dekady statki kosmiczne na orbitę okołoziemską zaczęły być używane na skalę masową. Doprowadziło to do rozmieszczenia dużej liczby satelitów o zróżnicowanym przeznaczeniu na niskich, średnich i geostacjonarnych orbitach okołoziemskich (LEO, MEO, GEO). Niezależnie od ich rozmiaru, źródła lub zadania, wszystkie satelity mają jeden wspólny element charakterystyczny na wykazie materiałów BOM: wiele złączy elektrycznych i dużą ilość okablowania do przesyłania sygnałów i zasilania.

Nie posiadają one aktywnej wbudowanej elektroniki ani nie muszą być stosowane w misjach o strategicznym znaczeniu, jednak ich parametry działania, niezawodność i stabilność są niezbędne z punktu widzenia konstrukcji satelitów, ich wdrażania i docelowej trwałości. W rezultacie dobór i zastosowanie odpowiednich złączy jest ważnym czynnikiem dla powodzenia misji. Muszą one zapewniać podstawową funkcjonalność przy jednoczesnym zminimalizowaniu rozmiaru i wagi, a dodatkowo muszą spełniać specjalne wymagania w zakresie niezawodności i wytrzymałości podczas startu i lotu w przestrzeni kosmicznej.

Na szczęście, ze względu na zapotrzebowanie na stosunkowo dużą liczbę połączeń w XXI wieku, złącza i okablowanie klasy kosmicznej są obecnie standardowymi komponentami dostępnymi u dostawców za pośrednictwem dystrybutorów, co stanowi poważną zmianę w porównaniu do sytuacji sprzed dekady czy dwóch, gdy były one specjalistycznymi, często niestandardowymi pozycjami zamówień.

W niniejszym artykule przyjrzymy się wymaganiom dotyczącym złączy i kabli klasy kosmicznej oraz ich właściwemu doborowi. Następnie przedstawione zostaną rzeczywiste rozwiązania firmy Harwin, które mogą być pomocne w zapewnieniu powodzenia misji.

Wymagania dotyczące kabli i złączy do przestrzeni kosmicznej

Umieszczanie satelitów na niskiej, średniej i geostacjonarnej orbicie okołoziemskiej było przede wszystkim domeną misji NASA z tajemniczymi statkami kosmicznymi lub satelitami komunikacyjno-nawigacyjnymi, jednak współcześnie stało się niemalże rutynowym zadaniem. W ramach jednego takiego zadania czasem rozmieszczanych jest kilkanaście lub kilkadziesiąt satelitów, w tym małych, popularnych jednostek CubeSat opracowanych na uniwersytetach, w niektórych szkołach średnich, a nawet amatorskich grupach naukowych.

Jednak kosmos jest trudnym środowiskiem dla komponentów elektronicznych wszelkiego rodzaju. Potencjalne obszary problematyczne to m.in. przerwy połączeń, obniżone parametry działania a nawet całkowite awarie. Problemy te zaczynają się od drgań przy starcie, a także wynikają z niskich temperatur i próżni na orbicie i poza nią.

Czynniki te określają wiele wymagań w zakresie parametrów działania złączy, a także ograniczeń w projektowaniu i wdrażaniu złączy. Wszystkie je można określić wspólnym terminem priorytetów dotyczących niezawodności oraz niepraktyczności lub braku możliwości naprawy bądź wymiany w locie. Obok rozmiarów, wagi, wstrząsów i drgań kolejnymi problemami są odgazowywanie, magnetyzm szczątkowy, skrajne temperatury i wahania temperatur, promieniowanie kosmiczne, przeskoki i orientacja złączy:

• Waga i rozmiar (objętość): pojazd kosmiczny i jego satelita mają poważne ograniczenia w obu tych sferach ze względu na zużycie paliwa i fakt, że każdy centymetr sześcienny objętości w konstrukcji kosmicznej o ograniczonej objętości jest na wagę złota.
• Przyspieszania, drgania i wstrząsy: w fazie gwałtownego startu przeciążenie jest równe dziesiątkom g w szerokim zakresie częstotliwości. Z tego powodu, gdy tylko jest to możliwe, złącza klasy kosmicznej zwykle wyposażone są w łączniki śrubowe lub mechanizmy blokujące, aby zapewnić bezpieczne połączenie.
• Odgazowywanie: ciepło i próżnia w przestrzeni zwiększają szybkość odgazowywania złączy. Materiały takie jak elastomery i tworzywa sztuczne mogą powoli uwalniać lotne związki organiczne (LZO), które zostały rozpuszczone, uwięzione, zamrożone lub wchłonięte w materiale w postaci gazu lub pary. Nawet kleje standardowe i epoksydowe mogą uwalniać lotne związki organiczne (LZO), dlatego wymagane jest stosowanie klejów specjalistycznych. Lotne związki organiczne mogą powodować zanieczyszczenia, które mogą poważnie wpływać na działanie sprzętu o znaczeniu krytycznym, zakłócając pracę delikatnych przyrządów i powierzchni optycznych. W przypadku złączy klasy kosmicznej lotne związki organiczne są usuwane z materiału poprzez wypiekanie go w wysokiej temperaturze w piecu próżniowym.
• Magnetyzm szczątkowy: może zakłócać działanie pobliskich obwodów i podsystemów, powodując błędne odczyty z precyzyjnych czujników. Jego minimalizacja może wymagać zastosowania materiałów niemagnetycznych, takich jak stopy miedzi.
• Zakres temperatur: rozszerzony zakres dla złączy klasy kosmicznej to zwykle od -65⁰C do +150⁰C. Jednak problemem są także zmiany temperatur: naprężenia cykliczne wynikające z nich mogą wywołać mikropęknięcia i ostatecznie pęknięcia zmęczeniowe. Niektóre satelity są zaprojektowane tak, aby się obracały w celu wyrównania średniej temperatury między stroną zwróconą w kierunku słońca a stroną zacienioną. Jest to rozwiązanie niewystarczające dla większych satelitów, ponieważ powierzchnia i warstwa tuż pod nią mogą nadal podlegać znaczącym wahaniom temperatury w porównaniu z głębszymi warstwami. W małych satelitach, takich jak CubeSat, prawie wszystkie komponenty znajdują się stosunkowo blisko powierzchni.
• Promieniowanie kosmiczne: zwiększa się wraz ze wzrostem wysokości operacyjnej satelity, gdzie atmosfera ochronna Ziemi jest coraz rzadsza. Skutki tego nieuniknionego promieniowania są podobne w niektórych przypadkach do skutków zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Podczas gdy metalowa obudowa statku kosmicznego zapewnia pewien poziom ochrony, płytki obwodów i kable narażone na promieniowanie mogą wymagać dodatkowego ekranowania.
• Przeskok: jest to ciągłe wyładowanie elektryczne wysokoprądowe pomiędzy żyłą i najbliższą metalową powierzchnią. Przeskok występuje przy różnych wartościach napięcia, zależnie od gęstości cząsteczek powietrza, a próżnia kosmiczna stanowi przypadek skrajny. Z tego względu złącza muszą mieć napięcie znamionowe odpowiednie do wysokości.
• Zagadnienia fizyczne: orientacja złącza i jego kabla ma znaczenie krytyczne. Satelity charakteryzują się oczywiście gęstym upakowaniem, a w popularnych, niewielkich satelitach CubeSat gęstość ta wchodzi na całkowicie nowy poziom (ilustracja 1). Pojedyncza jednostka CubeSat (U) ma standardowe wymiary 10 × 10 × 10cm, a kompletny satelita CubeSat może mieć rozmiar 1U, 2U, 3U, 6U lub 12U.

Ilustracja 1: konstrukcja popularnego satelity CubeSat opiera się na formacie standardowego małego modułu, który umożliwia układanie pojedynczych jednostek w stosy o różnych długościach. (Źródło ilustracji: Harwin)

Jeśli złącze jest zaprojektowane w taki sposób, że kable są ustawione pionowo pod kątem prostym do płytki drukowanej, występuje kolizja między złączem i kablami, w związku z czym gęste rozmieszczenie płytek w CubSat nie będzie możliwe. Jednak w przypadku złączy poziomych i łączących się z nimi kabli problem ten można rozwiązać kierując kable od krawędzi płytki drukowanej w bok wokół krawędzi stosu, zmniejszając w ten sposób wymaganą przestrzeń nad płytką drukowaną.

Jeden uniwersalny rozmiar nie istnieje - i prawdopodobnie nigdy nie powstanie

Różne napięcia, natężenia prądu, częstotliwości i inne wymagania dotyczące parametrów działania różnych ścieżek połączeń oznaczają, że w wielu sytuacjach parametry działania grupy jednakowych złączy okazałyby się zbyt wysokie a w innych zbyt niskie. Zarówno pierwszy, jak i drugi stan jest nie do przyjęcia z różnych powodów. Ponadto nie ma jednego „standardu”, który definiowałby złącze klasy kosmicznej. Zamiast tego istnieją standardy dotyczące konkretnych parametrów działania, takich jak odgazowywanie. Jako przewodnik dla specyfikacji komponentów dla technologii kosmicznych stosuje się listę doboru części NASA (NPSL), a komponenty na listach części zakwalifikowanych (QPLS) są specjalnie przygotowywane do zastosowań kosmicznych. W Europie złącza klasy kosmicznej posiadają dopuszczenie Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA/ESCC).

Projektant dobierający złącza, musi zachować równowagę między parametrami znamionowymi złączy a krytycznością misji. Zastosowanie zbyt wysokich parametrów znamionowych złącza może prowadzić do poważnych problemów związanych z kosztami i dostępnością oraz czasem realizacji. Jednocześnie przedwczesna awaria satelity CubSat ze względu na nieodpowiednie parametry złącza lub niezrozumienie wymagań, jest wysoce niepożądana i frustrująca. Dlatego ważne jest zapewnienie realistycznej perspektywy wymagań projektu w odniesieniu do opcji złączy i kabli.

Wiele dostępnych opcji ułatwia dopasowanie rozwiązania do wymagań

Aby umożliwić projektantom optymalne dopasowanie ich wyborów do wymagań związanych z przestrzenią kosmiczną, dostawcy tacy jak firma Harwin oferują wiele grup złączy. Z kolei w każdej grupie dostępnych jest wiele wariantów z różnymi typami i liczbami styków, układami łączenia, opcjami blokowania i innymi funkcjami. Wśród takich grup złączy firmy Harwin znajdują się:

• Linia złączy Mix-Tek Datamate oferuje szeroki wybór złączy sygnałowych, zasilania i koncentrycznych o różnych konfiguracjach, dzięki którym inżynierowie mogą wybierać układy złączy dobrze dopasowane do ich potrzeb (ilustracja 2). Styki zasilające mają prąd znamionowy do 20A, sygnałowe 3A, a koncentryczne charakteryzują się częstotliwością 6GHz przy impedancji 50Ω.

Ilustracja 2: seria złączy Mix-Tek Datamate zawiera złącza sygnałowe (3A), zasilania (20A) i koncentryczne (6GHz). (Źródło ilustracji: Harwin)

Wysoka niezawodność wynika z zastosowania styków toczonych w połączeniu z czteropalcowymi zaciskami stykowymi z miedzi berylowej firmy Harwin. Złącza Mix-Tek są dostępne w różnych gotowych konfiguracjach kabli i płytek, z maksymalnie 50 stykami niskiej częstotliwości lub 12 specjalnymi stykami (koncentrycznymi i zasilającymi). Złącza o rastrze 2mm można łączyć ze złączami sygnałowymi, zasilającymi i koncentrycznymi w niemal dowolnej kombinacji.

• Grupa niezawodnych złączy Kona o rastrze 8,5mm obejmuje wysokiej jakości złącza wysokoprądowe do wymagających środowisk (ilustracja 3). Indywidualnie osłonięte styki o projektowanej wytrzymałości 250 cykli łączenia obsługują prądy ciągłe o natężeniu 60A przy napięciu 3000V na styk. Sześciopalcowa konstrukcja styku wykonana z pozłacanej miedzi berylowej zapewnia ciągłość elektryczną przy silnych wstrząsach i drganiach. Jest dostępna w kompaktowej, jednorzędowej obudowie w konfiguracjach typu kabel-płytka.

Ilustracja 3: seria złączy Kona o rastrze 8,5mm obsługuje prądy ciągłe o natężeniu do 60A i napięciu 3000V na styk. (Źródło ilustracji: Harwin)

• Złącza zasilające M300 stanowią szeroką gamę złączy o wysokiej niezawodności i znamionowych parametrach działania. Zapewniają kompaktowe połączenie zasilania o natężeniu 10A na styk, stanowiąc w ten sposób lekkie i wytrzymałe rozwiązanie o sprawdzonym działaniu w skrajnych warunkach (ilustracja 4). Złącza są chronione przed wibracjami i drganiami za pomocą łączników śrubowych ze stali nierdzewnej.

Ilustracja 4: złącza zasilające M300 zapewniają kompaktowe połączenie zasilania o natężeniu prądu do 10A na styk. (Źródło ilustracji: Harwin)

Sprawdzona konstrukcja z czterema palcami utrzymuje ciągłość elektryczną pomimo silnych wstrząsów i drgań. Te złącza do płytek drukowanych o rastrze 3mm, złącza zagniatane i gotowe zespoły kablowe wytrzymują temperatury od -65°C do +175°C i nawet 1000 cykli łączenia.

Satelity CubeSat powodem opracowania specjalnej grupy złączy

Grupa złączy i zespołów kablowych Gecko została zaprojektowana w taki sposób, aby odpowiadały stosunkowo dużej objętości i mniej surowym wymaganiom dotyczącym niektórych wymiarów w zastosowaniach wewnątrz satelitów CubSat (ilustracja 5). Złącza te zapewniają niskoprofilowe rozwiązanie połączeń typu kabel-płytka i płytka-płytka, a także są szczególnie dobrze przystosowane do łączenia piętrowego oraz łączenia kabli tam, gdzie miejsce na płytce drukowanej jest na wagę złota.

Ilustracja 5: grupa złączy niskoprofilowych Gecko jest dostępna w wielu stylach, konfiguracjach i z różnymi liczbami styków. (Źródło ilustracji: Harwin)

Złącza Gecko mają raster 1,25mm, charakteryzują się wysoką niezawodnością i są dostarczane w postaci obudowy złącza z oddzielnie zamawianymi wymiennymi stykami. Złącza te wykorzystują styki zagniatane na kablach cylindrycznych oraz obudowy i są dostępne w wersji męskiej i żeńskiej. Pionowe i poziome złącza do montażu przewlekanego na płytce drukowanej i pionowe złącza do montażu powierzchniowego są przeznaczone do połączeń typu kabel-kabel, kabel-płytka i płytka-płytka.

Złącza Gecko ważą zazwyczaj ok. 1g i są nawet o 45% mniejsze i do 75% lżejsze niż istniejące odpowiedniki standardów branżowych oraz złącza Micro-D. Są one oferowane w trzech wariantach, które nie mogą być łączone między sobą:

• Seria złączy Gecko-SL (Screw-Lok): złącze posiada ruchome wkręty, które zapewniają bezpieczne i niezawodne łączenie z ich odpowiednikami (ilustracja 6). Złącza Screw-Lok mogą być również wyposażone w kołki do mocowania na płytce lub montażu tablicowego. Styki mają prąd znamionowy 2,8A na styk w izolacji i 2,0A dla wszystkich styków jednocześnie. Omawiane złącza są oferowane zarówno jako złącza poziome, jak i pasujące do zespołów kablowych umożliwiających piętrowe umieszczanie płytek o dużej gęstości.

Ilustracja 6: złącza z serii Gecko-SL mają znamionowe natężenie prądu 2,8A na styk w izolacji i 2,0A dla wszystkich styków jednocześnie. (Źródło ilustracji: Harwin)

Przykładowo G125-3241696M2 jest 16-stykowym prostokątnym złączem Gecko-SL do montażu tablicowego o rastrze 1,25mm (ilustracja 7).

Ilustracja 7: 16-stykowe prostokątne złącze Gecko-SL G125-3241696M2 o rastrze 1,25mm przeznaczone do montażu tablicowego . (Źródło ilustracji: Harwin)

• Gecko-MT (Mixed Technology): złącza te są wariantami serii Gecko-SL o mieszanym układzie (ilustracja 8). Dzięki uzupełnieniu styków danych dwoma lub czterema stykami zasilania 10A w konfiguracjach zasilania/danych 1+8+1 lub 2+8+2, produkty Gecko-MT umożliwiają znaczne zmniejszenie zajmowanego miejsca i wagi sprzętu elektronicznego.

Ilustracja 8: złącze Gecko-MT jest podobne do złącza serii Gecko-SL, ale zawiera mieszane styki sygnałowe i zasilania w jednej obudowie. (Źródło ilustracji: Harwin)

Są one dostępne w konfiguracjach kablowych lub przewlekanych, z takimi samymi wariantami mocowania Screw-Lok jak złącza Gecko-SL oraz w różnych konfiguracjach styków sygnałowych (dwurzędowych) i zasilania (jednorzędowych).

10-pozycyjne złącze gniazdowe Gecko-MT G125-FV10805F1-1AB1ABP z ośmioma stykami sygnałowymi i dwoma stykami zasilania, umożliwiające obsługę obu funkcji przez jedno złącze (ilustracja 9).

Ilustracja 9: złącze G125-FV10805F1-1AB1ABP z serii Gecko-MT posiada osiem styków sygnałowych i dwa styki zasilania. (Źródło ilustracji: Harwin)

• Gecko Latch (oryginalny projekt): złącza męskie z tej grupy mogą być wyposażone w łatwe do odblokowania zatrzaski blokujące, które zapewniają bezpieczne połączenie ze złączem żeńskim (ilustracja 10).

Ilustracja 10: złącza Gecko Latch posiadają łatwe do odblokowania zatrzaski pomiędzy elementem męskim i żeńskim. (Źródło ilustracji: Harwin)

Przykładem konstrukcji Gecko Latch jest 20-pozycyjne złącze gniazdowe G125-FS12005LOR do montażu powierzchniowego (ilustracja 11).

Ilustracja 11: jednym z produktów należących do grupy Gecko Latch jest 20-pozycyjne złącze G125-FS12005L0R do montażu powierzchniowego. (Źródło ilustracji: Harwin)

Serie Gecko-SL i Latch oferują od 6 do 50 styków w konfiguracji dwurzędowej. Obudowy złączy posiadają biegunowość, aby zapobiec niewłaściwemu podłączeniu, a styk numer jeden oznaczony jest na zewnątrz obudowy.

Dostępne są opcjonalne metalowe osłony kompatybilne zarówno ze złączami Gecko-SL, jak i Gecko-MT, które zapewniają ochronę mechaniczną, przed częstotliwościami radiowymi (RF) i zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). Przykładem może być osłona (kaptur) G125-9702002 do 20-pozycyjnego złącza Gecko-SL (ilustracja 12).

Ilustracja 12: metalowe osłony, takie jak G125-9702002 do 20-stykowych złączy Gecko-SL, oferują użytkownikom możliwość wzmocnienia ochrony mechanicznej i ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi w złączach Gecko-SL i Gecko-MT. (Źródło ilustracji: Harwin)

Dzięki temu, że osłona jest opcjonalna, konstrukcje, które nie wymagają takiego zabezpieczenia mogą mieć wagę zmniejszoną o ten metalowy element. Aby zapewnić większą elastyczność, osłony mocuje się do płytki drukowanej, a nie do złącza.

Nie należy zapominać o kablach i zespołach kablowych

Łatwo poświęcać czas i zużywać energię na dobór złączy, ale to tylko część historii związanej ze złączami, ponieważ równie ważne jest okablowanie złącza. Zależnie od typu sygnału i instalacji, do wyboru są podstawowe przewody, skrętki dwużyłowe, przewody ekranowane i kable koncentryczne. Jeśli chodzi o zespoły kablowe, projektanci mają pięć opcji wyboru:

1. Zrób to sam (produkcja we własnym zakresie)
2. Użycie wstępnie zagniatanych styków i przewodów
3. Użycie gotowych zespołów kablowych
4. Określenie specyfikacji dla kompletnych, wykonywanych na zamówienie zespołów kablowych będących wariantem produktów standardowych
5. Określenie specyfikacji dla całkowicie niestandardowych zespołów kablowych wykonywanych na specjalne zamówienie

Ze względu na szerokie zastosowanie złączy Gecko, wiele potrzebnych zespołów kablowych jest dostępnych w postaci standardowych, gotowych pozycji, co skraca czas i obniża niepewność realizacji. Na przykład

12-pozycyjny zespół kablowy G125-FC11205F0-0150F0 o długości 150mm przeznaczony jest dla prostokątnych połączeń typu gniazdo-gniazdo (ilustracja 13).

Ilustracja 13: kabel i cały zespół stanowią kompletne połączenie. Omawiany 12-pozycyjny zespół kablowy G125-FC11205F0-0150F0 o długości 150mm jest dostępny jako standardowy komponent. (Źródło ilustracji: Harwin)

Podsumowanie

Ważne jest, aby szukać możliwie najmniejszych i najlżejszych złączy dla wymaganego zakresu parametrów działania oraz nie określać zbyt wymagających specyfikacji, jeżeli surowe parametry lub wartości docelowe nie są naprawdę konieczne.

Jest to szczególnie prawdziwe na rynku satelitów CubeSat, ponieważ te miniaturowe urządzenia zostały zaprojektowane tak, aby umożliwiać piętrowe umieszczenie wielu sztuk wewnątrz rakiety, gdzie zarówno przestrzeń, jak i masa są bardzo istotne.

W kontekście tych popularnych satelitów, które niemalże można określić mianem produktów masowych, złącza i zespoły kablowe Gecko pozwalają projektantom zarządzać parametrami działania i kosztami w procesie doboru komponentów, polegającym na wyważeniu wielu, czasem kłócących się ze sobą czynników wymuszających kompromisy.