Val av kontaktdon med rymdklassificering för tillämpningar med satelliter i låg omloppsbana

Satellitindustrin upplever en snabb tillväxt, särskilt inom området för satelliter i låg omloppsbana. Dessa satelliter i låg omloppsbana innebär dock betydande utmaningar för konstruktörer. Exponering för vakuum, atomärt syre, intensiv ultraviolett (UV) strålning och extrema temperaturvariationer kan leda till avgasning, materialnedbrytning och fel på kontaktdon, vilket kan äventyra väsentliga system för uppdraget.

För att garantera framgång för uppdraget måste konstruktörer förstå utmaningarna med att arbeta i rymden och välja kontaktdon från tillförlitliga källor som innehåller de avancerade material och tekniker som krävs för att uppfylla kraven för satelliter i låg omloppsbana.

Artikeln går kortfattat igenom utmaningarna med att konstruera tillämpningar för satelliter i låg omloppsbana och går igenom strategier för att minska miljöpåverkan. Därefter presenteras lämpliga kontaktdon från Cinch Connectivity Solutions som kan göra det enklare att uppfylla dessa utmaningar.

Miljöutmaningar för satelliter i låg omloppsbana och deras inverkan på kontaktdon

Konstruktörer av satelliter i låg omloppsbana står inför unika miljöutmaningar. Även om miljön inte är lika tuff som i rymden måste kontaktdon och andra komponenter i satelliter för låg omloppsbana tåla avgasning, strålning och korrosion, extrema temperaturer samt vibrationer och stötar.

1. Avgasning

Avgasning innebär att gaser frigörs från icke-metalliska material när de utsätts för värme eller vakuum. Det är ett stort problem i satelliter för låg omloppsbana. Plast används ofta i kontaktdon tack vare sina utmärkta isolerande egenskaper, och vissa metaller som används i kontaktdon kan innehålla mikroskopiska gasbubblor som stängts in i materialet vid tillverkningen. När kontaktdon tillverkas på havsnivå utsätts dessa gasbubblor inte för de krafter som uppstår till följd av tryckskillnader i och utanför materialet.

I rymdens vakuum ökar tryckskillnaderna dock avsevärt, vilket frigör dessa instängda gaser. Denna avgasning kan leda till små och stora sprickor som påverkar kontaktdonets mekaniska hållfasthet (figur 1).

Figur 1: Avgasning leder till små och stora sprickor som påverkar kontaktdonets mekaniska hållfasthet. (Bildkälla: Cinch Connectivity Solutions)

Avgasning kan även skada sensorer, som t.ex. kameror, genom att ett lager med beläggning bildas. Det kan till och med leda till kortslutningar mellan kontakter och komponenter, vilket kan äventyra ett uppdrag.

Även om rymdens vakuum är den främsta orsaken till avgasning kan andra miljöfaktorer öka sannolikheten för avgasning. Till exempel försvagas polymerer av UV-strålning och exponering för atomärt syre, vilket gör det lättare för instängda gaser att frigöras.

2. Exponering för strålning och atomärt syre

Konstant exponering för solens UV-strålning kan skada plaster som används i kontaktdon. Joniserande strålning kan leda till ackumulering av laddningar i kontaktdon, vilket kan orsaka elektrostatiska urladdningar. Atomärt syre, som förekommer rikligt i låg omloppsbana och bildas när UV-strålning reagerar med syre, är mycket reaktivt och kan erodera material i kontaktdon, i synnerhet polymerer och vissa metaller. Som exempelvis Polytetrafluoreten (PTFE), som är ett vanligt isoleringsmaterial av plast i kontaktdon, när det utsätts för atomärt syre och UV-strålning, vilket leder till slitage. Atomärt syre är särskilt reaktivt med silver, vilket orsakar oxidation och påverkar den elektriska ledningsförmågan och kontaktdonets resistans.

3. Extrema temperaturvariationer

Satelliter i låg omloppsbana utsätts för temperaturvariationer från +125 °C i solljus till -65 °C i jordens skugga, och vissa externa komponenter kan utsättas för temperaturer från -270 °C till +200 °C. Detta leder till termisk cykling, som frestar på och kan förvärra mindre brister i kontaktdon. Skillnaderna i termisk expansionskoefficient (CTE) mellan anslutningsmaterial och tillhörande komponenter kan leda till ojämn termisk cykling, vilket leder till inkompatibla kombinationer och potentiella fel.

4. Vibrationer och stötar

Kraftiga vibrationer vid uppskjutningen kan äventyra kontaktdonets integritet. Rörelser från sida till sida (längsgående axel) och framåt till bakåt (drivkraftens axel) kan leda till felplacering eller brott på kontaktdonens kontaktytor. Stötar som genereras vid uppskjutningen när nyttolasten separeras från bärraketen kan frigöra kontaktdon och skapa utmattningspunkter.

Strategier för att mildra miljöeffekterna i låg omloppsbana

Hermetisk förslutning rekommenderas för att minska många av dessa risker. Hermetisk förslutning skyddar de inre komponenterna från rymdens vakuum och förhindrar att invändiga gaser läcker ut. Det hindrar även luft, gas och fukt från att tränga igenom monteringen.

För att garantera en lyckad konstruktion finns det flera standarder som är relevanta i rymdtillämpningar:

• Testmetoden ASTM E595 för avgasning av material i vakuummiljöer mäter den totala förlusten av massa (TML) och uppsamlade flyktiga kondenserbara material (CVCM) vid +125 °C respektive +25 °C. Typiska kriterier för godkännande är: TML ≤ 1 %, CVCM ≤ 0,1 %.
• Instruktionerna NASA EEE-INST-002 för val, bedömning, godkännande och korrigeringskurvor för elektriska, elektroniska och elektromekaniska (EEE) delar fastställer tillförlitlighetsnivåer för elektriska, elektroniska och elektromekaniska delar baserat på uppdragets krav.
• NASA SSP 30426 fastställer kraven för kontroll av extern kontaminering på den internationella rymdstationen (ISS).
• NASA SP-R-0022A definierar kraven på stabilitet i vakuum för polymera material.

Kontaktdon bör väljas enligt dessa standarder för att säkerställa att de uppfyller de strikta kraven för rymduppdrag.

Technology Readiness Levels (TRL), som utvecklades av NASA på 1970-talet, är en standardiserad metod för att uppskatta teknikens mognadsgrad på en skala från 1 (observerade och rapporterade grundläggande principer) till 9 (beprövade vid flygning). TRL har av flera skäl en avgörande roll vid val av rymdkomponenter:

• Minskning av risker: Komponenter med högre TRL-värde har testats i relevanta miljöer eller vid faktiska rymdfärder.
• Kostnadshantering: Användning av komponenter med högre TRL kan minska utvecklings- och testkrav.
• Spårning av framsteg: TRL möjliggör övervakning av teknikutvecklingen från koncept till flygfärdig status, vilket underlättar planering och beslutsfattande vid utveckling av rymdfarkoster.
• Gemensamt språk: TRL underlättar diskussionen kring mognadsgrad för olika rymdtekniker.
• Enkel integrering: Komponenter med högre TRL är i allmänhet lättare att integrera i befintliga system, vilket påverkar urvalsbesluten.

Kontaktdonslösningar för låg omloppsbana

För att uppfylla konstruktionskraven i tillämpningar för låg omloppsbana erbjuder Cinch Connectivity Solutions sitt kontaktdonssortiment Cinch Space Mission Solutions. De är utformade för att klara utmaningarna för satelliter i låg omloppsbana som t.ex. CubeSats och NanoSats, som är väldigt begränsade i storlek och vikt.

Stapelbara kontaktbyglar

De stapelbara kontaktbyglarna CIN::APSE från Cinch, tillhandahåller lödfria, anpassade sammankopplingar med hög täthet för tillämpningar som anslutningar från kort till kort, flex till kort och komponent till kort för satelliter i låg omloppsbana. Viktiga egenskaper inkluderar:

• anslutning med rät vinkel och i samma plan mellan kort till kort för flexibilitet vid satellitkonstruktion och layout
• kombination av RF, effekt, signal och data med hög hastighet i en kapsling på 1 mm
• NASA-godkännande vid TRL 9, vilket indikerar flygbeprövad tillförlitlighet;
• och beprövad prestanda vid extrema mekaniska stötar, vibrationer och termiska förhållanden.

Ett typiskt exempel är 4631533093 (figur 2). Detta flexibla kretskort komprimeras för att ansluta till en stapelbar kontakt monterad på ett styvt kretskort.

Figur 2: Här visas den flexibla stapelbara kontaktbygeln 4631533093 som kopplar ihop styva kretskort. (Bildkälla: Cinch Connectivity Solutions)

4631533093 har 25 ledare, är 7,62 mm lång, har en delning på 0,06 mm och exponerade ändar med måtten 0,22 mm.

Rymdskärmade mikro-D kontaktdon

För miniatyriserad flygburen elektronik och databehandlingsutrustning, och där kortare signalvägar krävs i kompakta satellitkonstruktioner, har Cinch de skärmade mikro-D kontaktdonen Dura-Con. Bland de viktigaste egenskaperna märks vridstift och svarvade socklar för sju tåliga kontaktpunkter, överensstämmelse med MIL-DTL-M83513 (specifikt för mikro-D kontaktdon), nickelplätering och ledare med ETFE-isolering (eten-tetrafluoreten). Mikro-D uttaget DCCM25SCBRPN-X2S med 25 stift är ett bra exempel (figur 3).

Figur 3: DCCM25SCBRPN-X2S är ett rymdskärmat mikro-D uttag med 25 stift. (Bildkälla: Cinch Connectivity Solutions)

Uttaget har två rader med en delning på 0,127 mm och en delning på 0,10 mm. Det har en guldpläterad kontaktyta, tål upp till 3 A och uppfyller kraven för avgasning i låg omloppsbana på ≤ 1 % TML och ≤ 0,1 % CVCM.

Dämpare

QPS-dämpare (Qualified Part for Space) är särskilt utformade för rymdtillämpningar. De uppfyller standarden ASTM E595 och MIL-DTL-3993 för avgasning och levereras med standardvärden på 1, 2, 3, 6, 10 och 20 dB. Anpassade värden från 0 till 20 dB finns tillgängliga. Ett typiskt exempel är SQA-0182-01-SMA-02 (figur 4). Denna dämpare på 1 dB har prestanda från likspänning till 18 GHz, genomsnittlig effekthantering på 2 W (500 W, topp) och ett drifttemperaturområde på -55 °C till +125 °C.

Figur 4: SQA-0182-01-SMA-02 är en dämpare på 1 dB som är särskilt utformad för rymduppdrag. (Bildkälla: Cinch Connectivity Solutions)

Sammanfattning

Konstruktörer av rymduppdrag i låg omloppsbana behöver kontaktdon som fungerar tillförlitligt vid utmaningar som avgasning, temperatur, UV-strålning och joniserande strålning samt vibrationer och stötar. Genom att förlita sig på beprövade leverantörer som Cinch Connectivity Solutions kan de dra nytta av ett utbud av lösningar som utformats enligt de högsta standarderna för rymduppdrag för att garantera en lyckad design.