Förstå valet av kontakter och kablage för rymdtillämpningar

Under det senaste decenniet har rymdfarkoster i omloppsbana kring jorden blivit en viktig bransch med tillämpningar för en stor marknad. Detta har lett till att ett stort antal satelliter med många olika uppdrag har tagits i drift i låga, medelstora och geostationära omloppsbanor runt jorden (LEO, MEO, GEO). Oavsett storlek, ursprung eller uppdrag har alla dessa satelliter en gemensam faktor i materialförteckningen: behovet av många elektriska kontakter och kablar för signal- och strömförsörjning.

Även om de kanske inte har samma glamourfaktor som aktiv elektronik ombord eller det bredare satellituppdraget, är deras prestanda, tillförlitlighet och beständighet avgörande för satellitens utformning, utplacering och målets livslängd. Därför är valet och tillämpningen av lämpliga anslutningar en viktig faktor för att lyckas med uppdraget. De ska tillhandahålla grundläggande funktioner samtidigt som de minimerar storlek och vikt, och de ska dessutom uppfylla de unika krav på tillförlitlighet och robusthet som krävs vid uppskjutning och flygning i rymden.

Lyckligtvis är ^2000-talets behov av relativt stora volymer av anslutningar, kontakter och kablar som är klassificerade för rymdanvändning numera standardkomponenter som är tillgängliga från leverantörer via distributörer, vilket är en stor förändring jämfört med för bara ett eller två årtionden sedan, då de var specialiserade, ofta specialbeställda produkter.

Artikeln handlar om kraven på kontakter och kablar som är klassificerade för användning i rymden, och hur dessa bör väljas. Därefter presenteras praktiska lösningar från Harwin som gör det lättare att garantera att uppdraget lyckas.

Krav på kablar och kontakter för användning i rymden

Det som tidigare främst handlade om NASA-uppdrag med esoteriska rymdfarkoster eller kommunikations- och navigationssatelliter har blivit nästa rutinmässiga händelser med uppskjutningar av LEO-, MEO- och GEO-satelliter. Vissa av dessa uppskjutningar medför driftsättning av ett dussin eller fler satelliter, inklusive de små, populära CubeSat-enheterna som utvecklats av universitet, vissa gymnasieskolor och till och med av amatörforskargrupper.

Rymden är dock en tuff miljö för elektroniska komponenter av alla slag. Potentiella problemområden är bland annat intermittenta anslutningar, prestanda under specifikationerna och till och med direkta fel. Dessa problem börjar med vibrationerna vid uppskjutningen och fortsätter bortom omloppsbanans kyla och vakuum.

Problemen ställer många krav på kontakternas prestanda och begränsar deras utformning och implementering. De förenas alla av det breda begreppet tillförlitlighetsprioriteringar och det opraktiska eller omöjliga i att reparera eller ersätta dem under flygning. Förutom storlek, vikt, stötar och vibrationer, inkluderar andra problem, avgasning, restmagnetism, extrema temperaturer och termiska cykler, kosmisk strålning, överslag och kontaktriktning:

• Vikt och storlek (volym): En rymdfarkost och dess satellit har stora begränsningar inom båda dessa områden, på grund av bränsleeffektivitet och det faktum att varje kubikcentimeter av volym är värdefull i en rymdkonstruktion med begränsad volym.
• Acceleration, vibrationer och stötar: Den hårda uppskjutningsfasen resulterar i tiotals G över ett brett frekvensområde. Av den anledningen anger kontakter klassificerade för användning i rymden, vanligtvis jackskruvar eller låsningsdesign när det är möjligt för att säkerställa en säker anslutning.
• Avgasning: Rymdens värme och vakuum ökar graden av avgasning från kontakter. Material som elastomerer och plaster kan långsamt avge flyktiga organiska föreningar (VOC) som lösts upp, fångats, frusits eller absorberats i materialet i form av gas eller ånga. Även epoxilim och andra vanliga lim kan avge dessa flyktiga organiska föreningar, vilket gör det nödvändigt att använda särskilda lim. Flyktiga organiska föreningar kan leda till föroreningar som kan påverka prestandan hos kritisk utrustning på ett allvarligt sätt, genom att störa känsliga instrument och optiska ytor. När det gäller kontakter som klassificerats för användning i rymden "drivs flyktiga organiska föreningar" ut ur materialet genom att kontakten bakas vid förhöjd temperatur i en vakuumförseglad ugn.
• Restmagnetism: Detta kan störa närliggande kretsar och delsystem och orsaka missvisande avläsningar från precisionsgivare. För att minimera detta kan det vara nödvändigt att använda icke-magnetiska material där det är möjligt, t.ex. kopparlegeringar.
• Temperaturområde: Det utökade området för kontakter klassificerade för användning i rymden är vanligtvis -65 ⁰C till +150 ⁰C. Men även termisk cykling är ett problem: upprepade spänningar som uppstår vid sådana cykler kan ge upphov till mikrosprickor och slutligen utmattningsbrott. Vissa satelliter är utformade för att rotera för att jämna ut sin medeltemperatur mellan de sidor som är vända mot solen eller har skugga. Detta är en otillräcklig lösning för större satelliter eftersom ytan och delytan fortfarande kan utsättas för betydande termiska cykler jämfört med de djupare liggande insidorna. I små satelliter, t.ex. CubeSats, är nästan alla komponenter relativt nära ytan.
• Kosmisk strålning: Den ökar när satellitens driftshöjd ökar och jordens skyddande atmosfär tunnas ut. Effekterna av denna oundvikliga strålning liknar på vissa sätt effekterna av elektromagnetiska störningar (EMI). Även om rymdfarkostens metallhölje ger ett visst skydd kan det vara nödvändigt att inkludera ytterligare avskärmning på kretskort eller kablar som är känsliga för strålningspåverkan.
• Överslag: Detta är en kontinuerlig elektrisk urladdning med hög ström från en ledare till närmaste metallyta. Överslag uppstår vid olika spänningsvärden beroende på luftmolekylernas täthet med rymdens vakuum som extremfall, så kontakterna måste ha en märkspänning som är lämplig för höjden.
• Fysiska överväganden: Kontaktens och kabelns riktning är mycket viktig. Satelliter är naturligtvis tätt packade, och de populära men små CubeSats tar denna täthet till en ny nivå (figur 1). En enda CubeSat-enhet (U) är standardiserad till 10 x 10 x 10 cm, och en komplett CubeSat-satellit kan vara 1U, 2U, 3U, 6U eller 12U stor.

Figur 1: Den populära satellitkonstruktionen CubeSat bygger på ett standardformat med små moduler som kan staplas i olika längder. (Bildkälla: Harwin)

Om kontakten är utformad så att kablarna är riktade vertikalt i rät vinkel mot kretskortet kan kretskorten i CubeSat inte placeras tätt intill varandra eftersom kontakten och kabeln kommer att vara i vägen för varandra. Horisontella kontakter och tillhörande färdiga kablage löser dock detta problem genom att kablarna leds från kanten av kretskortet i sidled runt stapelkanten, vilket minskar det utrymme som behövs ovanför kretskortet.

En storlek passar inte alla - och kommer troligen aldrig att göra det.

De olika spänningarna, strömmarna, frekvenserna och övriga prestandakrav för de olika anslutningsvägarna innebär att en enda kontaktfamilj skulle vara kraftigt under- eller överspecificerad i många situationer, och inget av dessa förhållanden är acceptabelt, om än av olika skäl. Dessutom finns det ingen enskild "standard" som definierar en kontakt som är klassificerad för användning i rymden. Det finns istället standarder för specifika prestandaegenskaper, t.ex. avgasning. Nasa Parts Selection List (NPSL) används som vägledning för specifikation av komponenter för rymdteknik, och komponenterna på dessa kvalificerade komponentlistor är specifika för tillämpningar i rymden. I Europa har kontakter av rymdkvalitet den europeiska rymdorganisationens kvalificering (ESA/ESCC).

En konstruktör som väljer kontakter måste hitta en balans mellan kontakternas klassificering och hur kritiskt uppdraget är. Överspecificering kan leda till allvarliga problem med kostnader och tillgänglighet/ledtid. Samtidigt skulle det vara olyckligt och frustrerande om en CubeSat misslyckades i förtid på grund av otillräckliga anslutningar eller anslutningsproblem som beror på dålig insikt. Därför är det viktigt att tillhandahålla ett realistiskt perspektiv på projektets krav i förhållande till kontakt- och kabelalternativen.

Många tillgängliga val för att uppfylla kraven

För att konstruktörer ska kunna anpassa sina val optimalt till kraven på rymdkvalitet, erbjuder leverantörer som Harwin flera kontaktfamiljer. Varje familj har i sin tur flera variationer i fråga om kontakttyp och antal stift, kopplingsarrangemang, låsningsalternativ och andra funktioner. Bland de relevanta kontaktdonsfamiljerna från Harwin finns:

• Sortimentet Mix-Tek Datamate som erbjuder ett brett utbud av konfigurationer för signal-, ström- och koaxialkontakter, så att ingenjörer kan välja de kontakter som är väl anpassade till deras tillämpningar (figur 2). Strömkontakterna är dimensionerade för upp till 20 A, signalkontakterna klarar 3 A och koaxialkontakterna har en prestanda på 6 GHz med en impedans på 50 Ω.

Figur 2: Serien Mix-Tek Datamate har stöd för kombinationer av signal (3 A), ström (20 A) och koaxialkontakter (6 GHz). (Bildkälla: Harwin)

Den höga tillförlitligheten beror på användningen av vridna kontakter i kombination med Harwins kontaktklämmor av berylliumkoppar med fyra fingrar. Mix-Tek-kontakterna finns i en mängd olika tråd- och kretskonfigurationer med högst 50 kontakter för låg frekvens, eller 12 specialkontakter (koaxial- och strömkontakter). Kontakterna, med 2 mm avstånd, kan blandas och matchas med nästan vilken kombination som helst av signal-, ström- och koaxialkontakter.

• Kontaktfamiljen Kona med hög tillförlitlighet och 8,5 mm stigning ger en högkvalitativ för höga strömmar i krävande miljöer (figur 3). Individuellt skyddade kontakter klarar 60 A kontinuerlig ström vid 3 000 V per kontakt, med en hållbarhetsklassning på 250 inkopplingscykler. Kontaktens konstruktion består av sex guldpläterade fingrar av berylliumkoppar för att bibehålla den elektriska kontinuiteten vid kraftiga stötar och vibrationer, och finns i ett kompakt enradigt paket för konfiguration av kabel-till-kort.

Figur 3: Kontaktserien Kona med 8,5 mm stiftavstånd har stöd för upp till 60 A kontinuerlig ström och 3000 V per kontakt. (Bildkälla: Harwin)

• Strömkontakterna M300 har en rad olika strömvärden med hög tillförlitlighet och prestanda och ger en kompakt strömanslutning med upp till 10 A per kontakt, vilket ger en lätt och robust lösning som har visat sig fungera under extrema förhållanden (figur 4). Kontakterna skyddar mot vibrationer och stötar med monterade jackskruvar i rostfritt stål.

Figur 4: Strömkontakterna M300 ger en kompakt strömanslutning med upp till 10 A per kontakt. (Bildkälla: Harwin)

Den beprövade utformningen med fyra kontaktfingrar bibehåller den elektriska kontinuiteten trots miljöer med höga vibrationer och stötar. Dessa kretskortskontakter för crimpkabel med 3 mm stiftavstånd och färdiga kablage tål -65 °C till +175 °C och klarar 1 000 inkopplingscykler.

CubeSat driver en särskild familj

Gecko-familjen med kontakter och färdiga kablage är utformade för att motsvara de relativt stora volymerna och mindre stränga kraven i vissa dimensioner för CubeSat-tillämpningar (figur 5). Kontakterna är en lösning med låg profil för sammankoppling mellan kablar till kort och kort till kort, och är särskilt lämpliga för stapling och kabelkoppling i områden där det är ont om plats på kretskortet.

Figur 5: Gecko-familjen med lågprofilkontakter finns i ett brett utbud av stilar, konfigurationer och kontaktantal. (Bildkälla: Harwin)

Gecko-kontakterna är rektangulära kontakter med 1,25 mm stiftavstånd och hög tillförlitlighet och levereras som kontakthus med utbytbara kontakter som beställs separat. Kontakterna använder runda krimpbara kontakter och höljen och finns i han- och honutförande. Vertikala och horisontella genomgående hål för kretskortsanslutning och vertikala ytmonterade kontakter är avsedda för sammankoppling av kabel till kabel, kabel till kretskort samt kretskort till kretskort.

Gecko-kontakterna är upp till 45 % mindre och upp till 75 % lättare än befintliga motsvarande standardkontakter och Micro-D, med en typisk vikt på cirka 1 g. De finns i tre varianter som inte kan kombineras:

• Kontaktserien Gecko-SL (Screw-Lok): En kontakt med lösa skruvar för säker och robust sammankoppling med sin motsvarighet (figur 6). Screw-Loks kan även ha dubbar för kretskorts- eller panelmontage för säker montering på kretskort eller i höljet. Kontakterna är dimensionerade för 2,8 A per kontakt isolerat och 2 A för alla kontakter samtidigt. Kontakterna finns både som horisontella kontakter och som färdiga kablage för hög densitet vid stapling på kretskort.

Figur 6: Kontakterna i serien Gecko-SL har märkströmmen 2,8 A per kontakt isolerat och 2 A för alla kontakter samtidigt. (Bildkälla: Harwin)

G125-3241696M2 är exempelvis en rektangulär Gecko-SL kontakt med 16 stift, för panelmontage med ett stiftavstånd på 1,25 mm (figur 7).

Figur 7: Gecko-SL G125-3241696M2 är exempelvis en rektangulär Gecko-SL kontakt med 16 stift, för panelmontage med ett stiftavstånd på 1,25 mm. (Bildkälla: Harwin)

• Gecko-MT (Mixed Technology): Kontakterna är versioner med blandad layout i Gecko-SL-serien (figur 8). Genom att komplettera datakontakterna med två eller fyra 10 A strömkontakter i kraft/data-konfigurationer på antingen 1 + 8 + 1 eller 2 + 8 + 2, möjliggör Gecko-MT produkterna betydande utrymmes- och viktminskningar i elektronisk hårdvara.

Figur 8: Gecko-MT liknar serien Gecko-SL, men har stöd för blandade signal- och strömkontakter i ett enda kontakthölje. (Bildkälla: Harwin)

De finns i konfigurationer för kabel eller genomgående hål, med samma låsningsvarianter med Screw-Lok som kontakterna i Gecko-SL, och med en mängd olika konfigurationer av signal- (dubbelrad) och strömkontakter (enkelrad).

G125-FV10805F1-1AB1ABP är en Gecko-MT kontakt för tio kontakter med åtta signal- och två strömkontakter, vilket gör att en enda kontakt kan uppfylla båda funktionerna (figur 9).

Figur 9: Kontakten G125-FV10805F1-1AB1ABP i serien Gecko-MT har åtta signal- och två strömkontakter. (Bildkälla: Harwin)

• Gecko Latch (originalkonstruktion): Hankontakterna i den här familjen kan utrustas med lättöppnade låsningar för säker sammankoppling med honkontakten (figur 10).

Figur 10: Kontakterna Gecko Latch har ett lättöppnat lås mellan hon- och hankontakterna. (Bildkälla: Harwin)

G125-FS12005LOR, ett ytmonterat uttag med 20 positioner, är ett exempel på Gecko Latch-konstruktionen (figur 11).

Figur 11: G125-FS12005L0R, ytmonterat uttag med 20 positioner som är en av produkterna i familjen Gecko Latch. (Bildkälla: Harwin)

Serierna Gecko-SL och Latch har mellan 6 och 50 kontakter i en konfiguration med dubbla rader. Kopplingshöljena är polariserade för att förhindra felkoppling och har kontaktnummer ett markerat på höljets utsida.

Det finns valfria skal av metall som är kompatibla med både Gecko-SL och Gecko-MT för att ge mekaniskt skydd, skydd mot radiofrekvenser (RF) och EMI, som t.ex. G125-9702002 skal (huva) för kontakten Gecko-SL med 20 positioner (figur 12).

Figur 12: Skal av metall som denna G125-9702002 för Gecko-SL kontakter med 20 positioner ger användare möjlighet att lägga till ett förbättrat mekaniskt skydd och EMI-skydd till sina Gecko-SL och Gecko-MT kontakter. (Bildkälla: Harwin)

Genom att göra skalen valfria slipper konstruktioner som inte kräver sådant skydd, att tyngas ned av vikten från en kontakt med metallhölje. För ytterligare flexibilitet fästs skalen på kretskortet i stället för på kontakten.

Glöm inte kabeln och monteringen

Det är lätt att lägga tid och energi på val av kontaktdon, men det är bara en del av anslutningen, eftersom kablaget som är kopplat till kontaktdonet är lika viktigt. Bland de anslutningsalternativ som styrs av signaltyp och installation finns vanliga kablar, tvinnade par, skärmad kabel och koaxialkablar. Konstruktörer har fem valmöjligheter när det gäller att få fram en färdig kabel:

1. Gör-det-själv (egen tillverkning)
2. Användning av förkrimpade kontakter och kablar
3. Användning av färdiga kablage
4. Specificera en komplett, specialtillverkad färdig kabel som är en variant på standardprodukter.
5. Specificera en helt anpassad färdig kabel som är tillverkad specifikt för kraven.

Tack vare den breda användningen av Gecko-kontakter finns många av de färdig kablar som behövs tillgängliga som färdiga standardprodukter, vilket minskar ledtiderna och osäkerheten. Som exempelvis

G125-FC11205F0-0150F0 som är en färdig kabel med 12 positioner som är 150 mm lång och utformad för rektangulära kopplingar mellan uttag och uttag (figur 13).

Figur 13: Kabeln och den färdiga kabeln utgör den kompletta anslutningen. G125-FC11205F0-0150F0 är en färdig kabel på 150 mm med 12 positioner för rektangulära anslutningar från uttag till uttag, som finns som standardkomponent. (Bildkälla: Harwin)

Sammanfatttning

Det är viktigt att leta efter kontakter som är så små och lätta som möjligt för den nödvändiga prestandaklassen och att inte överspecificera när snävare siffror eller mål inte behövs.

Detta gäller särskilt på CubeSat-marknaden, eftersom dessa miniatyrsatelliter är utformade för att kunna staplas i flera steg i en raket där både utrymme och vikt är mycket viktigt.

För dessa populära satelliter, som nästan är "massmarknadssatelliter", gör Geckos kontakter och färdiga kablar det möjligt för konstruktörer att hantera prestanda och kostnader när de strävar efter att balansera de många, ibland motstridiga avvägningarna vid val av komponenter.