Výběr kosmických konektorů pro aplikace s LEO satelity

Satelitní průmysl zažívá rychlý růst, zejména v oblasti satelitů na nízké oběžné dráze (LEO). Náročné prostředí LEO satelitů však představuje pro konstruktéry značné výzvy. Vystavení vakuu, atomárnímu kyslíku, intenzivnímu ultrafialovému (UV) záření a extrémním teplotním výkyvům může vést k uvolňování částic, degradaci materiálu a selhání konektoru s potenciálním ohrožením kriticky důležitých systémů.

Pro zajištění úspěšné mise musejí konstruktéři porozumět výzvám provozu ve vesmíru a vybírat konektory ze spolehlivých zdrojů obsahujících pokročilé materiály a technologie nezbytné pro splnění požadavků provozních podmínek satelitů LEO.

Tento článek stručně shrnuje problematiku při návrhu aplikací satelitů LEO a pojednává o strategiích zmírnění dopadů na životní prostředí. Poté představí příslušné konektory od společnosti Cinch Connectivity Solutions, které mohou pomoci těmto výzvám čelit.

Problematika prostředí u satelitů LEO a její dopady na konektory

Konstruktéři satelitů LEO čelí jedinečným výzvám okolního prostředí. Ačkoli okolní prostředí není tak náročné jako hluboký vesmír, konektory pro LEO satelity a další komponenty musí odolávat uvolňování částic, radiaci a korozi, teplotním extrémům a vibracím a nárazům.

1. Uvolňování částic

Uvolňování částic znamená vývin plynů z nekovových materiálů vystavených teplu nebo vakuu. V prostředí LEO satelitů se jedná o významný problém. V konektorech se široce využívají plasty pro jejich vynikající izolační vlastnosti, přičemž některé kovy používané v konektorech mohou obsahovat mikroskopické bublinky plynu zachycené během výroby. Pokud se konektory vyrábějí na úrovni moře, tyto plynové bubliny nejsou vystaveny silám vznikajících vlivem tlakových rozdílů na vnitřní a vnější straně materiálu.

Ve vakuu kosmického prostoru se však tlakové rozdíly výrazně zvětšují a tyto zachycené plyny se uvolňují. Toto uvolňování plynových částic může vést k malým trhlinám a prasklinám, které ovlivňují mechanickou pevnost konektoru (obrázek 1).

Obrázek 1: uvolňování částic vede k drobným trhlinám a prasklinám, které ovlivňují mechanickou pevnost konektoru. (Zdroj obrázku: Cinch Connectivity Solutions)

Uvolňování částic může také poškodit senzory, například v kamerách, vytvořením povlakové vrstvy. Tento jev může dokonce vést ke zkratům mezi konektory a komponentami a způsobit tak ohrožení mise.

Zatímco vakuum v kosmickém prostoru primárně podporuje uvolňování částic, další faktory prostředí mohou pravděpodobnost jeho výskytu zvyšovat. Například oslabení polymerů způsobené UV zářením a působením atomárního kyslíku podporuje únik zachycených plynů.

2. Záření a vystavení atomárnímu kyslíku

Trvalé vystavení slunečnímu UV záření může poškodit plasty používané v konektorech. Ionizující záření může vést k hromadění náboje na konektorech s možným generováním elektrostatických výbojů. Atomární kyslík, který se hojně vyskytuje v prostředí LEO satelitů a vzniká reakcí UV záření s kyslíkem, je vysoce reaktivní a může rozleptávat spojovací materiály, zejména polymery a některé kovy. Například polytetrafluorethylen (PTFE), běžný plastový izolační materiál v používaný v konektorech, reaguje při vystavení atomárnímu kyslíku a UV záření, což vede k opotřebení. Atomární kyslík je zvláště reaktivní se stříbrem, způsobuje oxidaci a ovlivňuje elektrickou vodivost a odpor kontaktů.

3. Extrémní výkyvy teplot

Satelity LEO jsou vystaveny teplotním výkyvům od +125 °C na slunečním světle do -65 °C v zemském stínu, přičemž některé jejich vnější komponenty mohou čelit teplotám od -270 °C do +200 °C. Tato situace vede k tepelnému cyklování, které způsobuje namáhání a může zhoršovat drobné nedokonalosti v konektorech. Rozdíly v koeficientu tepelné roztažnosti (CTE) mezi materiály konektorů a souvisejícími součástmi mohou vést k nerovnoměrnému tepelnému cyklování, které způsobuje nekompatibilní kombinace a potenciální selhání.

4. Vibrace a nárazy

Intenzivní vibrace během startu mohou narušit integritu konektoru. Pohyby ze strany na stranu (boční osa) a dopředu dozadu (podélná osa) mohou vést k vychýlení nebo zlomení kontaktních ploch konektoru. Nárazy generované při startu oddělením hlavice od nosné rakety mohou způsobit uvolnění konektorů a vznik bodů únavy.

Strategie pro zmírnění vlivů LEO satelitů na okolní prostředí

Pro zmírnění mnoha těchto rizik se doporučuje používat hermetické utěsnění. Hermetické utěsnění chrání vnitřní součásti před vakuem kosmického prostoru a zabraňuje úniku vnitřních plynů. Zabraňuje také pronikání vzduchu, plynu a vlhkosti do sestavy.

Pro zajištění úspěchu konstrukce existuje několik norem upravujících aplikace kosmického průmyslu:

• Metoda měření uvolňování částic pro materiály ve vakuovém prostředí podle normy ASTM E595 měří celkový hmotnostní úbytek (TML), resp. shromážděné těkavé kondenzovatelné materiály (CVCM) při +125 °C, resp. +25 °C. Typická kritéria přijatelnosti jsou: TML ≤ 1,00 %, CVCM ≤ 0,10 %.
• Pokyny podle normy NASA EEE-INST-002 pro výběr elektrických, elektronických a elektromechanických (EEE) dílů, screening, kvalifikaci a snížení výkonu stanovují úrovně spolehlivosti dílů EEE na základě potřeb mise.
• Norma NASA SSP 30426 stanovuje požadavky na kontrolu vnější kontaminace Mezinárodní vesmírné stanice (ISS).
• Norma NASA SP-R-0022A definuje požadavky na stabilitu ve vakuu pro polymerní materiály.

Konektory by měly být vybrány podle těchto norem, aby bylo zajištěno, že splňují přísné požadavky kosmických misí.

Úrovně připravenosti technologie (TRL), vyvinuté společností NASA v 70. letech, poskytují standardizovanou metodu odhadu vyspělosti technologií na stupnici v rozsahu od 1 (pozorování a popsání základních principů) do 9 (letově prověřený systém). Úrovně TRL hrají zásadní roli při výběru kosmických komponent z několika důvodů:

• Snížení rizik: komponenty s vyšší úrovní TRL byly prověřeny v příslušných prostředích nebo skutečných kosmických misích.
• Správa nákladů: použití komponent s vyšší úrovní TRL může snížit požadavky na vývoj a testování.
• Sledování pokroku: úroveň TRL umožňuje sledovat vývoj technologie od konceptu až po stav připravenosti k letu, což pomáhá při plánování a rozhodování během vývoje kosmické lodi.
• Společný jazyk: úrovně TRL usnadňují diskusi o vyspělosti napříč různými kosmickými technologiemi.
• Snadná integrace: komponenty s vyšší úrovní TRL se obecně snáze integrují do stávajících systémů, což ovlivňuje rozhodování o volbě.

Řešení konektorů pro LEO satelity

Jako řešení konstrukčních požadavků aplikací LEO satelitů nabízí společnost Cinch Connectivity Solutions vlastní portfolio konektorů s názvem Cinch Space Mission Solutions. Tyto konektory jsou navrženy tak, aby reagovaly na problematiku LEO satelitů, jako jsou CubeSats a NanoSats, které mají pevně omezenou velikost a hmotnost.

Propojky stohovacích konektorů

Propojky stohovacích konektorů CIN::APSE od společnosti Cinch poskytují nepájivá, vlastní propojení s vysokou hustotou pro aplikace, jako jsou spoje typu deska na desku, flexibilní deska na desku a součást na desku v LEO satelitech. Klíčové vlastnosti zahrnují:

• koplanární a pravoúhlé připojení typu deska na desku pro dosažení flexibility při návrhu a uspořádání satelitů;
• kombinace přenosu RF, napájení, signálu a vysokorychlostních dat v 1mm pouzdru;
• schválení úrovně TRL 9 podle NASA, což znamená letově prověřenou spolehlivost;
• a výkon prověřený v podmínkách extrémních mechanických nárazů, vibrací a tepla.

Typickým příkladem je model 4631533093 (obrázek 2). Tato flexibilní deska plošných spojů (PCB) se tlakem propojí se stohovacím konektorem namontovaným na pevné desce plošných spojů.

Obrázek 2: znázornění flexibilní propojky stohovacího konektoru 4631533093, která se připojuje k pevným deskám plošných spojů. (Zdroj obrázku: Cinch Connectivity Solutions)

Model 4631533093 používá 25 vodičů, má délku 3 palce, rozteč 0,025 palce a odkryté konce v délce 0,131 palce.

Konektory micro-D se stíněním pro kosmický průmysl

Pro miniaturizovanou leteckou elektroniku, zařízení na zpracování dat a aplikace vyžadující kratší signálové cesty v kompaktních družicových konstrukcích nabízí společnost Cinch konektory Dura-Con micro-D se stíněním pro kosmický průmysl. Mezi význačné vlastnosti patří kroucené pinové kontakty a obrobené zásuvky poskytující sedm odolných kontaktních bodů, shoda s normou MIL-DTL-M83513 (specifické pro konektory micro-D), poniklování a vodiče s etylen-tetrafluoroetylenovou izolací (ETFE). Typickým příkladem je 25pinová zásuvka micro-D DCCM25SCBRPN-X2S (obrázek 3).

Obrázek 3: model DCCM25SCBRPN-X2S je 25pinová zásuvka micro-D se stíněním pro použití v kosmickém průmyslu. (Zdroj obrázku: Cinch Connectivity Solutions)

Tato zásuvka má dvě řady pinů s roztečí 0,050 palce a rozteč mezi řadami 0,043 palce. Je opatřena zlaceným povrchem kontaktů, podporuje zátěž až 3 A a překračuje požadavky na uvolňování částic LEO satelitů ≤ 1,0 % TML a < 0,1 % CVCM.

Útlumové články

Útlumové články s kvalifikací pro kosmický průmysl (QPS) od společnosti Cinch jsou speciálně navrženy pro kosmické aplikace. Tyto články vyhovují normám ASTM E595 a MIL-DTL-3993 pro uvolňování částic jsou dodávány se standardními hodnotami 1, 2, 3, 6, 10 a 20 dB. K dispozici jsou uživatelské hodnoty 0 až 20 dB. Typickým příkladem je model SQA-0182-01-SMA-02 (obrázek 4). Tento 1dB útlumový článek se vyznačuje rozsahem od stejnosměrného průběhu (DC) do 18 GHz, průměrným výkonem 2 W (500 W ve špičkách) a rozsahem provozních teplot -55 °C až +125 °C.

Obrázek 4: model SQA-0182-01-SMA-02 je 1dB útlumový článek speciálně navržený pro kosmické mise. (Zdroj obrázku: Cinch Connectivity Solutions)

Závěr

Konstruktéři LEO satelitů pro kosmické mise potřebují konektory se spolehlivou funkcí tváří v tvář problémům, jako jsou uvolňování částic, teplota, UV, ionizující záření a vibrace a otřesy. Spolehnutím se na osvědčené dodavatele, jako je společnost Cinch Connectivity Solutions, mohou využívat výhod celé řady řešení navržených podle nejvyšších standardů pro kosmické mise, aby byl zajištěna úspěšná konstrukce.