Seznamte se s výběrem konektorů a kabeláže pro kosmické aplikace

Během posledního desetiletí se kosmické lodě na oběžné dráze Země staly hlavními průmyslovými odvětvími s aplikacemi pro masový trh. To vedlo k rozmístění velkého počtu satelitů s širokou škálou misí, které operují na nízkých, středních a geostacionárních drahách Země (LEO, MEO, GEO). Bez ohledu na jejich velikost, zdroj nebo poslání mají všechny tyto satelity jeden společný faktor, pokud jde o rozpis materiálu: potřebu mnoha elektrických konektorů a kabeláže pro signál a napájení.

Ačkoli tyto výrobky nemusí mít glamour faktor aktivní palubní elektroniky nebo širší satelitní mise, jejich výkon, spolehlivost a stálost jsou životně důležité pro návrh, nasazení a životnost družice. V důsledku toho je výběr a aplikace vhodných propojení důležitým faktorem úspěchu mise. Musí poskytovat základní funkčnost při minimalizaci velikosti a hmotnosti a zároveň splňovat jedinečné požadavky na spolehlivost a robustnost vyžadované pro start do vesmíru a let.

Kvůli potřebě poměrně vysokého objemu propojovacích prvků v ^21. století naštěstí platí, že konektory a kabeláže pro kosmický průmysl jsou nyní standardními součástmi dostupnými od prodejců prostřednictvím distributorů, což je významný posun od doby před pouhými deseti nebo dvěma lety, kdy se jednalo o specializované, často na zakázku vyráběné položky.

Tento článek se zabývá požadavky na konektory a kabely pro kosmický průmysl a jejich vhodný výběr. Poté představuje řešení z reálné praxe od společnosti Harwin, která mohou pomoci zajistit úspěch mise.

Požadavky na kabely a konektory pro kosmický průmysl

Starty družic LEO, MEO, GEO, které byly kdysi doménou především misí NASA s esoterickými kosmickými loděmi nebo komunikačními/navigačními družicemi, se staly téměř rutinními událostmi. Některé z těchto startů vedou k rozmístění tuctu nebo více satelitů, včetně malých, populárních jednotek CubeSat vyvinutých na univerzitách, některých středních školách a dokonce i amatérských vědeckých skupinách.

Vesmír je však náročným prostředím pro elektronické součástky všech typů. Mezi potenciální problémové oblasti patří občasná připojení, výkon dílčích specifikací a dokonce i úplné selhání. Tyto problémy začínají vibracemi startu a rozšiřují se přes chlad a vakuum orbitálního použití a dále.

Tyto problémy kladou mnoho požadavků na výkonnost konektoru, jakož i omezení konstrukce a implementace konektoru. Všechny spojuje široký pojem priorit spolehlivosti a nepraktičnost nebo nemožnost opravy či výměny za letu. Kromě velikosti, hmotnosti, otřesů a vibrací zahrnují další problémy odplyňování, zbytkový magnetismus, teplotní extrémy, tepelné cykly, kosmické záření, přeskoky a orientaci konektoru:

• Hmotnost a velikost (objem): Vesmírné vozidlo a jeho satelit jsou v obou těchto faktorech silně omezeny z hlediska palivové účinnosti a skutečnosti, že každý krychlový centimetr je v kosmické konstrukci s omezeným objemem velmi cenný.
• Zrychlení, vibrace a nárazy: Náročná fáze startu má za následek přetížení v řádu desítek g v širokém rozsahu frekvencí. Z tohoto důvodu jsou konektory určené pro kosmický průmysl opatřeny zajišťovacími šrouby nebo západkovými konstrukcemi, kdykoli je to možné, aby bylo zajištěno bezpečné spojení.
• Odplyňování: Teplo a vakuum v kosmu zvyšují rychlost odplyňování konektorů. Materiály, jako jsou elastomery a plasty, mohou pomalu uvolňovat těkavé organické látky (VOC), které byly rozpuštěny, zachyceny, zmrazeny nebo absorbovány v materiálu jako plyn nebo pára. Tyto těkavé organické látky (VOC) mohou být uvolňovány dokonce i epoxidovými a dalšími běžnými lepidly, což vyžaduje použití speciálních lepidel. Látky VOC mohou mít za následek kontaminaci, která může vážně ovlivnit výkon kriticky důležitých zařízení narušením jemných nástrojů a optických povrchů. U konektoru pro kosmický průmysl jsou látky VOC „vytlačeny“ z materiálu vypálením konektorů při zvýšené teplotě ve vakuově utěsněné peci.
• Zbytkový magnetismus: Tento jev může narušit činnost blízkých obvodů a subsystémů a vyvolat zavádějící údaje z přesných senzorů. Minimalizace tohoto jevu může vyžadovat použití nemagnetických materiálů, kde je to možné, jako jsou slitiny mědi.
• Rozsah teplot: Rozšířený rozsah u konektorů pro kosmický průmysl je obvykle -65 ⁰C až +150 ⁰C. Problémem je však také tepelné cyklování: opakovaná namáhání vyvolaná takovým cyklováním mohou způsobit mikrotrhliny a případně únavové lomy. Některé satelity jsou navrženy tak, aby se otáčely a vyrovnávaly tak svou průměrnou teplotu mezi slunečními a zastíněnými stranami. Toto řešení je pro větší satelity nedostatečné, protože povrch a podpovrch mohou stále podléhat značnému tepelnému cyklování ve srovnání s jeho hlubšími vnitřky. V malých satelitech, jako jsou jednotky CubeSats, jsou téměř všechny součásti relativně blízko povrchu.
• Kosmické záření: Zvyšuje se při stoupající provozní výšce družice a ztenčování ochranné atmosféry Země. Účinky tohoto nevyhnutelného záření jsou v některých ohledech podobné účinkům elektromagnetického rušení (EMI). I když kovový kryt kosmické lodi poskytne určitou úroveň ochrany, může být nutné zahrnout dodatečné stínění na obvodové desky nebo kabely, které jsou náchylné na dopad záření.
• Přeskok: Jedná se o nepřetržitý elektrický výboj vysokého proudu z vodiče na nejbližší kovový povrch. Přeskok nastane při různých hodnotách napětí v závislosti na hustotě molekul vzduchu ve vesmírném vakuu jako extrémní případ, takže konektory musí mít jmenovité napětí vhodné pro danou výšku.
• Fyzická hlediska: Orientace konektoru a jeho kabelu je kritická. Satelity jsou evidentně hustě zaplněny a populární, avšak drobné satelity CubeSat posouvají tuto hustotu na novou úroveň (obrázek 1). Jedna jednotka CubeSat (U) je standardizována na 10 × 10 × 10 centimetrů (cm) a kompletní satelit CubeSat může mít velikost 1U, 2U, 3U, 6U nebo 12U.

Obrázek 1: Populární satelitní design CubeSat je založen na standardním formátu malého modulu, který umožňuje stohování v různých přírůstkových délkách. (Zdroj obrázku: Harwin)

Pokud je konektor navržen tak, že kabely jsou orientovány svisle v pravém úhlu k desce plošných spojů, desky uvnitř jednotky CubeSat nemohou být těsně rozmístěny, protože si konektor a kabel budou překážet. Horizontální konektory a sestavy protilehlých kabelů však tento problém řeší tak, že kabely vedou od okraje desky plošných spojů bokem kolem okraje pouzdra, čímž se zmenšuje potřebný prostor nad obvodovou deskou.

Jedna velikost nevyhovuje všem – a pravděpodobně nikdy nebude

Různá napětí, proudy, frekvence a další požadavky na výkonnost různých propojovacích cest znamenají, že jedna skupina konektorů by byla v mnoha situacích výrazně poddimenzována nebo předimenzována, přičemž žádná z těchto podmínek není přijatelná, i když z různých důvodů. Kromě toho neexistuje jediný „standard“, který by definoval konektor pro kosmický průmysl. Namísto toho existují standardy pro specifické vlastnosti výkonu, jako je odplyňování. Seznam dílů NASA (NPSL) se používá jako vodítko specifikace součástí pro vesmírné technologie, přičemž součásti v těchto kvalifikovaných seznamech (QPL) jsou určeny pro kosmické aplikace. V Evropě mají konektory pro kosmický průmysl kvalifikaci Evropské kosmické agentury (ESA/ESCC).

Konstruktér vybírající konektory musí najít rovnováhu mezi dimenzováním konektoru a kritičností mise. Předimenzování konektorů může vést k vážným problémům s cenou a dostupností/dodací dobou. Zároveň by bylo nešťastné a frustrující, kdyby jednotka CubeSat předčasně selhala kvůli neadekvátním nebo špatně interpretovaným problémům s konektory. Proto je důležité poskytnout realistický pohled na požadavky projektu vzhledem k možnostem konektorů a kabelů.

Mnoho dostupných možností, které odpovídají požadavkům

Aby mohli konstruktéři optimálně přizpůsobit svůj výběr požadavkům kosmického průmyslu, nabízejí dodavatelé jako společnost Harwin několik skupin konektorů. Každá skupina obsahuje několik variant typů a počtů kontaktů, uspořádání párování, možností jejich retence a dalších funkcí. Relevantní skupiny konektorů Harwin zahrnují:

• Řada Mix-Tek Datamate nabízí širokou škálu konfigurací signálových, napájecích a koaxiálních konektorů, což umožňuje technikům vybrat uspořádání konektorů, které nejlépe vyhovuje jejich aplikacím (obrázek 2). Výkonové kontakty jsou dimenzovány až na 20 A, signálové kontakty zvládají 3 A a koaxiální kontakty poskytují výkon 6 GHz s impedancí 50 Ω.

Obrázek 2: Řada Mix-Tek Datamate podporuje kombinace signálových (3 A), napájecích (20 A) a koaxiálních konektorů (6 GHz). (Zdroj obrázku: Harwin)

Vysoká spolehlivost je zajištěna díky použití soustružených kontaktů ve spojení se čtyřprstými kontaktovými sponami z beryliové mědi od společnosti Harwin. Konektory řady Mix-Tek jsou k dispozici v různých konfiguracích pro vodiče a desky s maximálně 50 nízkofrekvenčními kontakty nebo 12 speciálními (koaxiálními a napájecími) kontakty. Konektory s roztečí 2 mm lze kombinovat a sladit s téměř jakoukoli kombinací signálových, napájecích a koaxiálních kontaktů.

• Vysoce spolehlivé konektory s roztečí 8,5 mm skupiny Kona poskytují velmi kvalitní spojení s velkou proudovou zatížitelností pro náročná prostředí (obrázek 3). Jednotlivě zakryté kontakty vykazují nepřežitý proud 60 A při 3 000 V na kontakt s životností 250 párovacích cyklů. Šestiprstové kontakty jsou zkonstruovány z pozlacené beryliové mědi, aby byla zachována elektrická kontinuita při silných nárazech a vibracích, a jsou k dispozici v kompaktním jednořadém balení v konfiguracích kabel-deska.

Obrázek 3: Konektory řady Kona s roztečí 8,5 mm podporují trvalý proud až 60 A a napětí 3 000 V na kontakt. (Zdroj obrázku: Harwin)

• Napájecí konektory M300 zahrnují řadu položek s vysokou spolehlivostí a výkonovou zatížitelností včetně kompaktních výkonových přívodů s proudem až 10 A na kontakt, čímž poskytují lehké, robustní řešení s osvědčenými výsledky v extrémních podmínkách (obrázek 4). Konektory jsou chráněny proti vibracím a nárazům pomocí namontovaných nerezových zvedacích šroubů.

Obrázek 4: Napájecí konektory M300 poskytují kompaktní výkonové připojení se zatížitelností až 10 A na kontakt. (Zdroj obrázku: Harwin)

Osvědčená čtyřprstová konstrukce kontaktu zachovává elektrickou kontinuitu navzdory prostředí s vysokými vibracemi a nárazy. Tyto konektory na obvodovou desku s roztečí 3 mm, krimpovací kabelové konektory a hotové kabelové sestavy odolávají teplotám -65 °C až +175 °C a vydrží 1000 párovacích cyklů.

Jednotky CubeSat používají samostatnou skupinu

Konektory a kabelové sestavy řady Gecko jsou navrženy tak, aby vyhovovaly relativně velkému objemu a méně přísným požadavkům na některé rozměry pro aplikace CubeSat (obrázek 5). Tyto konektory poskytují nízkoprofilové řešení propojení kabel-deska a deska-deska a jsou zvláště vhodné pro stohování a spojování kabelů v oblastech, kde je prostor na obvodové desce velmi cenný.

Obrázek 5: Nízkoprofilové konektory skupiny Gecko jsou k dispozici v široké škále stylů, konfigurací a počtů kontaktů. (Zdroj obrázku: Harwin)

Konektory Gecko jsou vysoce spolehlivé, pravoúhlé konektory s roztečí 1,25 mm dodávané jako konektorová pouzdra se samostatně objednávanými výměnnými kontakty. Konektory používají barelové krimpovací kontakty na kabel, jsou opatřeny pouzdry a jsou k dispozici ve verzi samec i samice. Vertikální a horizontální ocasní konektory do průchozího otvoru na obvodovou desku a vertikální konektory pro povrchovou montáž jsou určeny pro propojení kabel-kabel, kabel-deska a deska-deska.

Konektory Gecko jsou až o 45 % menší a až o 75 % lehčí než konektory podle stávajících průmyslových standardních ekvivalentů a konektory Micro-D s typickou hmotností kolem1 g. Jsou nabízeny ve třech variantách, které nejsou vzájemně kombinovatelné:

• Konektorů řady Gecko-SL (Screw-Lok).: Jeden konektor má plovoucí šrouby pro bezpečné a robustní propojení s odpovídajícím protějškem (obrázek 6). Konektory Screw-Lok mohou mít také kolíky pro montáž na desku nebo panel pro bezpečné uchycení desky plošných spojů nebo krytu. Kontakty jsou dimenzovány na 2,8 A na kontakt v izolaci a 2,0 A pro všechny kontakty současně. Tyto konektory jsou nabízeny jako horizontální konektory i sestavy protilehlých kabelů pro stohování desek s vysokou hustotou.

Obrázek 6: Kontakty konektorů řady Gecko-SL jsou dimenzovány na 2,8 A na kontakt v izolaci a 2,0 A pro všechny kontakty současně. (Zdroj obrázku: Harwin)

Například model G125-3241696M2 je 16kontaktový obdélníkový konektor Gecko-SL pro montáž na panel s roztečí 1,25 mm (obrázek 7).

Obrázek 7: Gecko-SL G125-3241696M2 je 16kontaktový obdélníkový konektor Gecko-SL pro montáž na panel s roztečí 1,25 mm. (Zdroj obrázku: Harwin)

• Gecko-MT (Mixed Technology): Tyto konektory jsou verze se smíšeným uspořádáním řady Gecko-SL (obrázek 8). Doplněním datových kontaktů o dva nebo čtyři 10A napájecí kontakty v konfiguracích napájení/data 1 + 8 + 1 nebo 2 + 8 + 2 umožňují produkty Gecko-MT výrazné snížení prostoru a hmotnosti elektronického hardwaru.

Obrázek 8: Konektor Gecko-MT se podobná řadě Gecko-SL, ale podporuje kombinované signálové a výkonové kontakty v pouzdře s jedním konektorem. (Zdroj obrázku: Harwin)

Jsou k dispozici v konfiguraci na kabel nebo do průchozího otvoru, se stejnými variantami upevnění Screw-Lok jako konektory Gecko-SL a v různých konfiguracích signálových (dvouřadých) a výkonových (jednořadých) kontaktů.

Model G125-FV10805F1-1AB1ABP je 10polohový zásuvkový konektor Gecko-MT s osmi signálovými a dvěma napájecími kontakty, což jednomu konektoru umožňuje podporovat obě funkce (obrázek 9).

Obrázek 9: Konektor G125-FV10805F1-1AB1ABP řady Gecko-MT obsahuje osm signálových a dva napájecí kontakty. (Zdroj obrázku: Harwin)

• Západka Gecko (původní design): Samčí konektory v této skupině mohou být vybaveny snadno uvolnitelnými zajišťovacími západkami pro bezpečné propojení s odpovídajícím samičím konektorem (obrázek 10).

Obrázek 10: Konektory Gecko Latch nabízejí snadno uvolnitelné západky mezi páry samec a samice.(Zdroj obrázku: Harwin)

20polohový zásuvkový konektor pro povrchovou montáž G125-FS12005LOR (obrázek 11) je příkladem konstrukce Gecko Latch.

Obrázek 11: Zásuvkový konektor G125-FS12005L0R s 20 pozicemi pro povrchovou montáž je jedním ze členů skupiny Gecko Latch. (Zdroj obrázku: Harwin)

Řady Gecko-SL a Latch nabízejí 6 až 50 kontaktů ve dvouřadé konfiguraci. Kryty konektorů jsou polarizované, aby se zabránilo chybnému spojení, a mají kontakt číslo jedna označený na vnější straně krytu.

K dispozici jsou volitelné kovové zadní kryty kompatibilní s konektory Gecko-SL i Gecko-MT, které poskytují mechanickou, radiovou (RF) a EMI ochranu, například zadní kryt (kapota) G125-9702002 pro 20pinové konektory Gecko-SL (obrázek 12).

Obrázek 12: Kovové zadní kryty, jako je tento model G125-9702002 pro 20pinové konektory Gecko-SL, nabízejí uživatelům možnost přidat vylepšenou mechanickou ochranu a ochranu proti EMI ke konektorům Gecko-SL a Gecko-MT. (Zdroj obrázku: Harwin)

Díky volitelnosti zadních krytů lze konstrukce, které takový stupeň ochrany nevyžadují, odlehčit od hmotnosti konektoru s kovovým krytem. Pro větší flexibilitu se zadní kryty namísto ke konektoru připojují k desce plošných spojů.

Nezapomeňte na kabel a montáž

Je snadné věnovat čas a energii výběru konektoru, ale to se jedná pouze o jednu část příběhu konektivity, neboť kabeláž spojená s konektorem je neméně důležitá. Možnosti propojení určované typem signálu a instalací zahrnují základní vodiče, kroucené páry, stíněné vodiče a koaxiální kabely. Konstruktéři mají k dispozici pět možností, pokud jde o získání kabelové sestavy:

1. Svépomoc (vlastní výroba)
2. Použití předlisovaných kontaktů a vodičů
3. Použití hotových kabelových sestav
4. Specifikace kompletní kabelové sestavy na zakázku, která je variantou standardních produktů
5. Specifikace kabelové sestavy vyrobené zcela na míru podle konkrétních požadavků

Díky širokému použití konektorů Gecko je mnoho potřebných kabelových sestav k dispozici jako standardní hotové položky, čímž se zkracuje doba realizace a snižuje nejistota. Například

model G125-FC11205F0-0150F0 je kabelová sestava s 12 pozicemi, která je dlouhá 150 mm a určená k propojení obdélníkových zásuvek (obrázek 13).

Obrázek 13: Kabel a celková sestava obsahují kompletní propojení; tento model G125-FC11205F0-0150F0 je kabelová sestava s 12 pozicemi o délce 150 mm k propojení obdélníkových zásuvek a je k dispozici jako standardní součást. (Zdroj obrázku: Harwin)

Závěr

Je důležité vyhledávat konektory, které jsou nejmenší a nejlehčí možné pro potřebnou výkonnostní kategorii, a vyhýbat se předimenzování v případech, kde přísnější údaje nebo cíle nejsou potřebné.

To platí zejména na trhu jednotek CubeSat, protože tyto miniaturní satelity jsou navrženy tak, aby je bylo možné poskládat v raketě, kde jsou prostor i hmotnost velmi cenné.

U těchto populárních, takřka „masově rozšířených“ satelitů umožňují kabelové sestavy a konektory Gecko konstruktérům usilujícím o vyvážení četných, někdy i protichůdných kompromisů při výběru součástí vypořádat se s realitou výkonnosti a ceny.