Selecteren van ruimtevaartconnectoren voor LEO-satelliettoepassingen

De satellietindustrie maakt een snelle groei door, vooral op het gebied van laagvliegende oftewel LEO-satellieten (Low Earth Orbit). De zware LEO-omgeving stelt ontwerpers echter voor grote uitdagingen. Blootstelling aan vacuüm, atomaire zuurstof, intense ultraviolette (uv) straling en extreme temperatuurschommelingen kan leiden tot uitwaseming, materiaaldegradatie en connectorstoringen, waardoor missiekritische systemen mogelijk gevaar lopen.

Om missies te laten slagen, moeten ontwerpers de uitdagingen van het werken in de ruimte begrijpen en connectoren van betrouwbare bronnen selecteren met de geavanceerde materialen en technologieën die LEO-omstandigheden vereisen.

In dit artikel wordt kort ingegaan op de uitdagingen van het ontwerpen voor LEO-toepassingen en worden strategieën besproken om de milieueffecten te beperken. Vervolgens worden de juiste connectoren van Cinch Connectivity Solutions geïntroduceerd die kunnen helpen deze uitdagingen aan te gaan.

Uitdagingen in LEO-omgevingen en hun invloed op connectoren

Ontwerpers van LEO-satellieten worden geconfronteerd met unieke omgevingsuitdagingen. Hoewel de omgeving niet zo zwaar is als in de verre ruimte, moeten LEO-satellietconnectoren en andere onderdelen bestand zijn tegen uitwaseming, straling en corrosie, extreme temperaturen en trillingen en schokken.

1. Uitwaseming

Onder uitwaseming verstaan we het vrijkomen van gassen uit niet-metalen materialen wanneer ze worden blootgesteld aan hitte of een vacuüm. Dit is een belangrijk probleem in LEO-omgevingen. Er worden veel kunststoffen gebruikt in connectoren vanwege hun uitstekende isolerende eigenschappen. Ook kunnen sommige metalen die in connectoren worden gebruikt microscopische gasbellen bevatten die tijdens de productie zijn ingesloten. Wanneer connectoren op zeeniveau worden gefabriceerd, zijn deze gasbellen niet onderhevig aan de krachten als gevolg van drukverschillen binnen en buiten het materiaal.

In het vacuüm van de ruimte nemen die drukverschillen echter aanzienlijk toe, waardoor deze ingesloten gassen vrijkomen. Deze uitwaseming kan leiden tot kleine scheurtjes en barsten die de mechanische sterkte van de connector aantasten (afbeelding 1).

Afbeelding 1: Uitwaseming leidt tot kleine scheurtjes en barsten die de mechanische sterkte van een connector aantasten. (Bron afbeelding: Cinch Connectivity Solutions)

Uitwaseming kan ook sensoren zoals camera’s beschadigen door de vorming van een coating. Het kan zelfs leiden tot kortsluiting tussen connectoren en componenten, waardoor een missie in gevaar komt.

Hoewel het vacuüm van de ruimte primair verantwoordelijk is voor uitwaseming, kunnen andere omgevingsfactoren de kans hierop vergroten. Door de verzwakking van polymeren als gevolg van uv-straling en blootstelling aan atomaire zuurstof kunnen ingesloten gassen bijvoorbeeld gemakkelijker ontsnappen.

2. Straling en blootstelling aan atomaire zuurstof

Constante blootstelling aan uv-straling van de zon kan het plastic dat in connectoren wordt gebruikt, beschadigen. Ioniserende straling kan leiden tot ophoping van lading op connectoren, wat elektrostatische ontladingen kan veroorzaken. Atomaire zuurstof is overvloedig aanwezig in de LEO-omgeving en wordt gevormd wanneer uv-straling reageert met zuurstof. Het is zeer reactief en kan verbindingsmaterialen eroderen, vooral polymeren en sommige metalen. Polytetrafluorethyleen (PTFE) is bijvoorbeeld een veelgebruikt kunststof isolatiemateriaal in connectoren. Deze stof reageert wanneer het wordt blootgesteld aan atomaire zuurstof en uv-straling, wat leidt tot afbraak. Atomaire zuurstof is bijzonder reactief met zilver, waardoor oxidatie optreedt wat de elektrische geleiding en contactweerstand beïnvloedt.

3. Extreme temperatuurschommelingen

LEO-satellieten hebben te maken met temperatuurschommelingen van +125 °C in de zon tot -65 °C in de schaduw van de aarde. Sommige externe onderdelen krijgen mogelijk zelfs te maken met temperaturen van -270 °C tot +200 °C. Dit leidt tot thermische cycli die kleine onvolkomenheden in connectoren belasten en verergeren. De verschillen in de thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) tussen connectormaterialen en bijbehorende componenten kunnen leiden tot ongelijkmatige thermische cycli, met incompatibele combinaties en mogelijk falen tot gevolg.

4. Trillingen en schokken

Intense trillingen tijdens de lancering kunnen de integriteit van de connector in gevaar brengen. Bewegingen van links naar rechts (laterale as) en van voor naar achter (stuwas) kunnen leiden tot een verkeerde uitlijning of een breuk in de contactgebieden van de connector. Als gevolg van schokken die tijdens de lancering worden gegenereerd wanneer de nuttige lading loskomt van de draagraket kunnen connectoren losraken en vermoeidheidspunten worden gecreëerd.

Strategieën voor het verminderen van LEO-milieueffecten

Hermetische afdichting wordt aanbevolen om veel van deze risico’s te beperken. Hermetische afdichting beschermt interne componenten tegen vacuüm in de ruimte en voorkomt dat interne gassen ontsnappen. Het voorkomt ook dat lucht, gas en vocht de assemblage binnendringen.

Om een succesvol ontwerp te garanderen, zijn er verschillende standaarden die relevant zijn voor ruimtetoepassingen:

• De testmethode ASTM E595 voor het uitwasemen van materialen in vacuümomgevingen meet het totale massaverlies (TML) en verzamelde vluchtige condenseerbare materialen (CVCM) bij respectievelijk +125 °C en +25 °C. Typische acceptatiecriteria zijn: TML ≤ 1,00%, CVCM ≤ 0,10%.
• NASA EEE-INST-002 instructies voor de selectie, screening, kwalificatie en derating van elektrische, elektronische en elektromechanische (EEE) onderdelen legt betrouwbaarheidsniveaus vast voor EEE-onderdelen gebaseerd op de missiebehoeften.
• NASA SSP 30426 stelt de vereisten voor externe besmetting van het internationale ruimtestation (ISS) vast.
• NASA SP-R-0022A definieert vereisten voor vacuümstabiliteit voor polymere materialen.

Connectoren moeten volgens deze standaarden worden geselecteerd om er zeker van te zijn dat ze voldoen aan de strenge eisen van ruimtemissies.

Technology Readiness Levels (TRL) zijn in de jaren 1970 door NASA ontwikkeld en bieden een gestandaardiseerde methode voor het schatten van de maturiteit van technologieën op een schaal van 1 (basisprincipes waargenomen en gerapporteerd) tot 9 (bewezen vlucht). TRL’s spelen om verschillende redenen een cruciale rol bij de selectie van ruimtecomponenten:

• Risicoverlaging: componenten met een hogere TRL hebben zich bewezen in relevante omgevingen of daadwerkelijke ruimtemissies.
• Kostenbeheer: het gebruik van componenten met een hogere TRL kan de ontwikkelings- en testvereisten verlagen.
• Voortgangsbewaking: met TRL kan de technologische ontwikkeling van concept tot vluchtklare status worden gevolgd, wat helpt bij de planning en besluitvorming tijdens de ontwikkeling van het ruimteschip.
• Gemeenschappelijke taal: TRL’s vergemakkelijken de discussie over de maturiteit van verschillende ruimtevaarttechnologieën.
• Integratiegemak: componenten met een hogere TRL zijn over het algemeen gemakkelijker te integreren in bestaande systemen, wat van invloed is op de selectiebeslissingen.

Connector-oplossingen voor LEO

Om aan de ontwerpvereisten van LEO-toepassingen te voldoen, biedt Cinch Connectivity Solutions een Cinch Space Mission Solutions-portfolio van connectoren. Deze zijn ontworpen met het oog op LEO-satellieten zoals CubeSats en NanoSats die sterke beperkingen hebben wat betreft grootte en gewicht.

Stacking connector jumpers

De CIN::APSE stacking connector jumpers van Cinch bieden soldeervrije, high-density custom interconnects voor toepassingen zoals board-to-board, flex-to-board en component-to-board verbindingen in LEO-satellieten. De belangrijkste kenmerken zijn onder andere:

• coplanaire en haakse board-to-board aansluitingen voor flexibiliteit in satellietontwerp en lay-out,
• een combinatie van RF, vermogen, signaal en high-speed data in een behuizing van 1 millimeter (mm),
• NASA-goedkeuring op TRL 9, wat duidt op bewezen betrouwbaarheid,
• bewezen prestaties onder extreme mechanische schokken, trillingen en thermische omstandigheden.

Een typisch voorbeeld is de 4631533093 (afbeelding 2). Deze flexibele printplaat (pc board) wordt samengeperst om een stacking connector op een starre printplaat aan te sluiten.

Afbeelding 2: De 4631533093 flexibele stacking connector jumper die starre printplaten verbindt. (Bron afbeelding: Cinch Connectivity Solutions)

De 4631533093 heeft 25 pennen, is 7,5 cm lang, heeft een pitch van 0,635 mm en heeft blootliggende uiteinden van 3,327 mm.

Micro-D-connectoren met ruimte-afscherming

Voor geminiaturiseerde ‘airborne’ elektronica en gegevensverwerkingsapparatuur, en waar kortere signaalpaden nodig zijn in ontwerpen voor compacte satellieten, biedt Cinch de Dura-Con micro-D-connectoren met ruimtescherm. Opvallende kenmerken zijn onder andere gedraaide pencontacten en machinaal bewerkte contrastekkers voor duurzame zeven contactpunten, naleving van MIL-DTL-M83513 (specifiek voor micro-D-connectoren), vernikkeling en met ethyleentetrafluorethyleen (ETFE) geïsoleerde draden. De DCCM25SCBRPN-X2S micro-D-contrastekker voor 25 pennen is een goed voorbeeld (afbeelding 3).

Afbeelding 3: De DCCM25SCBRPN-X2S is een micro-D-contrastekker voor 25 pennen met ruimteafscherming. (Bron afbeelding: Cinch Connectivity Solutions)

Deze contrastekker heeft twee rijen met een pitch van 1,27 mm en een afstand tussen de rijen van 1,092 mm. Hij heeft een gouden contactafwerking, is geschikt voor 3 ampère (A) en overtreft de LEO-uitwasemingsvereisten van ≤ 1,0% TML en ≤ 0,1% CVCM.

Dempers

De QPS-dempers (Qualified Part for Space) van Cinch zijn speciaal ontworpen voor ruimtevaarttoepassingen. Ze voldoen aan de normen ASTM E595 en MIL-DTL-3993 voor uitwaseming en worden geleverd met standaardwaarden van 1, 2, 3, 6, 10 en 20 decibel (dB). Beschikbaar zijn aangepaste waarden van 0 tot 20 dB. Een typisch voorbeeld is de SQA-0182-01-SMA-02 (afbeelding 4). Deze demper van 1 dB is geschikt voor gelijkstroom tot 18 gigahertz (GHz), heeft een gemiddeld vermogen van 2 W (500 W, piek) en een bedrijfstemperatuur van -55 °C tot +125 °C.

Afbeelding 4: De SQA-0182-01-SMA-02 is een 1dB-demper die speciaal is ontworpen voor ruimtemissies. (Bron afbeelding: Cinch Connectivity Solutions)

Conclusie

Ontwerpers van LEO-ruimtemissies hebben connectoren nodig die betrouwbaar zijn onder uitdagingen zoals sterke uitwaseming, temperatuurverschillen, uv- en ioniserende straling en trillingen en schokken. Door te vertrouwen op beproefde leveranciers zoals Cinch Connectivity Solutions kunnen ontwerpers profiteren van een reeks oplossingen die zijn ontworpen volgens de hoogste normen voor ruimtemissies om ontwerpsucces te garanderen.