Technologische gereedheidsniveaus voor in de ruimte gekwalificeerde componenten

Een product in de ruimte lanceren is complexer dan een product op aarde op de markt brengen. Componenten in de ruimte moeten bestand zijn tegen de uitdagingen van de ruimteomgeving, betrouwbaar functioneren gedurende hun verwachte levensduur zonder onderhoud en voldoen aan de limieten van gewicht en omvang van de lancering.

In deze omgeving wenden productontwerpers zich tot Qualified Parts for Space (QPS) die al zijn ontworpen, getest en doorgelicht voor succesvol gebruik in ruimtetoepassingen. QPS heeft het hoogste Technology Readiness Level (TRL) bereikt, zoals gedefinieerd door de National Aeronautics and Space Administration (NASA).

TRL's van 1 tot 9 weerspiegelen de weg die een product aflegt van concept tot succesvolle prestatie (Afbeelding 1). TRL's 1 tot en met 3 richten zich op een basisidee dat wordt ontwikkeld tot een proof-of-concept dat laat zien hoe het item in theorie zou werken. Van TRL 4 tot TRL 6 worden onderdelen eerst getest en gesimuleerd. TRL's 7 en 8 brengen het concept tot bloei met de praktijktest van een prototype en de uiteindelijke demonstratie van de technologie.

Afbeelding 1: NASA TRL's geven de reis van een ruimtegebonden product aan, van initieel concept tot bewezen prestaties. Alleen een onderdeel met een TRL van 9 kan worden beschouwd als een QPS wanneer het is gefabriceerd en getest volgens geaccepteerde normen. (Bron afbeelding: Cinch Connectivity Solutions)

Producten met een TRL van 9 hebben bewezen succesvol te zijn in echte ruimtetoepassingen. Naast het bereiken van dit hoge TRL-niveau, moeten onderdelen specifieke testregimes doorstaan om als QPS te worden beschouwd. De normen voor deze vereisten verschillen per onderdeeltype. QPS-verzwakkers moeten bijvoorbeeld getest worden volgens MIL-DTL-3933, niveau T, en QPS elektronische connectors vallen onder NASA's EEE-INST-002.

Inzicht in de specifieke uitdagingen van ruimtevaarttoepassingen kan ontwerpers helpen bij het kiezen van bestaande QPS'en die aan hun eisen voldoen, het traject tussen concept en inzet verkorten en het product op tijd en binnen het budget op de markt brengen.

Uitgassen overwinnen

Het vermogen om in vacuüm en bij extreme temperaturen te werken is een van de grootste obstakels die ruimtecomponenten moeten overwinnen. Vacuüms in een middelhoge baan om de aarde (MEO), 1.234 tot 22.234 mijl van de aarde, waar GPS-satellieten (Global Positioning System) werken, zijn gemiddeld 1 mTorr tot 1 µTorr. Tegelijkertijd worden componenten in deze en andere toepassingen blootgesteld aan temperaturen tot -270 °C in de schaduw en tot +121 °C in direct zonlicht.

Bij blootstelling aan vacuüm en hitte kunnen niet-metalen onderdelen last krijgen van uitgassing, een fenomeen waarbij gassen die tijdens de productie in het materiaal opgesloten zitten, naar het oppervlak migreren. Deze migratie kan leiden tot breuken in het materiaal, waardoor het verzwakt. Vrijgekomen gassen kunnen ook condenseren en bevriezen op andere onderdelen van componenten, wat schade veroorzaakt zoals wazige optiek en vervuilde sensoren.

De mate van uitgassing wordt gemeten aan de hand van de totale massa die een onderdeel verliest (TML) wanneer het wordt blootgesteld aan vacuüm en hitte, uitgedrukt als percentage van de oorspronkelijke massa. Fabrikanten meten ook het percentage collectable volatile condensable materials (CVCM), de hoeveelheid uitgegaste materie die condenseert op een kouder oppervlak. Beide testen worden uitgevoerd volgens het ASTM E595-protocol waarbij het monster gedurende 24 uur op +125 °C en minder dan 5 x10^-5 Torr wordt gehouden.

De meeste elektronische componenten moeten uitgassingstests doorstaan om als QPS te worden aangeduid omdat ze niet-metalen isolatie- en afschermingsmaterialen gebruiken. Dit is het geval voor Cinch Dura-Con™ micro-D-plugs en sockets met ruimteafscherming (Afbeelding 2) van Cinch Connectivity Solutions. De niet-metalen in Dura-Con-connectors, de thermohardende isolator rond de pennen en de ethyleen tetrafluorethyleen (ETFE) draadisolatie verliezen minder dan 1% van hun totale massa tijdens het testen en hebben minder dan 0,01% CVCM.

Afbeelding 2: Dura-Con-connectors maken gebruik van isolatiematerialen met een lage uitgassing om de NASA EEE-INST-002-norm voor elektronische connectorselectie voor LEO-toepassingen te overtreffen. (Bron afbeelding: Cinch Connectivity Solutions)

Deze vernikkelde connectors voldoen aan MIL-DTL-83513 voor microminiatuur rechthoekige elektrische connectors. Ze bieden plaats aan negen tot 100 pinposities in voetafdrukken van 0,775" tot 2,160" breed, bij 0,298" tot 0,384" hoog.

Door hun ontwerp en lage niveau van uitgassing zijn ze geschikt voor toepassingen in een lage baan om de aarde (LEO) tot 1.200 mijl hoogte volgens NASA's EEE-INST-002-norm voor elektronische connectorselectie. De Hubble-ruimtetelescoop, het internationale ruimtestation en de constellaties van microsatellieten die wereldwijde telecommunicatie mogelijk maken, draaien in deze zone.

De EEE-INST-002-norm erkent ook drie niveaus van kriticiteit voor elektronische connectors. Connectors van niveau 1 zijn bedrijfskritisch, connectors van niveau 2 vereisen een hoge betrouwbaarheid en connectors van niveau 3 zijn geclassificeerd voor standaard betrouwbaarheid. Dura-Con-connectors zijn afgeschermd tot niveau 2.

Interferentie door straling verminderen

Naast de gevaren van vacuüm en extreme temperaturen hebben componenten in de ruimte ook te maken met verhoogde stralingsniveaus. Zonder de bescherming van de aardatmosfeer komen deze componenten in aanraking met het volledige spectrum van ultraviolette (UV) straling. Buiten LEO zijn gammastralen en andere ioniserende straling ook zorgwekkend. Straling kan de levensduur van niet-metalen componenten verkorten en het kan elektromagnetische signalen aantasten met radiofrequentie-interferentie (RFI) en elektromagnetische interferentie (EMI) in het algemeen.

Elektrische connectors die dit tegengaan, zoals de Trompeter QPS elektrische connectors van Cinch Connectivity Solutions, hebben een robuuste RFI- en EMI-afscherming, waardoor ze voldoen aan de MIL-STD-1553B-databusspecificatie.

Ze zijn ook voornamelijk gemaakt van metaal, met vergulde beryllium koperen contacten en een nikkel behuizing. Een diëlektrisch materiaal van polytetrafluorethyleen (PTFE) met lage ontgassing bereikt TML's van minder dan 1,0% en CVCM's van minder dan 0,10%.

De ruimtevaartbestendige Trompeter-serie bevat miniatuurconnectors in twee aansluitstijlen. TRB-connectors hebben een bajonetsluiting (Afbeelding 3), terwijl TRT-connectors met schroefdraad worden bevestigd (Afbeelding 4). Elk type wordt geleverd in verschillende ontwerpen voor aansluiting via bulk heads, aan het uiteinde van kabels of via printplaten (PCB's).

Afbeelding 3: TRB miniatuur-bajonetconnectors met ruimteschaal hebben een uitstekende RFI- en EMI-afscherming en een lage uitgassing. (Bron afbeelding: Cinch Connectivity Solutions)

Afbeelding 4: TRT-miniatuurschroefdraadconnectors met ruimteschaal kunnen worden bevestigd via bulkheads, op kabels of door bevestiging op printplaten. (Bron afbeelding: Cinch Connectivity Solutions)

TRS-subminiatuurbajonetconnectors (Afbeelding 5) en TTS-subminiatuurschroefdraadconnectors (Afbeelding 6) delen de robuuste signaaloverdracht van hun grotere tegenhangers. Door hun kleinere afmetingen kan de beperkte ruimte op satellieten en andere orbitale voertuigen efficiënter worden gebruikt.

Subminiatuuronderdelen pakken ook een ander ontwerpprobleem van ruimtetoepassingen aan: de kosten om ze in een baan om de aarde te brengen. In 2025 kostte het 3.000 dollar om een kilogram massa naar LEO te lanceren. Hoewel dat meer dan een orde van grootte minder duur is dan de $ 50.000/kg tijdens het tijdperk van de Space Shuttle, is het gewicht nog steeds hoog. Subminiatuur QPS-connectors kunnen helpen gewicht te besparen en geld te besparen.

Afbeelding 5: TRS-subminiatuurbajonetconnectors voor ruimtevaarttoepassingen verminderen het gewicht en de kosten van de lancering, terwijl de uitstekende signaaltransmissieprestaties behouden blijven. (Bron afbeelding: Cinch Connectivity Solutions)

Afbeelding 6: TTS-subminiatuurschroefdraadconnectors met ruimtevaartclassificatie maken gebruik van isolatiematerialen met een lage uitgassing om de NASA EEE-INST-002-norm voor de selectie van elektronische connectors voor LEO-toepassingen te overtreffen. (Bron afbeelding: Cinch Connectivity Solutions)

De lage uitgassing, het lage gewicht en de hoge kwaliteit van de signaaloverdracht van Trompeter-connectors hebben geleid tot het gebruik ervan in communicatiesatellieten in LEO, GPS-satellieten in MEO en op Mars in de rovers van NASA.

Onderdelen gebouwd voor lancering en duurzaamheid

Kostenoverwegingen zijn niet de enige ontwerpuitdagingen bij het lanceren van onderdelen in de ruimte. Onderdelen moeten de acceleratie en trillingen van de lancering en thermische schokken kunnen doorstaan en na deze schokken net zo goed presteren als op de testbank.

De MIL-DTL-3933-norm beschrijft de kwalificatie- en afschermingseisen voor vaste verzwakkers voor radio en microgolven, die het vermogen van signalen verminderen zonder hun golfvormen te vervormen. De norm biedt specifieke richtlijnen, aangeduid met niveau T.

QPS-verzwakkers (Afbeelding 7) zijn getest volgens en voldoen aan de MIL-DTL-3933 niveau T vereisten en bieden verzwakkingswaarden van 0 dB tot 20 dB met nauwkeurigheden van ±0,3 dB tot ±0,7 dB. Ze zijn gemaakt van roestvrij staal en berylliumkoper met een PTFE-diëlektricum en een fluorelastomeerpakking en voldoen aan de eisen voor uitgassing of overtreffen deze.

Afbeelding 7: QPS-verzwakkers verminderen het vermogen van radio- of microgolfsignalen van 0 dB tot 20 dB. Ze zijn gebruikt op GPS-satellieten en interplanetaire missies. (Bron afbeelding: Cinch Connectivity Solutions)

Deze verzwakkers zijn verkrijgbaar in drie afschermingsniveaus die de uiteindelijke toepassing van de verzwakker weergeven. Niveau A controleert alle onderdelen op dempingsprestaties voor en na toepassing van piekvermogen en is bedoeld voor niet-vluchttoepassingen. Niveau B, de minimale screening vóór de ruimtevlucht, voegt stressfactoren bij de lancering zoals thermische schokken en vacuümconditionering toe aan de evaluatie en wordt gebruikt voor onderdelen van satellieten die naar LEO gaan. Niveau C voegt thermische cycli en trillingen toe aan het screeningproces en wordt aanbevolen voor alle onderdelen die in de ruimte worden gebruikt, inclusief onderdelen die naar geostationaire banen (22.234 mijl van de aarde) en verder gaan.

Conclusie

QPS-componenten die een TRL van 9 hebben bereikt door succesvol deel te nemen aan eerdere ruimtevluchtmissies, hebben bewezen een lange, onderhoudsvrije levensduur te hebben en bestand te zijn tegen extreme temperaturen, schokken, trillingen, vacuüm en straling. Fabrikanten van QPS hebben screeningprotocollen ontwikkeld die ervoor zorgen dat 100% van hun ruimtevaartonderdelen bestand zijn tegen de uitdagingen van het werken in een baan om de aarde of in de diepe ruimte, nu en in de toekomst.