Begrijp de keuze van connectors en bekabeling voor ruimtevaarttoepassingen

In het afgelopen decennium zijn ruimtevaartuigen in een baan om de aarde belangrijke industrieën geworden met massatoepassingen op de markt. Dit heeft geleid tot de stationering van grote aantallen satellieten met een grote verscheidenheid aan missies, die opereren in lage, middelhoge en geostationaire banen om de aarde (LEO, MEO, GEO). Ongeacht hun grootte, herkomst of missie hebben al deze satellieten één gemeenschappelijke factor in hun stuklijst (Bill of Materials - BOM): de behoefte aan veel elektrische connectoren en bekabeling voor signaal en voeding.

Deze hebben misschien niet de glamourfactor van actieve boordelektronica of de bredere satellietmissie, maar hun prestaties, betrouwbaarheid en constantheid zijn van vitaal belang voor het ontwerp, de stationering en de levensduur van satellieten. De keuze en toepassing van geschikte interconnecties is dan ook een belangrijke factor voor het succes van de missie. Zij moeten de basisfuncties bieden en toch zo klein en licht mogelijk zijn, terwijl zij tegelijkertijd moeten voldoen aan de unieke eisen op het gebied van betrouwbaarheid en robuustheid die vereist zijn voor lanceringen en vluchten in de ruimte.

Gelukkig zijn, als gevolg van de behoeftein de 21^e eeuw aan een relatief hoog volume van interconnectors, connectors en bekabeling voor gebruik in de ruimte nu standaardcomponenten die via distributeurs bij verkopers verkrijgbaar zijn, een belangrijke verschuiving ten opzichte van slechts een decennium of twee geleden, toen het nog gespecialiseerde, vaak op bestelling gemaakte artikelen waren.

In dit artikel wordt ingegaan op de eisen die worden gesteld aan connectors en kabels voor gebruik in de ruimte en de juiste keuze daarvan. Vervolgens worden praktijkgerichte oplossingen van Harwin geïntroduceerd die kunnen bijdragen aan het succes van missies.

Kabel- en connectorvereisten voor ruimte

De lanceringen van LEO-, MEO- en GEO-satellieten, die vroeger voornamelijk het domein waren van NASA-missies met esoterische ruimtevaartuigen of communicatie-/navigatiesatellieten, zijn bijna routinematige gebeurtenissen geworden. Sommige van deze lanceringen resulteren in de stationering van een dozijn of meer satellieten, waaronder de kleine, populaire CubeSat-eenheden die zijn ontwikkeld door universiteiten, sommige middelbare scholen en zelfs wetenschappelijke amateurgroepen.

De ruimte is echter een ruwe omgeving voor elektronische componenten van alle soorten. Mogelijke probleemgebieden zijn intermitterende verbindingen, prestaties onder de specificatie, en zelfs regelrechte uitval. Deze problemen beginnen met de trillingen bij de lancering en strekken zich uit tot de koude en het vacuüm van het gebruik in de omloopbaan en daarna.

Deze kwesties stellen hoge eisen aan de prestaties van connectors en leggen beperkingen op aan het ontwerp en de uitvoering ervan. Zij worden alle verenigd door de brede term van betrouwbaarheidsprioriteiten en de onuitvoerbaarheid of onmogelijkheid van reparatie of vervanging tijdens de vlucht. Naast afmetingen, gewicht, schokken en trillingen spelen ook ontgassing, restmagnetisme, temperatuurextremen en thermische cycli, kosmische straling, flashover en connectororiëntatie een rol:

• Gewicht en omvang (volume): Een ruimtevoertuig en zijn satelliet worden in deze beide factoren sterk beperkt door de brandstofefficiëntie en het feit dat elke kubieke centimeter volume kostbaar is in een ruimteontwerp met een beperkt volume.
• Versnelling, trillingen en schokken: De ruwe lanceerfase resulteert in tientallen g-krachten in een breed frequentiebereik. Om deze reden wordt bij connectors met een grote inbouwruimte gewoonlijk gebruik gemaakt van schroeven of vergrendelingen om een veilige verbinding te waarborgen.
• Ontgassen: De hitte en het vacuüm in de ruimte verhogen de uitgassingsgraad van connectors. Materialen zoals elastomeren en kunststoffen kunnen vluchtige organische stoffen (VOS) die in het materiaal opgelost, ingesloten, bevroren of geabsorbeerd zijn, langzaam als gas of damp vrijgeven. Zelfs epoxy en andere routinelijmen kunnen deze VOC's afgeven, zodat speciale lijmen vereist zijn. VOC's kunnen leiden tot verontreiniging die de prestaties van missiekritieke apparatuur ernstig kan aantasten door interferentie met delicate instrumenten en optische oppervlakken. Bij een voor ruimtevaart geschikte connector worden de VOC's uit het materiaal "verdreven" door de connectors bij een hoge temperatuur in een vacuüm afgesloten oven te bakken.
• Overblijvend magnetisme: Dit kan de werking van nabijgelegen circuits en subsystemen verstoren, waardoor precisiesensors misleidende waarden kunnen aflezen. Om dit tot een minimum te beperken kan het nodig zijn waar mogelijk niet-magnetische materialen te gebruiken, zoals koperlegeringen.
• Temperatuurbereik: Het uitgebreide bereik voor space-rated connectors is gewoonlijk -65 ⁰C tot +150 ⁰C. Thermische cycli zijn echter ook een probleem: herhaalde spanningen die het gevolg zijn van dergelijke cycli kunnen microscheurtjes en uiteindelijk vermoeiingsbreuken veroorzaken. Sommige satellieten zijn ontworpen om te roteren, zodat de gemiddelde temperatuur aan de zonzijde gelijkmatiger is dan aan de schaduwzijde. Dit is een ontoereikende oplossing voor grotere satellieten, aangezien het oppervlak en de ondergrond nog steeds onderhevig kunnen zijn aan aanzienlijke thermische cycli in vergelijking met het diepere inwendige. Bij kleine satellieten, zoals CubeSats, bevinden bijna alle onderdelen zich relatief dicht bij het oppervlak.
• Kosmische straling: Deze neemt toe naarmate de hoogte van de satelliet toeneemt en de beschermende atmosfeer van de aarde dunner wordt. De effecten van deze onvermijdelijke straling zijn in sommige opzichten vergelijkbaar met de effecten van elektromagnetische interferentie (EMI). Hoewel de metalen behuizing van het ruimtevaartuig een zekere mate van bescherming zal bieden, kan het nodig zijn extra afscherming aan te brengen op printplaten of kabels die gevoelig zijn voor stralingseffecten.
• Flashover: Dit is een continue elektrische ontlading van hoge stroom van een geleider naar het dichtstbijzijnde metalen oppervlak. Flashover treedt op bij verschillende spanningswaarden, afhankelijk van de dichtheid van de luchtmoleculen, met het vacuüm van de ruimte als uiterste geval, zodat connectoren een spanningswaarde moeten hebben die geschikt is voor de hoogte.
• Fysieke overwegingen: De oriëntatie van de connector en de bijbehorende kabel is van cruciaal belang. Satellieten zijn uiteraard dicht opeengepakt, en de populaire maar piepkleine CubeSats tillen deze dichtheid naar een nieuw niveau (figuur 1). Een enkele CubeSat-eenheid (U) is gestandaardiseerd op 10 × 10 × 10 centimeter (cm), en een volledige CubeSat-satelliet kan 1U, 2U, 3U, 6U, of 12U groot zijn.

Afbeelding 1: Het populaire CubeSat-satellietontwerp is gebaseerd op een standaard klein moduleformaat dat stapelen in verschillende oplopende lengtes mogelijk maakt. (Bron afbeelding: Harwin)

Als de connector zo is ontworpen dat de kabels verticaal en loodrecht op de printplaat zijn gericht, kunnen de printplaten in de kubussat niet dicht bij elkaar worden geplaatst omdat de connector en de kabel dan zullen interfereren. Horizontale connectors en bijpassende kabelassemblages pakken dit probleem echter aan door de kabels vanaf de rand van de printplaat zijwaarts rond de stapelrand te leiden, waardoor de benodigde ruimte boven de printplaat wordt beperkt.

Eén maat past niet iedereen - en dat zal waarschijnlijk ook nooit gebeuren

De verschillende spanningen, stromen, frequenties en andere prestatie-eisen van de diverse interconnectiepaden betekenen dat een enkele connectorfamilie in veel situaties sterk onder- of overgespecificeerd zou zijn, en geen van beide omstandigheden is aanvaardbaar, zij het om verschillende redenen. Bovendien is er geen enkele "norm" die een connector met ruimtebeperking definieert. In plaats daarvan zijn er normen voor specifieke prestatiekenmerken, zoals uitgassing. De NASA Parts Selection List (NPSL) wordt gebruikt als leidraad voor de specificatie van onderdelen voor ruimtevaarttechnologieën, en onderdelen op deze gekwalificeerde onderdelenlijsten (QPL's) zijn specifiek voor ruimtevaarttoepassingen. In Europa dragen connectors voor ruimtevaarttoepassingen de ESA/ESCC-kwalificatie van de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA).

Een ontwerper die connectors kiest, moet een evenwicht zien te vinden tussen connectorclassificaties en missiekritiek. Een te hoge specificatie van connectors kan leiden tot ernstige kosten- en beschikbaarheids-/levertijdproblemen. Tegelijkertijd zou het betreurenswaardig en frustrerend zijn als een kubussat voortijdig zou mislukken als gevolg van inadequate of slecht begrepen verbindingsproblemen. Daarom is het belangrijk om een realistisch perspectief te bieden van projectvereisten versus connector- en kabelopties.

Veel beschikbare keuzes om aan de eisen te voldoen

Om ontwerpers in staat te stellen hun selecties optimaal af te stemmen op de eisen die aan de beschikbare ruimte worden gesteld, bieden leveranciers als Harwin meerdere connectorfamilies aan. Elke familie kent op haar beurt talrijke variaties in contacttype en -aantal, paringsopstelling, retentiemogelijkheden en andere kenmerken. Tot de relevante Harwin-connectorfamilies behoren:

• Het Mix-Tek Datamate-assortiment biedt een breed scala aan configuraties voor signaal-, voedings- en coaxiale connectors, zodat technici de connectoropstellingen kunnen kiezen die goed bij hun toepassingen passen (Afbeelding 2). De stroomcontacten zijn geschikt voor 20 ampère (A), de signaalcontacten voor 3 A en de coaxiale contacten voor 6 gigahertz (GHz) met een impedantie van 50 ohm (Ω).

Afbeelding 2: De Mix-Tek Datamate-serie ondersteunt combinaties van signaal (3 A), vermogen (20 A) en coaxiale connectoren (6 GHz). (Bron afbeelding: Harwin)

De hoge betrouwbaarheid is te danken aan het gebruik van gedraaide contacten in combinatie met Harwins viervingerige berylliumkoperen contactclips. Mix-Tek-connectors zijn verkrijgbaar in diverse draad- en printklare configuraties met maximaal 50 laagfrequente contacten of 12 speciale (coaxiale en power) contacten. De connectors, met een steek van 2 mm, kunnen worden gecombineerd met vrijwel elke combinatie van signaal-, stroom- en coaxiale contacten.

• De Kona 8,5 mm pitch connectorfamilie met hoge betrouwbaarheid biedt een hoogwaardige en krachtige verbinding voor veeleisende omgevingen (Afbeelding 3). Individueel afgeschermde contacten bereiken een continue stroom van 60 A bij 3.000 volt per contact, met een duurzaamheid van 250 paringscycli. Het zes-vingerige contactontwerp is van berylliumkoper en verguld om de elektrische continuïteit onder zware schokken en trillingen te handhaven, en is verkrijgbaar in een compacte eenrijige behuizing in kabel-naar-bord configuraties.

Afbeelding 3: De Kona-serie van 8,5 mm pitch connectors ondersteunen tot 60 A continue stroom en 3.000 volt per contact. (Bron afbeelding: Harwin)

• De M300 vermogensconnectors bieden een reeks vermogens met hoge betrouwbaarheid en prestaties, en realiseren een compacte vermogensaansluiting met maximaal 10 A per contact, en bieden zo een lichte, robuuste oplossing met een bewezen staat van dienst onder extreme omstandigheden (Afbeelding 4). De connectors zijn beschermd tegen trillingen en schokken met gemonteerde roestvrijstalen schroeven.

Afbeelding 4: De M300 vermogenconnectors bieden een compacte vermogenaansluiting tot 10 A per contact. (Afbeelding bron: Harwin)

Het beproefde viervingerige contactontwerp handhaaft de elektrische continuïteit ondanks sterke trillingen en schokken. Deze 3 mm pitch printplaatconnectors, krimpkabelschakelaars en kant-en-klare kabelassemblages zijn bestand tegen -65 °C tot +175 °C en zijn duurzaam voor 1.000 paringscycli.

CubeSat drijft een speciale familie aan

De Gecko-familie van connectors en kabelassemblages is ontworpen om te voldoen aan het relatief hoge volume en de minder strenge eisen met betrekking tot sommige dimensies voor CubeSat-toepassingen (Afbeelding 5). Deze connectoren bieden een laagprofiel kabel-naar-bord- en bord-naar-bord-verbindingsoplossing en zijn bijzonder geschikt voor stapelen en koppelen van kabels in gebieden waar PCB-ruimte kostbaar is.

Afbeelding 5: De Gecko-familie van laagprofiel connectors is beschikbaar in een brede waaier van stijlen, configuraties, en contactaantallen. (Bron afbeelding: Harwin)

Gecko-connectors zijn 1,25 mm pitch, zeer betrouwbare rechthoekige connectors, en worden geleverd als connectorbehuizingen met afzonderlijk te bestellen vervangbare contacten. De schakelaars gebruiken kabel-vat krimpcontacten, en behuizingen en zijn beschikbaar in mannelijke en vrouwelijke versies; verticale en horizontale door-gat pc-board staart schakelaars en verticale opbouwschakelaars zijn bedoeld voor kabel-naar-kabel, kabel-naar-bord, en bord-naar-bord interconnectie.

De Gecko-connectors zijn tot 45% kleiner en tot 75% lichter dan de bestaande industriestandaard equivalenten en Micro-D, met een typisch gewicht van ongeveer 1 gram (g). Zij worden aangeboden in drie varianten die niet onderling verwisselbaar zijn:

• Gecko-SL (Screw-Lok) connectorserie: Eén connector heeft zwevende schroeven voor een veilige, robuuste verbinding met zijn tegenhanger (Afbeelding 6). Schroefbouten kunnen ook op printplaten of panelen worden bevestigd om printplaten of behuizingen veilig te bevestigen. De contacten hebben een nominale stroom van 2,8 A per contact in isolatie en 2,0 A voor alle contacten tegelijk. Deze connectors worden aangeboden als horizontale connectoren en als bijpassende kabelassemblages voor het stapelen van printplaten met hoge dichtheid.

Afbeelding 6: De contacten van de Gecko-SL-serie hebben een nominale waarde van 2,8 A per afzonderlijk contact en 2,0 A voor alle contacten tegelijk. (Bron afbeelding: Harwin)

Bijvoorbeeld, de G125-3241696M2 is een 16-contact, paneelgemonteerde rechthoekige Gecko-SL connector met een pitch van 1,25 mm (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: De Gecko-SL G125-3241696M2 is een 16-contact, paneelgemonteerde rechthoekige Gecko-SL-connector met een pitch van 1,25 mm. (Bron afbeelding: Harwin)

• Gecko-MT (Mixed Technology): Deze connectors zijn mixed-layout versies van de Gecko-SL-serie (Afbeelding 8). Door de datacontacten aan te vullen met twee of vier 10 A-voedingscontacten in voedings-/dataconfiguraties van 1 + 8 + 1 of 2 + 8 + 2, maken de Gecko-MT-producten een aanzienlijke ruimte- en gewichtsbesparing in elektronische hardware mogelijk.

Afbeelding 8: De Gecko-MT is vergelijkbaar met de Gecko-SL serie, maar ondersteunt gemengde signaal- en stroomcontacten in één connectorbehuizing. (Bron afbeelding: Harwin)

Ze zijn verkrijgbaar in kabel- of door-gatconfiguraties, met dezelfde schroef-Lok bevestigingsvarianten als Gecko-SL connectoren, en in een verscheidenheid van signaal- (dubbele rij) en stroomcontactconfiguraties (enkele rij).

De G125-FV10805F1-1AB1ABP is een 10-positie Gecko-MT-connector met acht signaal- en twee stroomcontacten, waardoor één connector beide functies kan vervullen (Afbeelding 9).

Afbeelding 9: De G125-FV10805F1-1AB1ABP-connector van de Gecko-MT-serie bevat acht signaalcontacten en twee stroomcontacten. (Bron afbeelding: Harwin)

• Gecko Latch (origineel ontwerp): De mannelijke connectors van deze familie kunnen worden uitgerust met gemakkelijk los te maken vergrendelingen voor een veilige verbinding met de vrouwelijke tegenconnector (Afbeelding 10).

Afbeelding 10: De Gecko Latch-connectors bieden gemakkelijk te ontgrendelen vergrendelingen tussen mannelijke en vrouwelijke paren. (Bron afbeelding: Harwin)

De G125-FS12005LOR, een opbouwconnector met 20 posities, is een voorbeeld van het Gecko Latch-ontwerp (Afbeelding 11).

Afbeelding 11: De G125-FS12005L0R-connector voor opbouwmontage met 20 posities is een van de leden van de Gecko Latch-familie. (Bron afbeelding: Harwin)

De Gecko-SL- en Latch-serie bieden tussen 6 en 50 contacten in een configuratie met twee rijen. De behuizingen van de connectors zijn gepolariseerd om verkeerde combinaties te voorkomen en op de buitenkant van de behuizingen is contactnummer één vermeld.

Optionele metalen backshells die compatibel zijn met zowel Gecko-SL- als Gecko-MT-connectors zijn verkrijgbaar voor mechanische, radiofrequentie- (RF) en EMI-bescherming, zoals de G125-9702002 backshell (kap) voor 20-positie Gecko-SL-connectors (Afbeelding 12).

Afbeelding 12: Metalen backshells zoals deze G125-9702002 voor 20-pins Gecko-SL-connectors bieden gebruikers de mogelijkheid om hun Gecko-SL- en Gecko-MT-connectors te voorzien van een betere mechanische en EMI-bescherming. (Bron afbeelding: Harwin)

Door de backshells optioneel te maken, worden ontwerpen die een dergelijke bescherming niet vereisen, niet belast met het gewicht van een connector met een metalen behuizing. Voor extra flexibiliteit worden de backshells aan de printplaat bevestigd in plaats van aan de connector.

Vergeet de kabel en de montage niet

Het is gemakkelijk om tijd en energie te steken in de keuze van connectoren, maar dat is slechts een deel van het connectiviteitsverhaal, want de bekabeling die bij een connector hoort is net zo belangrijk. Onder de interconnectiekeuzes die worden bepaald door het signaaltype en de installatie zijn basisdraden, getwiste paren, afgeschermde draad en coaxiale kabels. Ontwerpers hebben vijf keuzes bij het verkrijgen van een kabelassemblage:

1. Doe-het-zelf (eigen fabricage)
2. Gebruik voorgesneden contacten en draden
3. Gebruik kant-en-klare kabelassemblages
4. Een volledige kabelassemblage op bestelling specificeren, die een variatie van standaardproducten is
5. Een volledig op maat gemaakte kabelassemblage specificeren, speciaal gemaakt voor de vereisten

Door het wijdverbreide gebruik van Gecko-connectors zijn veel van de benodigde kabelassemblages beschikbaar als standaard, kant-en-klare items, waardoor de doorlooptijd en onzekerheid worden verminderd. Bijvoorbeeld, de

G125-FC11205F0-0150F0 is een kabelassemblage met 12 posities, is 150 mm lang en is ontworpen voor rechthoekige socket-naar-socketinterconnecties (Afbeelding 13).

Afbeelding 13: De kabel en de totale assemblage vormen de complete interconnectie; deze G125-FC11205F0-0150F0 is een kabelassemblage met 12 posities en een lengte van 150 mm voor rechthoekige socket-naar-socketinterconnecties en is verkrijgbaar als een standaardonderdeel. (Bron afbeelding: Harwin)

Conclusie

Het is belangrijk te zoeken naar connectors die zo klein en licht mogelijk zijn voor de benodigde prestatiebeugel en niet te veel te specificeren waar strakkere cijfers of doelstellingen onnodig zijn.

Dit geldt met name voor de CubeSat-markt, aangezien deze miniatuursatellieten ontworpen zijn om meerdere keren te worden gestapeld in een raket waarbij zowel ruimte als gewicht van groot belang zijn.

Voor deze populaire, bijna "massamarkt"-satellieten stellen Gecko-connectors en kabelassemblages ontwerpers in staat om de realiteit van prestaties en kosten te beheersen, terwijl ze ernaar streven de meerdere, soms tegenstrijdige afwegingen bij de selectie van componenten in evenwicht te brengen.