Auswahl von weltraumtauglichen Steckverbindern für LEO-Satellitenanwendungen

Die Satellitenindustrie erlebt ein rasantes Wachstum, vor allem im Bereich der LEO-Satelliten (Low Earth Orbit = Niedrige Erdumlaufbahn). Die raue LEO-Umgebung stellt die Entwickler jedoch vor große Herausforderungen. Die Einwirkung von Vakuum, atomarem Sauerstoff, intensiver ultravioletter (UV) Strahlung und extremen Temperaturschwankungen kann zu Ausgasung, materieller Zersetzung und Verbindungsfehlern führen, wodurch möglicherweise missionskritische Systeme beeinträchtigt werden.

Um den Erfolg einer Mission zu gewährleisten, müssen die Herausforderungen des Weltraums verstanden und Steckverbinder aus zuverlässigen Quellen ausgewählt werden, die die fortschrittlichen Materialien und Technologien enthalten, die für die Anforderungen im LEO erforderlich sind.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Herausforderungen bei der Entwicklung von LEO-Anwendungen und erörtert Strategien zur Milderung der Umweltauswirkungen. Anschließend werden geeignete Steckverbinder von Cinch Connectivity Solutions vorgestellt, mit denen diese Herausforderungen bewältigt werden können.

Ökologische Herausforderungen im LEO und ihre Auswirkungen auf die Steckverbinder

Die Konstruktion von LEO-Satelliten ist mit einzigartigen Herausforderungen durch die Umgebungsbedingungen konfrontiert. Obwohl die Umgebung nicht so rau ist wie im tiefen Weltraum, müssen LEO-Satellitenstecker und andere Komponenten Ausgasungen, Strahlung und Korrosion, Temperaturextremen sowie Vibrationen und Stößen standhalten.

1. Ausgasung

Ausgasen beschreibt die Freisetzung von Gasen aus nichtmetallischen Materialien, wenn diese Hitze oder einem Vakuum ausgesetzt werden. In LEO-Umgebungen ist dies ein großes Problem. Kunststoffe werden wegen ihrer hervorragenden Isolationseigenschaften häufig in Steckverbindern verwendet, und einige Metalle, die in Steckverbindern verwendet werden, können mikroskopisch kleine Gasblasen enthalten, die bei der Herstellung eingeschlossen werden. Bei der Herstellung von Steckverbindern auf Meereshöhe sind diese Gasblasen nicht den Kräften ausgesetzt, die durch Druckunterschiede innerhalb und außerhalb des Materials entstehen.

Im Vakuum des Weltraums nehmen die Druckunterschiede jedoch erheblich zu, so dass diese eingeschlossenen Gase freigesetzt werden. Diese Ausgasung kann zu kleinen Rissen und Sprüngen führen, die die mechanische Festigkeit des Verbinders beeinträchtigen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ausgasung führt zu kleinen Rissen und Sprüngen, die die mechanische Festigkeit eines Steckverbinders beeinträchtigen. (Bildquelle: Cinch Connectivity Solutions)

Ausgasungen können auch Sensoren wie z. B. Kameras beschädigen, indem sie eine Deckschicht bilden. Es kann sogar zu Kurzschlüssen zwischen Steckverbindern und Bauteilen kommen, die einen Einsatz gefährden.

Das Vakuum im Weltraum ist zwar in erster Linie für die Ausgasung verantwortlich, aber auch andere Umweltfaktoren können die Wahrscheinlichkeit der Ausgasung erhöhen. Die Schwächung der Polymere durch UV-Strahlung und den Kontakt mit atomarem Sauerstoff erleichtert beispielsweise das Entweichen eingeschlossener Gase.

2. Strahlung und atomare Sauerstoffbelastung

Die ständige Einwirkung der UV-Strahlung der Sonne kann die in Steckverbindern verwendeten Kunststoffe beschädigen. Ionisierende Strahlung kann zu Ladungsansammlungen auf Steckern führen, die elektrostatische Entladungen verursachen können. Atomarer Sauerstoff, der in der LEO-Umgebung reichlich vorhanden ist und entsteht, wenn UV-Strahlung mit Sauerstoff reagiert, ist hochreaktiv und kann Verbindungsmaterialien, insbesondere Polymere und einige Metalle, erodieren. Polytetrafluorethylen (PTFE), ein in Steckverbindern häufig verwendetes Kunststoffisoliermaterial, reagiert beispielsweise, wenn es atomarem Sauerstoff und UV-Strahlung ausgesetzt wird, was zu Verschleiß führt. Atomarer Sauerstoff reagiert besonders stark mit Silber, was zu Oxidation führt und die elektrische Leitfähigkeit und den Kontaktwiderstand beeinträchtigt.

3. Extreme Temperaturschwankungen

LEO-Satelliten sind Temperaturschwankungen von +125°C im Sonnenlicht bis -65°C im Erdschatten ausgesetzt, wobei einige externe Komponenten Temperaturen von -270°C bis +200°C ausgesetzt sein können. Dies führt zu thermischen Wechselbelastungen, die kleinere Mängel an Steckverbindern verschlimmern können. Die Unterschiede im Wärmeausdehnungskoeffizienten (WAK) zwischen den Steckverbindermaterialien und den zugehörigen Komponenten können zu ungleichmäßigen Temperaturwechseln führen, was zu inkompatiblen Kombinationen und potenziellen Ausfällen führt.

4. Vibrationen und Stöße

Starke Vibrationen während des Starts können die Integrität des Steckers beeinträchtigen. Bewegungen von Seite zu Seite (Querachse) und von vorne nach hinten (Schubachse) können zu Ausrichtungsfehlern oder Brüchen in den Kontaktbereichen der Stecker führen. Stöße, die beim Start entstehen, wenn sich die Nutzlast von der Trägerrakete trennt, können Verbindungselemente lockern und Ermüdungserscheinungen hervorrufen.

Strategien zur Milderung der Auswirkungen der LEO-Umgebung

Eine hermetische Versiegelung wird empfohlen, um viele dieser Risiken zu vermindern. Die hermetische Versiegelung schützt die inneren Komponenten vor dem Vakuum des Weltraums und verhindert, dass innere Gase entweichen. Außerdem verhindert sie das Eindringen von Luft, Gas und Feuchtigkeit in die Baugruppe.

Um ein erfolgreiches Produkt zu gewährleisten, gibt es mehrere Normen, die für Raumfahrtanwendungen relevant sind:

• Die Ausgasungstestmethode ASTM E595 für Materialien in Vakuumumgebungen misst den Gesamtmassenverlust (TML) und die gesammelten flüchtigen kondensierbaren Materialien (CVCM) bei +125°C bzw. +25°C. Typische Akzeptanzkriterien sind: TML ≤ 1,00%, CVCM ≤ 0,10%.
• Die Anweisungen EEE-INST-002 der NASA für die Auswahl, Prüfung, Qualifizierung und Herabstufung elektrischer, elektronischer und elektromechanischer (EEE-) Teile legen Zuverlässigkeitsniveaus für EEE-Teile auf der Grundlage der Missionsanforderungen fest.
• SSP 30426 der NASA legt die Anforderungen an die externe Kontaminationskontrolle der Internationalen Raumstation (ISS) fest.
• SP-R-0022A der NASA definiert die Anforderungen an die Vakuumstabilität von polymeren Werkstoffen.

Steckverbinder sollten nach diesen Normen ausgewählt werden, um sicherzustellen, dass sie den strengen Anforderungen von Weltraummissionen genügen.

Die von der NASA in den 1970er Jahren entwickelten „Technology Readiness Levels“ (TRL) sind eine standardisierte Methode zur Einschätzung des Reifegrads von Technologien auf einer Skala von 1 (grundlegende Prinzipien beobachtet und berichtet) bis 9 (flugerprobt). Die TRLs spielen bei der Auswahl von Raumfahrtkomponenten aus mehreren Gründen eine entscheidende Rolle:

• Risikominderung: Komponenten mit höherem TRL-Wert haben sich in relevanten Umgebungen oder bei tatsächlichen Raumfahrtmissionen bewährt.
• Kostenmanagement: Die Verwendung von Komponenten mit höherem TRL kann den Entwicklungs- und Testaufwand verringern.
• Verfolgung des Fortschritts: TRL ermöglicht die Überwachung der Technologieentwicklung vom Konzept bis zur Flugreife und hilft bei der Planung und Entscheidungsfindung während der Entwicklung von Raumfahrzeugen.
• Gemeinsame Sprache: TRLs erleichtern die Diskussion über den Reifegrad verschiedener Raumfahrttechnologien.
• Leichte Integration: Komponenten mit höherem TRL-Wert lassen sich im Allgemeinen leichter in bestehende Systeme integrieren, was die Auswahlentscheidung beeinflusst.

Steckverbinderlösungen für LEO

Um den Designanforderungen von LEO-Anwendungen gerecht zu werden, bietet Cinch Connectivity Solutions sein Steckverbinderportfolio Cinch Space Mission Solutions an. Diese wurden entwickelt, um den Herausforderungen von LEO-Satelliten wie CubeSats und NanoSats gerecht zu werden, die in Bezug auf Größe und Gewicht stark eingeschränkt sind.

Stapelbare Steckverbinderbrücken

Die stapelbaren Steckverbinderbrücken CIN::APSE von Cinch bieten lötfreie, kundenspezifische Verbindungen mit hoher Dichte für Anwendungen wie Board-zu-Board-, Flex-zu-Board- und Komponente-zu-Board-Verbindungen in LEO-Satelliten. Die Hauptmerkmale umfassen:

• Koplanare und rechtwinklige Board-zu-Board-Verbindungen für mehr Flexibilität bei Satellitendesign und Layout,
• Kombination von HF-, Stromversorgungs-, Signal- und Highspeed-Datenverbindungen in einem 1-Millimeter-Gehäuse,
• NASA-Zulassung nach TRL 9, was auf flugerprobte Zuverlässigkeit hinweist
• und bewährte Performance bei extremen mechanischen Stößen, Vibrationen und thermischen Bedingungen.

Ein typisches Beispiel ist die 4631533093 (Abbildung 2). Diese flexible Leiterplatte wird komprimiert, um einen auf einer starren Leiterplatte montierten Stapelstecker zu verbinden.

Abbildung 2: Abgebildet ist die flexible Steckverbinderbrücke 4631533093, die starre Leiterplatten verbindet. (Bildquelle: Cinch Connectivity Solutions)

Die 4631533093 hat 25 Leiter, ist 3 Zoll lang, hat ein Rastermaß von 0,025 Zoll und freiliegende Enden von 0,131 Zoll länge.

Weltraumgeprüfte Micro-D-Steckverbinder

Für miniaturisierte Bordelektronik und Datenverarbeitungsgeräte sowie für kürzere Signalwege in kompakten Satellitenkonstruktionen bietet Cinch die weltraumgeprüften Micro-D-Steckverbinder Dura-Con an. Zu den bemerkenswerten Merkmalen gehören Twist-Pin-Kontakte und maschinell bearbeitete Buchsen für dauerhafte sieben Kontaktpunkte, Konformität mit MIL-DTL-M83513 (speziell für Mikro-D-Steckverbinder), Vernickelung und mit Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) isolierte Drähte. Die 25-polige Micro-D-Steckbuchse DCCM25SCBRPN-X2S ist ein gutes Beispiel (Abbildung 3).

Abbildung 3: Die DCCM25SCBRPN-X2S ist eine 25-polige, weltraumgeprüfte Micro-D-Steckbuchse. (Bildquelle: Cinch Connectivity Solutions)

Diese Steckbuchse hat zwei Kontaktreihen mit einem Raster von 0,050 Zoll und einem Reihenabstand von 0,043 Zoll. Sie hat eine Goldkontaktoberfläche, kann bis zu 3 Ampere (A) verarbeiten und übertrifft die LEO-Ausgasungsanforderungen von ≤ 1,0% TML und ≤ 0,1% CVCM.

Dämpfungsglieder

Die QPS-Dämpfungsglieder (QPS = Qualified Parts for Space = zugelassene Teile für die Raumfahrt) von Cinch sind speziell für Raumfahrtanwendungen konzipiert. Sie erfüllen die Ausgasungsnormen ASTM E595 und MIL-DTL-3993 und werden mit Standardwerten von 1, 2, 3, 6, 10 und 20 Dezibel (dB) geliefert. Maßgefertigte Werte von 0 bis 20 dB sind möglich. Ein typisches Beispiel ist das SQA-0182-01-SMA-02 (Abbildung 4). Dieses 1dB-Dämpfungsglied bietet eine Performance von DC bis 18 Gigahertz (GHz), eine durchschnittliche Belastbarkeit von 2 W (500 W, Spitze) und einen Betriebstemperaturbereich von -55°C bis +125°C.

Abbildung 4: Der SQA-0182-01-SMA-02 ist ein 1dB-Dämpfungsglied, das speziell für Weltraummissionen entwickelt wurde. (Bildquelle: Cinch Connectivity Solutions)

Fazit

Für LEO-Raumfahrtmissionen werden Steckverbinder benötigt, die auch bei Herausforderungen wie Ausgasung, Temperatur, UV- und ionisierender Strahlung sowie Vibrationen und Stößen zuverlässig funktionieren. Durch die Zusammenarbeit mit bewährten Lieferanten wie Cinch Connectivity Solutions können sie von einer Reihe von Lösungen profitieren, die nach den höchsten Standards für Weltraummissionen entwickelt wurden, um den Erfolg des Designs sicherzustellen.