Auswahl von Steckverbindern und Verkabelungen für Raumfahrtanwendungen

In den letzten zehn Jahren haben sich Raumfahrzeuge in der Erdumlaufbahn zu wichtigen Industriezweigen mit Massenmarktanwendungen entwickelt. Dies hat dazu geführt, dass eine große Anzahl von Satelliten mit einer Vielzahl von Aufgaben in niedrigen, mittleren und geostationären Erdumlaufbahnen (LEO, MEO, GEO) eingesetzt wird. Unabhängig von ihrer Größe, ihrem Ursprung oder ihrer Mission haben alle diese Satelliten einen gemeinsamen Faktor in ihrer Stückliste: den Bedarf an vielen elektrischen Anschlüssen und Kabeln für Signale und Energie.

Diese haben zwar nicht den Glamour-Faktor der aktiven Bordelektronik oder der umfassenderen Satellitenmission, aber ihre Leistung, Zuverlässigkeit und Beständigkeit sind für die Entwicklung, den Einsatz und die Langlebigkeit von Satelliten unerlässlich. Daher ist die Auswahl und Anwendung geeigneter Verbindungselemente ein wichtiger Faktor für den Erfolg der Mission. Sie müssen grundlegende Funktionen bei minimaler Größe und geringem Gewicht bieten und gleichzeitig die einzigartigen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Robustheit erfüllen, die für den Start und Flug ins All erforderlich sind.

Glücklicherweise sind aufgrund des Bedarfs des 21. Jahrhunderts an einem relativ hohen Volumen an Verbindungen platztaugliche Steckverbinder und Kabel jetzt Standardkomponenten, die von Anbietern über Distributoren erhältlich sind - ein großer Unterschied zu noch vor ein oder zwei Jahrzehnten, als es sich um spezielle, oft kundenspezifische Produkte handelte.

Dieser Artikel befasst sich mit den Anforderungen an raumfahrttaugliche Steckverbinder und Kabel und deren geeigneter Auswahl. Anschließend werden reale Lösungen von Harwin vorgestellt, die zum Erfolg der Mission beitragen können.

Kabel- und Steckeranforderungen für den Weltraum

Einst war der Start von LEO-, MEO- und GEO-Satelliten in erster Linie eine Domäne der NASA mit esoterischen Raumfahrzeugen oder Kommunikations- und Navigationssatelliten, heute ist er fast schon Routine. Einige dieser Starts führen zum Aussetzen von einem Dutzend oder mehr Satelliten, einschließlich der kleinen, beliebten CubeSat-Einheiten, die von Universitäten, einigen Gymnasien und sogar wissenschaftlichen Amateurgruppen entwickelt wurden.

Der Weltraum ist jedoch eine raue Umgebung für elektronische Bauteile aller Art. Zu den möglichen Problembereichen gehören unterbrochene Verbindungen, Leistungen unterhalb der Spezifikation und sogar völlige Ausfälle. Diese Probleme beginnen bei den Startvibrationen und erstrecken sich über die Kälte und das Vakuum des Orbitalbetriebs und darüber hinaus.

Diese Probleme stellen viele Anforderungen an die Leistung von Steckverbindern und schränken die Konstruktion und Implementierung von Steckverbindern ein. Sie alle eint der weit gefasste Begriff der Zuverlässigkeitsprioritäten und die Unpraktikabilität oder Unmöglichkeit einer Reparatur oder eines Ersatzes während des Fluges. Neben Größe, Gewicht, Stößen und Vibrationen sind Ausgasungen, Restmagnetismus, extreme Temperaturen und Temperaturschwankungen, kosmische Strahlung, Überschläge und die Ausrichtung der Steckverbinder zu beachten:

• Gewicht und Größe (Volumen): Ein Raumfahrzeug und sein Satellit sind aus Gründen der Treibstoffeffizienz und der Tatsache, dass jeder Kubikzentimeter Volumen in einem volumenbeschränkten Raumfahrtdesign kostbar ist, in Bezug auf diese beiden Faktoren stark eingeschränkt.
• Beschleunigung, Vibration und Schock: Die harte Startphase führt zu Dutzenden von g über einen breiten Frequenzbereich. Aus diesem Grund werden bei platzsparenden Steckverbindern in der Regel Buchsenschrauben oder Verriegelungskonstruktionen verwendet, um eine sichere Verbindung zu gewährleisten.
• Ausgasung: Die Hitze- und Vakuumbedingungen im Weltraum erhöhen die Ausgasungsrate von Steckverbindern. Materialien wie Elastomere und Kunststoffe können flüchtige organische Verbindungen (VOC), die im Material gelöst, eingeschlossen, eingefroren oder absorbiert wurden, langsam als Gas oder Dampf abgeben. Selbst Epoxid- und andere Standardklebstoffe können diese VOCs freisetzen, so dass spezielle Klebstoffe erforderlich sind. VOCs können zu Verunreinigungen führen, die die Leistung missionskritischer Geräte ernsthaft beeinträchtigen können, indem sie empfindliche Instrumente und optische Oberflächen stören. Bei raumgeeigneten Steckverbindern werden die VOCs aus dem Material „ausgetrieben“, indem die Steckverbinder bei erhöhter Temperatur in einem vakuumversiegelten Ofen gebacken werden.
• Restmagnetismus: Dieser kann die Leistung nahegelegener Schaltkreise und Teilsysteme beeinträchtigen und zu irreführenden Messwerten von Präzisionssensoren führen. Um dies zu minimieren, müssen nach Möglichkeit nichtmagnetische Werkstoffe, wie z. B. Kupferlegierungen, verwendet werden.
• Temperaturbereich: Der erweiterte Bereich für weltraumtaugliche Steckverbinder liegt normalerweise bei -65⁰C bis +150⁰C. Aber auch thermische Wechselbeanspruchung ist bedenklich: Wiederholte Belastungen, die sich aus solchen Zyklen ergeben, können zu Mikrorissen und schließlich zu Ermüdungsbrüchen führen. Einige Satelliten sind so konstruiert, dass sie sich drehen, um ihre Durchschnittstemperatur zwischen den der Sonne zugewandten und den der Sonne abgewandten Seiten auszugleichen. Für größere Satelliten ist dies eine unzureichende Lösung, da die Oberfläche und der Untergrund im Vergleich zum tieferen Inneren immer noch erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt sein können. Bei kleinen Satelliten, wie z. B. CubeSats, befinden sich fast alle Komponenten relativ nah an der Oberfläche.
• Kosmische Strahlung: Diese nimmt zu, je höher der Satellit betrieben wird und je dünner die schützende Atmosphäre der Erde ist. Die Auswirkungen dieser unvermeidlichen Strahlung ähneln in gewisser Weise den Auswirkungen elektromagnetischer Störungen (EMI). Während das Metallgehäuse des Raumfahrzeugs einen gewissen Schutz bietet, kann es notwendig sein, Leiterplatten oder Kabel, die anfällig für Strahlungseinflüsse sind, zusätzlich abzuschirmen.
• Überschlag: Dies ist eine kontinuierliche elektrische Entladung mit hohem Strom von einem Leiter auf die nächstgelegene Metalloberfläche. Ein Überschlag tritt je nach Dichte der Luftmoleküle bei unterschiedlichen Spannungswerten auf, wobei das Vakuum im Weltraum den Extremfall darstellt. Daher müssen die Steckverbinder eine für die Höhe geeignete Spannung aufweisen.
• Physikalische Überlegungen: Die Ausrichtung des Steckers und seines Kabels ist entscheidend. Satelliten sind natürlich kompakt, und die beliebten, aber winzigen CubeSats heben diese Kompaktheit auf ein neues Niveau (Abbildung 1). Eine einzelne CubeSat-Einheit (U) ist standardisiert auf 10 × 10 × 10 Zentimeter (cm), und ein kompletter CubeSat-Satellit kann 1U, 2U, 3U, 6U oder 12U groß sein.

Abbildung 1: Das beliebte CubeSat-Satellitendesign basiert auf einem standardisierten kleinen Modulformat, das eine Stapelung in verschiedenen Längen ermöglicht. (Bildquelle: Harwin)

Wenn der Stecker so konstruiert ist, dass die Kabel senkrecht zur Platine ausgerichtet sind, können die Platinen im CubeSat nicht eng beieinander liegen, da sich Stecker und Kabel stören. Bei horizontalen Steckverbindern und entsprechenden Kabelkonfektionen wird dieses Problem jedoch dadurch gelöst, dass die Kabel von der Kante der Leiterplatte aus seitlich um die Stapelkante herumgeführt werden, wodurch der über der Leiterplatte erforderliche Freiraum verringert wird.

Es gibt kein universelles Design - und wird es wahrscheinlich auch nie geben

Die unterschiedlichen Spannungen, Ströme, Frequenzen und sonstigen Leistungsanforderungen der verschiedenen Verbindungswege bedeuten, dass eine einzige Steckverbinderfamilie in vielen Situationen stark unter- oder überspezifiziert wäre, und keiner dieser Zustände ist akzeptabel, wenn auch aus unterschiedlichen Gründen. Außerdem gibt es keinen einzigen „Standard“, der einen platzsparenden Steckverbinder definiert. Stattdessen gibt es Normen für bestimmte Leistungsmerkmale wie Ausgasung. Die NASA Parts Selection List (NPSL) dient als Leitfaden für die Spezifikation von Komponenten für Raumfahrttechnologien, und die Komponenten auf diesen Qualified Parts Lists (QPLs) sind spezifisch für Raumfahrtanwendungen. In Europa tragen weltraumtaugliche Steckverbinder die Qualifikation der Europäischen Weltraumorganisation (ESA/ESCC).

Ein Entwickler, der Steckverbinder auswählt, muss ein Gleichgewicht zwischen den Nennwerten der Steckverbinder und der Kritikalität des Einsatzes finden. Eine Überspezifikation von Steckverbindern kann zu ernsthaften Kosten- und Verfügbarkeits-/Lieferzeitproblemen führen. Gleichzeitig wäre es bedauerlich und frustrierend, wenn ein CubeSat aufgrund von unzureichenden oder schlecht verstandenen Verbindungsproblemen vorzeitig ausfallen würde. Daher ist es wichtig, eine realistische Perspektive der Projektanforderungen gegenüber den Stecker- und Kabeloptionen zu bieten.

Viele Auswahlmöglichkeiten entsprechend den Anforderungen

Um den Entwicklern die Möglichkeit zu geben, ihre Auswahl optimal auf die Platzanforderungen abzustimmen, bieten Anbieter wie Harwin mehrere Steckverbinderfamilien an. Jede Familie bietet wiederum mehrere Variationen in Bezug auf die Art und Anzahl der Kontakte, die Anordnung der Steckverbindungen, die Rückhalteoptionen und andere Merkmale. Zu den relevanten Harwin-Steckerfamilien gehören:

• Das Sortiment Mix-Tek Datamate bietet eine breite Palette von Konfigurationen für Signal-, Strom- und Koaxialsteckverbinder, so dass Ingenieure die für ihre Anwendungen geeigneten Steckverbinderanordnungen auswählen können (Abbildung 2). Die Kontakte für die Stromversorgung sind für bis zu 20 Ampere (A) ausgelegt, die Signalkontakte für 3 A, und die Koaxialkontakte bieten eine Leistung von 6 Gigahertz (GHz) mit einer Impedanz von 50 Ohm (Ω).

Abbildung 2: Die Serie Mix-Tek Datamate unterstützt Kombinationen von Signal- (3 A), Leistungs- (20 A) und Koaxialsteckern (6 GHz). (Bildquelle: Harwin)

Die hohe Zuverlässigkeit ist auf die Verwendung von gedrehten Kontakten in Verbindung mit Harwins Vier-Finger-Beryllium-Kupfer-Kontaktclips zurückzuführen. Mix-Tek-Steckverbinder sind in einer Vielzahl von Draht- und Board-Verbindungskonfigurationen mit maximal 50 Niederfrequenzkontakten oder 12 Spezialkontakten (Koaxial- und Stromkontakte) erhältlich. Die Steckverbinder mit einem Raster von 2 mm können mit nahezu jeder Kombination von Signal-, Leistungs- und Koaxialkontakten kombiniert werden.

• Die hochzuverlässige Steckverbinderfamilie Kona im Raster 8,5 mm bietet eine hochwertige und hochstromfähige Verbindung für anspruchsvolle Umgebungen (Abbildung 3). Einzeln ummantelte Kontakte erreichen 60 A Dauerstrom und 3000 V pro Kontakt bei einer Lebensdauer von 250 Steckzyklen. Das Sechs-Finger-Kontaktdesign besteht aus Berylliumkupfer und ist vergoldet, um die elektrische Kontinuität auch bei starken Stößen und Vibrationen aufrechtzuerhalten, und ist in einem kompakten einreihigen Gehäuse in Kabel-zu-Platine-Konfigurationen erhältlich.

Abbildung 3: Die Steckverbinder der Kona-Serie im Raster 8,5 mm unterstützen bis zu 60 A Dauerstrom und 3000 Volt pro Kontakt. (Bildquelle: Harwin)

• Die Leistungssteckverbinder M300 bieten eine Reihe von hochzuverlässigen und leistungsstarken Leistungswerten und ermöglichen eine kompakte Leistungsverbindung mit bis zu 10 A pro Kontakt, wodurch sie eine leichte, robuste Lösung darstellen, die sich unter extremen Bedingungen bewährt hat (Abbildung 4). Die Steckverbinder sind mit eingebauten Edelstahl-Spindelschrauben gegen Vibration und Schock geschützt.

Abbildung 4: Die Leistungssteckverbinder M300 bieten einen kompakten Stromanschluss mit bis zu 10 A pro Kontakt. (Bildquelle: Harwin)

Das bewährte Vier-Finger-Kontaktdesign gewährleistet die elektrische Kontinuität trotz starker Vibrationen und Stöße. Diese Leiterplattensteckverbinder im Raster 3 mm, Crimp-Kabelsteckverbinder und Kabelkonfektionen sind für Temperaturen von -65°C bis +175°C geeignet und für 1000 Steckzyklen ausgelegt.

Eine besondere Familie für CubeSat

Die Steckverbinder und Kabelkonfektionen der Gecko-Familie sind so konzipiert, dass sie den relativ hohen Stückzahlen und den weniger strengen Anforderungen in einigen Dimensionen für CubeSat-Anwendungen entsprechen (Abbildung 5). Diese Steckverbinder bieten eine flache Kabel-zu-Board- und Board-zu-Board-Verbindungslösung und eignen sich besonders gut für das Stapeln und Stecken von Kabeln in Bereichen, in denen der Platz auf der Leiterplatte begrenzt ist.

Abbildung 5: Die flachen Steckverbinder der Gecko-Familie sind in einer breiten Palette von Bauformen, Konfigurationen und Kontaktzahlen erhältlich. (Bildquelle: Harwin)

Gecko-Steckverbinder sind hochzuverlässige Rechtecksteckverbinder im Raster 1,25 mm und werden als Steckverbindergehäuse mit separat bestellbaren austauschbaren Kontakten geliefert. Die Steckverbinder verwenden Crimpkontakte und Gehäuse und sind als Stecker und Buchse erhältlich. Vertikale und horizontale Steckverbinder zur Durchkontaktierung für Leiterplatten und vertikale oberflächenmontierbare Steckverbinder sind für die Verbindung von Kabel zu Kabel, Kabel zu Board und Board zu Board vorgesehen.

Die Gecko-Steckverbinder sind bis zu 45 % kleiner und bis zu 75 % leichter als die bisherigen Industriestandard-Äquivalente und Micro-D, mit einem typischen Gewicht von etwa 1 Gramm (g). Sie werden in drei Varianten angeboten, die nicht untereinander steckbar sind:

• Steckverbinderserie Gecko-SL (Screw-Lok): Ein Steckverbinder hat schwimmend gelagerte Schrauben für eine sichere, robuste Verbindung mit seinem Gegenstück (Abbildung 6). Screw-Loks können auch mit Schrauben für die Platinen- oder Schalttafelmontage versehen werden, um eine sichere Befestigung der Leiterplatte oder des Gehäuses zu gewährleisten. Die Kontakte sind für 2,8 A pro Kontakt in Isolation und 2,0 A für alle Kontakte gleichzeitig ausgelegt. Diese Steckverbinder werden sowohl als horizontale Steckverbinder als auch als passende Kabelkonfektionen für das Stapeln von Leiterplatten mit hoher Packungsdichte angeboten.

Abbildung 6: Die Kontakte der Gecko-SL-Serie sind für 2,8 A pro Kontakt in Isolation und 2,0 A für alle Kontakte gleichzeitig ausgelegt. (Bildquelle: Harwin)

Der G125-3241696M2 ist beispielsweise ein rechteckiger Gecko-SL-Steckverbinder mit 16 Kontakten für die Panelmontage und einem Raster von 1,25 mm (Abbildung 7).

Abbildung 7: Der Gecko-SL G125-3241696M2 ist ein rechteckiger Gecko-SL-Steckverbinder mit 16 Kontakten und einem Raster von 1,25 mm für die Panelmontage. (Bildquelle: Harwin)

• Gecko-MT (Mixed Technology): Bei diesen Steckverbindern handelt es sich um Mischtechnik-Versionen der Gecko-SL-Serie (Abbildung 8). Durch die Ergänzung der Datenkontakte mit zwei oder vier 10A-Leistungskontakten in Leistungs-/Datenkonfigurationen von entweder 1 + 8 + 1 oder 2 + 8 + 2 ermöglichen die Gecko-MT-Produkte eine erhebliche Platz- und Gewichtsreduzierung in der elektronischen Hardware.

Abbildung 8: Der Gecko-MT ähnelt der Gecko-SL-Serie, unterstützt jedoch gemischte Signal- und Leistungskontakte in einem einzigen Steckverbindergehäuse. (Bildquelle: Harwin)

Sie sind in Kabel- oder durchkontaktierbaren Konfigurationen mit den gleichen Screw-Lok-Befestigungsvarianten wie Gecko-SL-Steckverbinder und in einer Vielzahl von Signal- (zweireihig) und Leistungskontaktkonfigurationen (einreihig) erhältlich.

Der G125-FV10805F1-1AB1ABP ist ein 10-poliger Gecko-MT-Buchsenverbinder mit acht Signal- und zwei Leistungskontakten, so dass ein einziger Steckverbinder beide Funktionen erfüllen kann (Abbildung 9).

Abbildung 9: Der Steckverbinder G125-FV10805F1-1AB1ABP der Gecko-MT-Serie verfügt über acht Signal- und zwei Leistungskontakte. (Bildquelle: Harwin)

• Gecko Latch (Originaldesign): Die Stecker dieser Familie können mit leicht zu lösenden Verriegelungsklammern ausgestattet werden, um eine sichere Verbindung mit den Buchsen herzustellen (Abbildung 10).

Abbildung 10: Die Gecko-Latch-Steckverbinder bieten einfach zu lösende Verriegelungen zwischen Steckern und Buchsen. (Bildquelle: Harwin)

Der G125-FS12005LOR, eine 20-polige, oberflächenmontierbare Steckbuchse, ist ein Beispiel für das Gecko-Latch-Design (Abbildung 11).

Abbildung 11: Die 20-polige, oberflächenmontierbare Steckbuchse G125-FS12005L0R ist ein Mitglied der Gecko-Latch-Familie. (Bildquelle: Harwin)

Die Serien Gecko-SL und Latch bieten zwischen 6 und 50 Kontakte in einer zweireihigen Konfiguration. Die Steckverbindergehäuse sind kodiert, um Fehlsteckungen zu vermeiden, und haben die Kontaktnummer eins auf der Außenseite des Gehäuses angegeben.

Optionale Metallrückwandgehäuse, die sowohl mit Gecko-SL- als auch mit Gecko-MT-Steckverbindern kompatibel sind, sind erhältlich, um mechanischen, Hochfrequenz- (RF) und EMI-Schutz zu bieten, wie z. B. das Endgehäuse G125-9702002 (Haube) für Gecko-SL-Steckverbinder mit 20 Positionen (Abbildung 12).

Abbildung 12: Metall-Endgehäuse wie dieses G125-9702002 für 20-polige Gecko-SL-Steckverbinder bieten Anwendern die Möglichkeit, ihre Gecko-SL- und Gecko-MT-Steckverbinder mit einem verbesserten mechanischen und EMI-Schutz zu versehen. (Bildquelle: Harwin)

Dadurch, dass die Endgehäuse optional sind, werden Konstruktionen, die einen solchen Schutz nicht benötigen, nicht mit dem Gewicht eines Steckers mit Metallgehäuse belastet. Für zusätzliche Flexibilität werden die Endgehäuse an der Leiterplatte und nicht am Steckverbinder befestigt.

Vergessen Sie nicht das Kabel und die Montage

Es ist einfach, Zeit und Energie auf die Auswahl von Steckverbindern zu verwenden, aber das ist nur ein Teil der Verbindung, da die mit einem Steckverbinder verbundene Verkabelung ebenso wichtig ist. Je nach Art des Signals und der Installation kann man zwischen einfachen Kabeln, verdrillten Paaren, abgeschirmten Kabeln und Koaxialkabeln wählen. Entwickler haben fünf Möglichkeiten, wenn es um die Beschaffung einer Kabelkonfektion geht:

1. Do-it-yourself (Eigenherstellung)
2. Verwendung vorgefertigter Kontakte und Drähte
3. Verwendung fertiger Kabelkonfektionen
4. Spezifizieren einer komplett kundenspezifischen Kabelkonfektion, die eine Variation von Standardprodukten ist
5. Spezifizieren einer vollständig maßgeschneiderten Kabelkonfektion, die speziell auf die Anforderungen zugeschnitten ist

Aufgrund der breiten Verwendung von Gecko-Steckverbindern sind viele der benötigten Kabelkonfektionen als vorgefertigte Standardartikel erhältlich, was die Vorlaufzeit und die Unsicherheit reduziert. Beispiel:

Die G125-FC11205F0-0150F0 ist eine 12-polige Kabelkonfektion mit einer Länge von 150 mm, die für rechteckige Buchse-zu-Buchse-Verbindungen ausgelegt ist (Abbildung 13).

Abbildung 13: Das Kabel und die Gesamtbaugruppe bilden die komplette Verbindung; dieses G125-FC11205F0-0150F0 ist eine 12-polige, 150 mm lange Kabelkonfektion für rechteckige Buchse-zu-Buchse-Verbindungen und ist als Standardkomponente erhältlich. (Bildquelle: Harwin)

Fazit

Es ist wichtig, nach Steckverbindern zu suchen, die für die benötigte Leistungsklasse so klein und leicht wie möglich sind, und nicht zu viel zu spezifizieren, wenn engere Zahlen oder Ziele nicht benötigt werden.

Dies gilt insbesondere für den CubeSat-Markt, da diese Miniatursatelliten für den Einsatz in einer Rakete konzipiert sind, bei der sowohl der Platz als auch das Gewicht eine große Rolle spielen.

Bei diesen beliebten Satelliten ermöglichen es die Steckverbinder und Kabelkonfektionen von Gecko den Entwicklern, die verschiedenen, manchmal widersprüchlichen Kompromisse bei der Auswahl der Komponenten in Bezug auf Leistung und Kosten in Einklang zu bringen.