Sélectionner des connecteurs de qualité spatiale pour les applications de satellites LEO

L'industrie des satellites connaît une croissance rapide, en particulier dans le domaine des satellites en orbite terrestre basse (LEO). Cependant, l'environnement LEO difficile présente des défis importants pour les concepteurs. L'exposition au vide, à l'oxygène atomique, au rayonnement ultraviolet (UV) intense et aux fluctuations extrêmes de température peut entraîner un dégazage, une dégradation des matériaux et une défaillance des connecteurs, compromettant potentiellement les systèmes critiques.

Pour garantir le succès de la mission, les concepteurs doivent comprendre les défis liés au fonctionnement dans l'espace et sélectionner des connecteurs provenant de sources fiables qui intègrent les matériaux et technologies avancés nécessaires pour répondre aux exigences des conditions LEO.

Cet article passe brièvement en revue les défis de conception pour les applications LEO et discute des stratégies visant à atténuer les effets environnementaux. Il présente ensuite des connecteurs adaptés de Cinch Connectivity Solutions pouvant aider à relever ces défis.

Les défis environnementaux en orbite terrestre basse et leurs impacts sur les connecteurs

Les concepteurs de satellites LEO sont confrontés à des défis environnementaux uniques. Bien que l'environnement ne soit pas aussi hostile que celui de l'espace lointain, les connecteurs et autres composants des satellites LEO doivent résister au dégazage, aux radiations et à la corrosion, aux températures extrêmes, aux vibrations et aux chocs.

1. Dégazage

Le dégazage désigne la libération de gaz depuis des matériaux non métalliques lorsqu'ils sont soumis à la chaleur ou au vide. Il s'agit d'un problème majeur dans les environnements LEO. Les plastiques sont largement utilisés dans les connecteurs pour leurs excellentes propriétés isolantes, et certains métaux utilisés dans les connecteurs peuvent contenir des bulles de gaz microscopiques piégées pendant la fabrication. Lorsque les connecteurs sont fabriqués au niveau de la mer, ces bulles de gaz ne sont pas soumises aux forces appliquées par les différences de pression à l'intérieur et à l'extérieur du matériau.

Cependant, dans le vide spatial, les différences de pression augmentent considérablement, libérant ces gaz piégés. Ce dégazage peut entraîner de petites fissures et craquelures qui affectent la résistance mécanique du connecteur (Figure 1).

Figure 1 : Le dégazage entraîne de petites fissures et craquelures qui affectent la résistance mécanique d'un connecteur. (Source de l'image : Cinch Connectivity Solutions)

Le dégazage peut également endommager les capteurs tels que les caméras en formant une couche de revêtement. Il peut même entraîner des courts-circuits entre les connecteurs et les composants, mettant en péril une mission.

Si le vide spatial est le principal facteur de dégazage, d'autres facteurs environnementaux peuvent augmenter sa probabilité. Par exemple, l'affaiblissement des polymères causé par les rayons UV et l'exposition à l'oxygène atomique favorisent l'échappement des gaz emprisonnés.

2. Exposition au rayonnement et à l'oxygène atomique

L'exposition constante aux rayons UV du soleil peut endommager les plastiques utilisés dans les connecteurs. Le rayonnement ionisant peut entraîner une accumulation de charges sur les connecteurs, provoquant potentiellement des décharges électrostatiques. L'oxygène atomique, abondant dans l'environnement LEO et formé lorsque le rayonnement UV réagit avec l'oxygène, est très réactif et peut éroder les matériaux des connecteurs, en particulier les polymères et certains métaux. Par exemple, le polytétrafluoroéthylène (PTFE), un matériau isolant en plastique fréquemment utilisé dans les connecteurs, réagit lorsqu'il est exposé à l'oxygène atomique et aux rayons UV, ce qui entraîne son usure. L'oxygène atomique est particulièrement réactif avec l'argent, entraînant une oxydation et affectant la conductivité électrique et la résistance de contact.

3. Fluctuations extrêmes de température

Les satellites LEO subissent des variations de température allant de +125°C à la lumière du soleil à -65°C dans l'ombre de la Terre, certains composants externes étant potentiellement confrontés à des températures s'étendant de -270°C à +200°C. Il en résulte des cycles thermiques qui sollicitent les connecteurs et peuvent exacerber les imperfections mineures d ces connecteurs. Les différences de coefficient de dilatation thermique (CTE) entre les matériaux des connecteurs et les composants associés peuvent entraîner des cycles thermiques inégaux, conduisant à des combinaisons incompatibles et à des défaillances potentielles.

4. Vibrations et chocs

Des vibrations intenses durant le lancement peuvent compromettre l'intégrité des connecteurs. Les mouvements latéraux (axe latéral) et avant-arrière (axe de poussée) peuvent entraîner un désalignement ou une rupture dans les zones de contact des connecteurs. Les chocs générés au lancement lorsque la charge utile se sépare du lanceur peuvent desserrer les connecteurs et créer des points de fatigue.

Stratégies d'atténuation des effets environnementaux LEO

Un scellement hermétique est recommandé pour atténuer la plupart de ces risques. Le scellement hermétique protège les composants internes du vide spatial et empêche les gaz internes de s'échapper. Il prévient également la pénétration d'air, de gaz et d'humidité dans l'assemblage.

Pour garantir le succès de la conception, il existe plusieurs normes applicables aux applications spatiales :

• La méthode d'essai de dégazage ASTM E595 pour les matériaux en environnements sous vide mesure la perte de masse totale (TML) et les matériaux condensables volatils collectés (CVCM) à +125°C et +25°C, respectivement. Les critères d'acceptation typiques sont : TML ≤ 1,00 %, CVCM ≤ 0,10 %.
• Les instructions NASA EEE-INST-002 pour la sélection, le contrôle, la qualification et le déclassement des composants électriques, électroniques et électromécaniques (EEE) établissent des niveaux de fiabilité pour les composants EEE en fonction des besoins de la mission.
• La spécification NASA SSP 30426 établit les exigences de contrôle de contamination externe de la Station spatiale internationale (ISS).
• La spécification NASA SP-R-0022A définit les exigences de stabilité sous vide pour les matériaux polymères.

Les connecteurs doivent être sélectionnés selon ces normes pour garantir qu'ils répondent aux exigences rigoureuses des missions spatiales.

Les niveaux TRL (Technology Readiness Levels), développés par la NASA dans les années 1970, fournissent une méthode standardisée pour estimer la maturité des technologies sur une échelle allant de 1 (principes de base observés et rapportés) à 9 (éprouvé en vol). Les TRL jouent un rôle crucial dans la sélection des composants spatiaux pour plusieurs raisons :

• Réduction des risques : Les composants à TRL élevé ont été éprouvés dans des environnements pertinents ou lors de missions spatiales réelles.
• Gestion des coûts : L'utilisation de composants à TRL élevé peut réduire les exigences de développement et de test.
• Suivi des avancées : Le TRL permet de suivre le développement technologique du concept à l'état opérationnel de vol, facilitant ainsi la planification et la prise de décision pendant le développement de l'engin spatial.
• Langage commun : Les TRL facilitent la discussion sur la maturité des différentes technologies spatiales.
• Facilité d'intégration : Les composants à TRL élevé sont généralement plus faciles à intégrer dans les systèmes existants, influençant ainsi les décisions de sélection.

Solutions de connecteurs pour orbite terrestre basse

Pour répondre aux exigences de conception des applications LEO, Cinch Connectivity Solutions propose son portefeuille de connecteurs Cinch Space Mission Solutions. Ces connecteurs sont conçus pour répondre aux défis liés aux satellites LEO tels que CubeSats et NanoSats, dont la taille et le poids sont strictement limités.

Cavaliers de connecteurs empilables

Les cavaliers de connecteurs empilables CIN::APSE de Cinch fournissent des interconnexions personnalisées haute densité sans soudure pour des applications telles que les connexions carte-à-carte, flex-à-carte et composant-à-carte dans les satellites LEO. Les fonctionnalités clés incluent :

• Connexions carte-à-carte coplanaires et à angle droit pour plus de flexibilité dans la conception et la configuration des satellites
• Combinaison de données haut débit, RF, d'alimentation, de signaux dans un boîtier de 1 millimètre (mm)
• Approbation NASA au niveau TRL 9, indiquant une fiabilité éprouvée en vol
• Performances éprouvées en cas de chocs mécaniques, de vibrations et de conditions thermiques extrêmes

Un exemple typique est le 4631533093 (Figure 2). Ce circuit imprimé flexible se comprime pour raccorder un connecteur empilable monté sur un circuit imprimé rigide.

Figure 2 : Cavalier de connecteur empilable flexible 4631533093 connectant les circuits imprimés rigides. (Source de l'image : Cinch Connectivity Solutions)

Le 4631533093 est doté de 25 conducteurs, mesure 76,20 mm de long, a un pas de 0,64 mm et des extrémités exposées mesurant 3,33 mm.

Connecteurs micro-D à blindage spatial

Pour l'électronique embarquée miniaturisée et les équipements de traitement des données, et lorsque des trajets de signaux plus courts sont nécessaires dans les conceptions de satellites compacts, Cinch propose les connecteurs micro-D Dura-Con à blindage spatial. Les caractéristiques clés incluent des contacts à broches torsadées et des douilles usinées pour sept points de contact durables, la conformité MIL-DTL-M83513 (spécifique aux connecteurs micro-D), un placage nickel et des fils isolés en éthylène-tétrafluoroéthylène (ETFE). La prise micro-D à 25 broches DCCM25SCBRPN-X2S est un bon exemple (Figure 3).

Figure 3 : Le DCCM25SCBRPN-X2S est une prise micro-D à 25 broches à blindage spatial. (Source de l'image : Cinch Connectivity Solutions)

Cette prise comporte deux rangées avec un pas de 1,27 mm et un espacement rangée-à-rangée de 1,09 mm. Elle a une finition de contact en or, peut supporter jusqu'à 3 ampères (A) et dépasse les exigences de dégazage LEO de ≤ 1,0 % TML et ≤ 0,1 % CVCM.

Atténuateurs

Les atténuateurs qualifiés pour un usage spatial (QPS) de Cinch sont spécifiquement conçus pour les applications spatiales. Ils répondent aux normes de dégazage ASTM E595 et MIL-DTL-3993 et présentent des valeurs standard de 1, 2, 3, 6, 10 et 20 décibels (dB). Des valeurs personnalisées de 0 à 20 dB sont disponibles. Un exemple typique est le SQA-0182-01-SMA-02 (Figure 4). Cet atténuateur de 1 dB offre des performances de CC à 18 gigahertz (GHz), une tenue en puissance moyenne de 2 W (500 W, crête) et une plage de températures de fonctionnement de -55°C à +125°C.

Figure 4 : Le SQA-0182-01-SMA-02 est un atténuateur de 1 dB spécialement conçu pour les missions spatiales. (Source de l'image : Cinch Connectivity Solutions)

Conclusion

Les concepteurs de missions spatiales LEO ont besoin de connecteurs fiables pour faire face à des défis tels que le dégazage, la température, le rayonnement UV et ionisant, les vibrations et les chocs. En s'appuyant sur les produits de fournisseurs éprouvés tels que Cinch Connectivity Solutions, ils peuvent bénéficier de solutions conçues selon les normes les plus strictes pour les missions spatiales afin de garantir le succès de la conception.