Niveaux de maturité technologique pour les composants qualifiés pour l'usage spatial

Le lancement d'un produit dans l'espace est plus complexe que la mise sur le marché d'un produit terrestre. Les composants spatiaux doivent être capables de résister aux défis de l'environnement spatial, de fonctionner de manière fiable pendant toute leur durée de vie prévue sans maintenance et de respecter les limites de poids et de taille de la phase de lancement.

Dans cet environnement, les concepteurs de produits se tournent vers des composants qualifiés pour l'espace (QPS) qui ont déjà été conçus, testés et approuvés pour une utilisation réussie dans les applications spatiales. Les composants QPS atteignent le niveau de maturité technologique (NMT) le plus élevé, tel que défini par la NASA (National Aeronautics and Space Administration).

Les niveaux NMT de 1 à 9 reflètent le parcours d'un produit, du concept jusqu'aux performances (Figure 1). Les niveaux NMT 1 à 3 se concentrent sur le développement d'une idée de base jusqu'à une démonstration de faisabilité illustrant le fonctionnement théorique du produit. Du niveau NMT 4 au niveau NMT 6, les composants sont soumis à des tests et simulations initiaux. Les niveaux NMT 7 et 8 concrétisent le concept avec le test en conditions réelles d'un prototype et la démonstration finale de la technologie.

Figure 1 : Les niveaux NMT de la NASA décrivent le parcours d'un produit spatial, du concept initial jusqu'aux performances éprouvées. Seul un composant avec un niveau NMT de 9 peut être considéré comme QPS lorsqu'il est fabriqué et testé conformément aux normes en vigueur. (Source de l'image : Cinch Connectivity Solutions)

Les produits qui atteignent un niveau NMT de 9 ont fait la preuve de leurs performances dans des applications spatiales réelles. Outre ce niveau NMT élevé, les composants doivent réussir des protocoles de tests spécifiques pour être considérés comme des QPS. Les normes régissant ces exigences varient selon le type de composant. Par exemple, les atténuateurs QPS doivent être testés selon la norme MIL-DTL-3933, niveau T, tandis que les connecteurs électroniques QPS sont régis par la norme EEE-INST-002 de la NASA.

Une bonne compréhension des défis spécifiques inhérents aux applications spatiales peut aider les concepteurs à sélectionner des QPS existants répondant à leurs exigences, à réduire la phase entre le concept et le déploiement, et à commercialiser le produit dans les délais et le budget impartis.

Surmonter le dégazage

La capacité à fonctionner dans le vide et à des températures extrêmes est l'un des principaux obstacles que les composants spatiaux doivent surmonter. Les vides en orbite terrestre moyenne (MEO), de 2000 km à 35 786 km de la Terre, où opèrent les satellites de système de positionnement mondial (GPS), se situent en moyenne entre 1 mTorr et 1 µTorr. Dans le même temps, les composants destinés à ces applications et à d'autres sont exposés à des températures atteignant -270°C à l'ombre et jusqu'à +121°C en plein soleil.

Lorsqu'ils sont exposés au vide et à la chaleur, les composants non métalliques peuvent subir un dégazage, un phénomène dans lequel les gaz emprisonnés à l'intérieur du matériau pendant la fabrication migrent vers la surface. Cette migration peut entraîner des fractures dans le matériau et le fragiliser. Les gaz libérés peuvent également se condenser et geler sur d'autres parties des composants, entraînant des dommages tels que des optiques floues et des capteurs encrassés.

La gravité du dégazage est mesurée par la masse totale perdue (TML) d'un composant lorsqu'il est exposé au vide et à la chaleur, exprimée en pourcentage de la masse d'origine. Les fabricants mesurent également le pourcentage de matières condensables volatiles collectées (CVCM), la quantité de matière dégazée qui se condense sur une surface plus froide. Les deux tests sont réalisés selon le protocole ASTM E595 dans lequel l'échantillon est maintenu à +125°C et à moins de 5 x 10^-5 Torr pendant 24 heures.

La plupart des composants électroniques doivent passer des tests de dégazage pour être désignés QPS car ils utilisent des matériaux d'isolation et de blindage non métalliques. C'est le cas des fiches et des prises micro-D vérifiées pour l'espace Cinch Dura-Con™ (Figure 2) de Cinch Connectivity Solutions. Les non-métaux présents dans les connecteurs Dura-Con, l'isolant thermodurci autour des broches et l'isolant des fils en éthylène-tétrafluoroéthylène (ETFE) perdent moins de 1 % de leur masse totale lors des tests et présentent moins de 0,01 % de CVCM.

Figure 2 : Les connecteurs Dura-Con utilisent des matériaux isolants à faible dégazage pour dépasser la norme EEE-INST-002 de la NASA relative à la sélection des connecteurs électroniques destinés aux applications LEO. (Source de l'image : Cinch Connectivity Solutions)

Ces connecteurs nickelés sont conformes à la norme MIL-DTL-83513 pour les connecteurs électriques rectangulaires microminiatures. Ils peuvent accepter de 9 à 100 positions de broches dans des empreintes de 19,68 mm à 54,86 mm de large et de 7,57 mm à 9,75 mm de haut.

Leur conception et leur faible niveau de dégazage les positionnent pour les applications en orbite terrestre basse (LEO) jusqu'à 2000 km d'altitude, conformément à la norme EEE-INST-002 de la NASA relative à la sélection des connecteurs électroniques. Le télescope spatial Hubble, la Station spatiale internationale et les constellations de microsatellites qui permettent les télécommunications mondiales gravitent dans cette zone.

La norme EEE-INST-002 reconnaît également trois niveaux de criticité pour les connecteurs électroniques. Les connecteurs de niveau 1 sont critiques pour la mission, les connecteurs de niveau 2 exigent une haute fiabilité et les connecteurs de niveau 3 sont répertoriés pour une fiabilité standard. Les connecteurs Dura-Con sont vérifiées au niveau 2.

Réduire les interférences dues aux rayonnements

Outre les risques liés au vide et aux températures extrêmes, les composants utilisés dans l'espace doivent également faire face à des niveaux de rayonnement plus élevés. Sans la protection de l'atmosphère terrestre, ces composants sont exposés au spectre complet des rayons ultraviolets (UV). Au-delà de l'orbite terrestre basse, les rayons gamma et autres rayonnements ionisants sont également préoccupants. Le rayonnement peut réduire la durée de vie des composants non métalliques et dégrader les signaux électromagnétiques avec des perturbations radioélectriques (RFI) et des interférences électromagnétiques (EMI).

Les connecteurs électriques qui combattent ce problème, comme les connecteurs électriques Trompeter QPS de Cinch Connectivity Solutions, sont dotés d'un blindage RFI et EMI robuste, leur permettant de répondre à la spécification de bus de données MIL-STD-1553B.

Ils sont également principalement constitués de métal, avec des contacts en cuprobéryllium plaqué or et un corps en nickel. Un matériau diélectrique en polytétrafluoroéthylène (PTFE) à faible dégazage atteint des valeurs TML inférieures à 1,0 % et CVCM inférieures à 0,10 %.

La série Trompeter, répertoriée pour l'espace, inclut des connecteurs miniatures dans deux styles de connexion. Les connecteurs TRB sont dotés d'un verrouillage à baïonnette (Figure 3), tandis que les connecteurs TRT présentent un verrouillage à filetage (Figure 4). Chaque type se décline en plusieurs modèles permettant la connexion via des traversées, à l'extrémité des câbles ou via des circuits imprimés.

Figure 3 : Les connecteurs à baïonnette miniatures répertoriés pour l'espace TRB offrent un excellent blindage RFI et EMI et un faible dégazage. (Source de l'image : Cinch Connectivity Solutions)

Figure 4 : Les connecteurs filetés miniatures répertoriés pour l'espace TRT peuvent être connectés via des traversées, à des câbles ou à des circuits imprimés. (Source de l'image : Cinch Connectivity Solutions)

Les connecteurs à baïonnette subminiatures TRS (Figure 5) et les connecteurs filetés subminiatures TTS (Figure 6) partagent la transmission robuste des signaux de leurs homologues plus grands. Leur format plus compact permet une utilisation plus efficace de l'espace limité disponible sur les satellites et autres véhicules orbitaux.

Les composants subminiatures répondent également à une autre difficulté de conception des applications spatiales : le coût de leur mise en orbite. En 2025, le coût du lancement d'un kilogramme de masse en orbite terrestre basse était de 3000 USD. Bien que ce coût soit inférieur de plus d'un ordre de grandeur aux 50 000 USD/kg de l'époque de la navette spatiale, il n'en demeure pas moins que le poids est un facteur important. Les connecteurs QPS subminiatures peuvent contribuer à réduire le poids et les coûts.

Figure 5 : Les connecteurs à baïonnette subminiatures répertoriés pour l'espace TRS réduisent le poids et le coût du lancement tout en maintenant d'excellentes performances de transmission des signaux. (Source de l'image : Cinch Connectivity Solutions)

Figure 6 : Les connecteurs filetés subminiatures répertoriés pour l'espace TTS utilisent des matériaux isolants à faible dégazage pour dépasser la norme EEE-INST-002 de la NASA pour la sélection des connecteurs électroniques destinés aux applications LEO. (Source de l'image : Cinch Connectivity Solutions)

Grâce à leur faible dégazage, à leur faible poids et à la transmission haute qualité des signaux, les connecteurs Trompeter sont utilisés dans les satellites de communication en orbite terrestre basse, les satellites GPS en orbite terrestre moyenne et sur Mars dans les rovers de la NASA.

Composants conçus pour le lancement et la durabilité

Les considérations de coût ne sont pas les seuls défis de conception liés au lancement de composants dans l'espace. Les composants doivent être capables de supporter l'accélération et les vibrations du lancement ainsi que les chocs thermiques, et de fonctionner aussi bien après ces chocs que sur un banc d'essai.

La norme MIL-DTL-3933 définit les exigences de qualification et de vérification pour les atténuateurs radio et hyperfréquences fixes, qui réduisent la puissance des signaux sans déformer leur forme d'onde. La norme fournit des conseils spécifiques, identifiés de niveau T.

Les atténuateurs QPS (Figure 7) sont testés et conformes aux exigences MIL-DTL-3933 niveau T, offrant des valeurs d'atténuation de 0 dB à 20 dB avec des précisions de ±0,3 dB à ±0,7 dB. Fabriqués en acier inoxydable et cuprobéryllium avec un diélectrique en PTFE et un joint en fluoroélastomère, ils respectent ou dépassent les exigences de dégazage.

Figure 7 : Les atténuateurs QPS réduisent la puissance des signaux radio ou hyperfréquences de 0 dB à 20 dB. Ils sont utilisés dans les satellites GPS et les missions interplanétaires. (Source de l'image : Cinch Connectivity Solutions)

Ces atténuateurs sont disponibles en trois niveaux de vérification qui reflètent l'application finale de l'atténuateur. Le niveau A vérifie les performances d'atténuation de tous les composants avant et après l'application de la puissance de crête, et s'applique aux applications hors vol. Le niveau B, qui correspond à la vérification minimale avant le vol spatial, ajoute à l'évaluation des facteurs de stress liés au lancement, tels que les chocs thermiques et la condition de vide, et est utilisé pour les composants des satellites entrant en orbite terrestre basse. Le niveau C ajoute des cycles thermiques et des vibrations au processus de vérification, et il est recommandé pour tous les composants destinés à un usage dans l'espace, y compris ceux destinés aux orbites géostationnaires (35 800 km de la Terre) et au-delà.

Conclusion

Les composants QPS qui ont atteint un niveau NMT de 9 grâce au succès de missions spatiales précédentes ont démontré une longue durée de vie opérationnelle sans maintenance, et ils peuvent résister aux températures extrêmes, aux chocs, aux vibrations, au vide et aux rayonnements. Les fabricants de composants QPS ont mis au point des protocoles de vérification qui garantissent que 100 % de leurs composants répertoriés pour l'espace sont capables de relever les défis posés par l'exploitation en orbite ou dans l'espace lointain, tant aujourd'hui que dans le futur.