Selezionare connettori di qualità spaziale per applicazioni satellitari LEO

Il settore satellitare è in rapida crescita, in particolare per quanto riguarda i satelliti in orbita terrestre bassa (LEO). Tuttavia, il difficile ambiente LEO presenta sfide significative per i progettisti. L'esposizione al vuoto, all'ossigeno atomico, a intense radiazioni ultraviolette (UV) e a fluttuazioni estreme di temperatura può portare al degassamento, al deterioramento dei materiali e a guasti dei connettori, che possono compromettere i sistemi mission-critical.

Per garantire il successo di una missione spaziale, i progettisti devono comprendere le sfide del funzionamento nello spazio e selezionare connettori provenienti da fonti affidabili che incorporino i materiali e le tecnologie avanzate necessarie per soddisfare le esigenze delle condizioni LEO.

Questo articolo esamina brevemente le sfide della progettazione per le applicazioni LEO e discute le strategie per mitigare gli effetti ambientali. Presenta quindi i connettori appropriati di Cinch Connectivity Solutions che possono aiutare a rispondere a queste sfide.

Le sfide ambientali in ambito LEO e il loro impatto sui connettori

I progettisti di satelliti LEO devono affrontare sfide ambientali particolari. Sebbene l'ambiente non sia così ostile come quello dello spazio profondo, i connettori di satelliti LEO e altri componenti devono resistere al degassamento, alle radiazioni e alla corrosione, alle temperature estreme, alle vibrazioni e agli urti.

1. Degassamento

Il degassamento descrive il rilascio di gas da materiali non metallici quando sono sottoposti a calore o a vuoto. È un grande problema negli ambienti LEO. Le materie plastiche sono ampiamente utilizzate nei connettori per le loro eccellenti proprietà isolanti e alcuni metalli utilizzati nei connettori possono contenere microscopiche bolle di gas intrappolate durante la produzione. Quando i connettori sono prodotti a livello del mare, queste bolle di gas non sono soggette alle forze applicate dalle differenze di pressione all'interno e all'esterno del materiale.

Tuttavia, nel vuoto dello spazio, i differenziali di pressione aumentano significativamente, liberando questi gas intrappolati. Il degassamento può portare a piccole cricche e fessurazioni che compromettono la resistenza meccanica del connettore (Figura 1).

Figura 1: Il degassamento porta a piccole cricche e fessurazioni che influiscono sulla resistenza meccanica di un connettore. (Immagine per gentile concessione di Cinch Connectivity Solutions)

Il degassamento può anche danneggiare i sensori, come le telecamere, formando uno strato di rivestimento. Può anche provocare cortocircuiti tra i connettori e i componenti, mettendo a rischio la missione.

Sebbene il vuoto dello spazio sia la causa principale del degassamento, altri fattori ambientali possono aumentarne la probabilità. Ad esempio, l'indebolimento dei polimeri causato dai raggi UV e l'esposizione all'ossigeno atomico facilitano la fuoriuscita dei gas intrappolati.

2. Esposizione a radiazioni e ossigeno atomico

L'esposizione costante alla radiazione UV solare può danneggiare i materiali plastici utilizzati nei connettori. Le radiazioni ionizzanti possono provocare l'accumulo di carica sui connettori, causando potenzialmente scariche elettrostatiche. L'ossigeno atomico, abbondante nell'ambiente LEO e formatosi quando le radiazioni UV reagiscono con l'ossigeno, è altamente reattivo e può erodere i materiali del connettore, in particolare i polimeri e alcuni metalli. Ad esempio, il politetrafluoroetilene (PTFE), un materiale isolante plastico comune nei connettori, reagisce quando viene esposto all'ossigeno atomico e ai raggi UV, causando usura. L'ossigeno atomico è particolarmente reattivo con l'argento, causandone l'ossidazione e incidendo sulla conduttività elettrica e sulla resistenza di contatto.

3. Fluttuazioni estreme di temperatura

I satelliti LEO subiscono oscillazioni di temperatura da +125 °C alla luce solare a -65 °C all'ombra della terra, con alcuni componenti esterni che potenzialmente possono affrontare temperature da -270 °C a +200 °C. Ciò porta al ciclaggio termico che sollecita e possono esacerbare piccole imperfezioni nei connettori. Le differenze nel coefficiente di dilatazione termica (CTE) tra i materiali dei connettori e i componenti associati possono causare un ciclaggio termico non uniforme, con conseguenti combinazioni incompatibili e potenziali guasti.

4. Vibrazioni e urti

Le vibrazioni intense durante il lancio possono compromettere l'integrità dei connettori. I movimenti da lato a lato (asse laterale) e in avanti e indietro (asse di spinta) possono causare disallineamenti o rotture nelle aree di contatto dei connettori. Gli urti generati al lancio quando il carico utile si separa dal veicolo di lancio possono allentare i connettori e creare punti di fatica.

Strategie di mitigazione degli effetti ambientali LEO

Per ridurre molti di questi rischi si consiglia la sigillatura ermetica, che protegge i componenti interni dal vuoto dello spazio e impedisce la fuoriuscita dei gas interni. Inoltre, impedisce all'aria, ai gas e all'umidità di penetrare nel gruppo.

Per garantire il successo di un progetto, esistono diversi standard rilevanti per le applicazioni spaziali:

• Il metodo di prova del degassamento ASTM E595 per i materiali in ambienti sottovuoto misura la perdita di massa totale (TML) e i materiali volatili condensabili raccolti (CVCM) rispettivamente a +125 °C e +25 °C. I criteri di accettazione tipici sono: TML ≤1,00%, CVCM ≤0,10%.
• Le istruzioni NASA EEE-INST-002 per la selezione, la schermatura, la qualificazione e il declassamento delle parti elettriche, elettroniche ed elettromeccaniche (EEE) stabiliscono i livelli di affidabilità delle parti EEE in base alle esigenze della missione.
• La norma NASA SSP 30426 stabilisce i requisiti per il controllo della contaminazione esterna della Stazione Spaziale Internazionale (ISS).
• La norma NASA SP-R-0022A definisce i requisiti di stabilità nel vuoto per i materiali polimerici.

I connettori devono essere scelti in base a questi standard per garantire che soddisfino i rigorosi requisiti delle missioni spaziali.

I livelli di preparazione tecnologica (TRL), sviluppati dalla NASA negli anni '70, forniscono un metodo standardizzato per stimare la maturità delle tecnologie su una scala che va da 1 (principi di base osservati e riferiti) a 9 (provati in volo). I TRL svolgono un ruolo cruciale nella selezione dei componenti spaziali per diversi motivi:

• Riduzione del rischio: i componenti di livello più elevato sono stati testati in ambienti rilevanti o in missioni spaziali reali.
• Gestione dei costi: l'utilizzo di componenti di livello superiore può ridurre i requisiti di sviluppo e collaudo.
• Monitoraggio dei progressi: il TRL consente di monitorare lo sviluppo della tecnologia dal concetto allo stato pronto per il volo, aiutando la pianificazione e il processo decisionale durante lo sviluppo del veicolo spaziale.
• Linguaggio comune: i TRL facilitano la discussione sulla maturità delle diverse tecnologie spaziali.
• Facilità di integrazione: i componenti di livello più elevato sono generalmente più facili da integrare nei sistemi esistenti, influenzando le decisioni di selezione.

Soluzioni di connessione per LEO

Per soddisfare i requisiti di progettazione delle applicazioni LEO, Cinch Connectivity Solutions offre il portafoglio di connettori Cinch Space Mission Solutions, progettato per rispondere alle sfide legate ai satelliti LEO, come i CubeSat e i NanoSat, che sottostando a vincoli rigorosi per dimensioni e peso.

Ponticelli di un connettore impilabile

I ponticelli di un connettore impilabile CIN::APSE di Cinch forniscono interconnessioni personalizzate senza saldature e ad alta densità per applicazioni quali connessioni scheda-scheda, circuito flessibile-scheda e componente-scheda nei satelliti LEO. Tra le caratteristiche chiave:

• connessioni complanari e ad angolo retto scheda-scheda per una maggiore flessibilità nella progettazione e nel layout dei satelliti;
• combinazione di RF, alimentazione, segnali e dati ad alta velocità in un contenitore di 1 mm;
• approvazione NASA a TRL 9, a indicare una comprovata affidabilità in volo;
• prestazioni comprovate in caso di urti meccanici, vibrazioni e condizioni termiche estreme.

Un esempio tipico è il modello 4631533093 (Figura 2). Questa scheda a circuiti stampati flessibile si comprime per unire un connettore impilabile montato su una scheda CS rigida.

Figura 2: Il ponticello del connettore impilabile flessibile 4631533093 collega schede CS rigide. (Immagine per gentile concessione di Cinch Connectivity Solutions)

4631533093 ha 25 conduttori, è lungo 76,2 mm, ha un passo di 0,63 mm e ha estremità esposte di 3,33 mm.

Connettori micro-D con schermatura spaziale

Per l'elettronica aviotrasportata miniaturizzata e le apparecchiature di elaborazione dati, e quando sono necessari percorsi di segnale più brevi nei progetti di satelliti compatti, Cinch offre i connettori micro-D Dura-Con con schermatura spaziale. Tra le caratteristiche degne di nota figurano i contatti maschi a torsione e prese lavorate per sette punti di contatto durevoli, la conformità a MIL-DTL-M83513 (specifica per i connettori micro-D), la nichelatura e i fili isolati in etilene tetrafluoroetilene (ETFE). Il connettore micro-D a 25 pin DCCM25SCBRPN-X2S ne è un buon esempio (Figura 3).

Figura 3: DCCM25SCBRPN-X2S è una presa micro-D a 25 pin con schermatura spaziale. (Immagine per gentile concessione di Cinch Connectivity Solutions)

Questa presa ha due file con un passo di 1,27 mm e una distanza tra le file di 1,09 mm. Ha una finitura dorata dei contatti, può gestire fino a 3 A e supera i requisiti di degassamento LEO di ≤1,0% TML e ≤0,1% CVCM.

Attenuatori

Gli attenuatori qualificati per lo spazio QPS di Cinch sono progettati specificamente per le applicazioni spaziali. Sono conformi agli standard di degassamento ASTM E595 e MIL-DTL-3993 e sono disponibili con valori standard di 1, 2, 3, 6, 10 e 20 dB. Sono inoltre disponibili con valori personalizzati da 0 a 20 dB. Un esempio tipico è il modello SQA-0182-01-SMA-02 (Figura 4). Questo attenuatore da 1 dB offre prestazioni da c.c. a 18 GHz, una capacità di gestione della potenza media di 2 W (500 W di picco) e un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -55 °C e +125 °C.

Figura 4: SQA-0182-01-SMA-02 è un attenuatore da 1 dB progettato specificamente per le missioni spaziali. (Immagine per gentile concessione di Cinch Connectivity Solutions)

Conclusione

I progettisti di missioni spaziali LEO hanno bisogno di connettori che funzionino in modo affidabile di fronte a sfide come il degassamento, la temperatura, i raggi UV e ionizzanti, le vibrazioni e gli urti. Affidandosi a fornitori comprovati come Cinch Connectivity Solutions, possono beneficiare di una gamma di soluzioni progettate secondo gli standard più elevati per le missioni spaziali, per garantire il successo di ogni progetto.