Livelli di maturità tecnologica dei componenti qualificati per lo spazio

Lanciare un prodotto nello spazio è più complesso che immettere sul mercato un prodotto destinato al pianeta Terra. I componenti per lo spazio devono resistere alle sfide dell'ambiente spaziale, funzionare in modo affidabile per la durata prevista senza interventi di manutenzione e rispettare i limiti di peso e di dimensioni della fase di lancio.

In questo contesto, i progettisti di prodotti si rivolgono ai componenti qualificati per lo spazio (QPS) che sono già stati progettati, testati e verificati con successo per l'uso nelle applicazioni spaziali. I QPS hanno raggiunto il più alto livello di maturità tecnologica (TRL), definito dalla National Aeronautics and Space Administration (NASA).

I TRL, che vanno da 1 a 9, riflettono il percorso di un prodotto dalla fase concettuale al successo delle loro prestazioni (Figura 1). I TRL da 1 a 3 si concentrano su un'idea di base che viene sviluppata in un proof of concept che dimostra come l'elemento potrebbe funzionare in teoria. Dal TRL 4 al 6, i componenti vengono sottoposti a test e simulazioni iniziali. I TRL 7 e 8 portano il concetto a compimento con i test reali di un prototipo e la dimostrazione finale della tecnologia.

Figura 1: I TRL definiti dalla NASA indicano il percorso di un prodotto spaziale dalla sua concezione iniziale alle prestazioni comprovate. Solo un componente con un TRL di 9 può essere considerato un QPS quando è prodotto e testato secondo standard accettati. (Immagine per gentile concessione di Cinch Connectivity Solutions)

I prodotti che raggiungono un TRL di 9 hanno dimostrato prestazioni di successo in applicazioni spaziali reali. Oltre a raggiungere questo livello elevato di TRL, i componenti devono superare specifici regimi di prova per essere considerati QPS. Gli standard che controllano questi requisiti variano a seconda del tipo di componente. Ad esempio, gli attenuatori QPS devono essere testati secondo la norma MIL-DTL-3933, livello T, mentre i connettori elettronici QPS sono disciplinati dalla norma EEE-INST-002 della NASA.

La comprensione delle sfide specifiche insite nelle applicazioni spaziali può aiutare i progettisti a scegliere i QPS esistenti che soddisfano i loro requisiti, ad abbreviare il percorso tra la fase concettuale e l'implementazione e a portare il prodotto sul mercato nei tempi e nei budget previsti.

Superare il degassamento

La capacità di funzionare nel vuoto e a temperature estreme è uno dei maggiori ostacoli per i componenti spaziali. I vuoti in orbita terrestre media (MEO), da 2000 a 35.786 km dalla Terra, dove operano i satelliti del sistemi di posizionamento globale (GPS), sono in media compresi tra 1 mTorr e 1 µTorr. Allo stesso tempo, i componenti per queste e altre applicazioni sono sottoposti a temperature fino a -270 °C all'ombra e fino a +121 °C alla luce solare diretta.

Quando sono esposti al vuoto e al calore, i componenti non metallici possono subire il degassamento, un fenomeno in cui i gas intrappolati all'interno del materiale durante la produzione migrano verso la superficie. Questa migrazione può provocare fratture all'interno del materiale, che lo indeboliscono. I gas rilasciati possono anche condensare e congelare su altre parti dei componenti, causando danni come l'offuscamento delle lenti ottiche e l'incrostazione dei sensori.

La gravità del degassamento è misurata dalla massa totale persa (TML) da un componente quando sottoposto al vuoto e al calore, espressa come percentuale della massa originale. I produttori misurano anche la percentuale di materiali volatili condensabili raccolti (CVCM), cioè la quantità di sostanze degassate che si condensano su una superficie più fredda. Entrambi i test sono eseguiti ai sensi del protocollo ASTM E595, in cui il campione viene tenuto a +125 °C e a meno di 5 x 10^-5 Torr per 24 ore.

La maggior parte dei componenti elettronici deve superare i test di degassamento per essere designata QPS, poiché utilizza materiali isolanti e schermanti non metallici. Questo è il caso delle spine e delle prese micro-D schermate per lo spazio Cinch Dura-Con™ (Figura 2) di Cinch Connectivity Solutions. I non metalli nei connettori Dura-Con, l'isolante termoindurente intorno ai pin e l'isolamento del filo in etilene tetrafluoroetilene (ETFE) perdono meno dell'1% della loro massa totale durante i test e hanno meno di 0,01% CVCM.

Figura 2: I connettori Dura-Con utilizzano materiali isolanti a basso degassamento per superare lo standard EEE-INST-002 della NASA stabiliti per la selezione dei connettori elettronici in applicazioni LEO. (Immagine per gentile concessione di Cinch Connectivity Solutions)

Questi connettori nichelati sono conformi alla norma MIL-DTL-83513 per i connettori elettrici rettangolari microminiaturizzati e possono accettare da 9 a 100 posizioni di pin in ingombri da 19,7 a 54,9 mm di larghezza e da 7,57 a 9,75 mm di altezza.

Il design e il basso livello di degassamento li rendono adatti per applicazioni in orbita terrestre bassa (LEO), fino a 2000 km di altitudine, secondo lo standard EEE-INST-002 della NASA per la selezione dei connettori elettronici. In questa zona orbitano il telescopio spaziale Hubble, la Stazione Spaziale Internazionale e le costellazioni di microsatelliti che rendono possibili le telecomunicazioni globali.

Lo standard EEE-INST-002 riconosce anche tre livelli di criticità per i connettori elettronici. I connettori di livello 1 sono mission-critical, quelli di livello 2 richiedono un'elevata affidabilità e quelli di livello 3 sono classificati per un'affidabilità standard. I connettori Dura-Con sono schermati fino al livello 2.

Riduzione delle interferenze dalle radiazioni

Oltre ai rischi legati al vuoto e alle temperature estreme, i componenti nello spazio devono fare i conti anche con livelli di radiazione più elevati. Senza la protezione dell'atmosfera terrestre, questi componenti si scontrano con l'intero spettro delle radiazioni ultraviolette (UV). Oltre la LEO, anche i raggi gamma e altre radiazioni ionizzanti destano preoccupazione. Le radiazioni possono ridurre la durata dei componenti non metallici e possono deteriorare i segnali elettromagnetici con interferenze in radiofrequenza (RFI) e interferenze elettromagnetiche (EMI).

I connettori elettrici che contrastano questo problema, come i connettori elettrici QPS Trompeter di Cinch Connectivity Solutions, sono dotati di una robusta schermatura contro RFI ed EMI, che consente loro di soddisfare le specifiche del bus dati MIL-STD-1553B.

Sono inoltre realizzati principalmente in metallo, con contatti in rame-berillio dorato e corpo in nichel. Un materiale dielettrico in politetrafluoroetilene (PTFE) a basso degassamento raggiunge TML inferiori all'1,0% e CVCM inferiori allo 0,10%.

La serie Trompeter, classificata per lo spazio, comprende connettori miniaturizzati in due stili di connessione. I connettori TRB sono a baionetta (Figura 3), mentre i connettori TRT si innestano mediante un filetto avvitabile (Figura 4). Ciascun tipo è disponibile in diversi modelli per consentire il collegamento attraverso le basette, all'estremità dei cavi o tramite schede a circuiti stampati (PCB).

Figura 3: I connettori a baionetta miniaturizzati TRB per lo spazio hanno un'eccellente schermatura RFI ed EMI e un basso livello di degassamento. (Immagine per gentile concessione di Cinch Connectivity Solutions)

Figura 4: I connettori filettati miniaturizzati per lo spazio TRT possono essere collegati a paratie, cavi o PCB. (Immagine per gentile concessione di Cinch Connectivity Solutions)

I connettori a baionetta subminiaturizzati TRS (Figura 5) e i connettori filettati subminiaturizzati TTS (Figura 6) hanno la stessa robusta trasmissione del segnale delle loro controparti più grandi. Le loro piccole dimensioni consentono un uso più efficiente dello spazio limitato disponibile su satelliti e altri veicoli orbitali.

I componenti subminiaturizzati risolvono anche un'altra criticità di progettazione delle applicazioni spaziali: il costo del lancio in orbita. Nel 2025, il costo del lancio di un chilogrammo di massa in LEO era di USD 3.000. Sebbene questo sia un ordine di grandezza inferiore rispetto agli USD 50.000/kg dell'epoca dello Space Shuttle, è comunque un costo ingente. I connettori QPS subminiaturizzati possono contribuire a ridurre il peso e quindi a risparmiare sui costi.

Figura 5: I connettori a baionetta subminiaturizzati TRS per l'uso spaziale riducono il peso e il costo del lancio, mantenendo eccellenti prestazioni di trasmissione del segnale. (Immagine per gentile concessione di Cinch Connectivity Solutions)

Figura 6: I connettori filettati subminiaturizzati per lo spazio TTS utilizzano materiali isolanti a basso degassamento per superare lo standard EEE-INST-002 della NASA per la selezione dei connettori elettronici in applicazioni LEO. (Immagine per gentile concessione di Cinch Connectivity Solutions)

Il basso livello di degassamento, la leggerezza e l'alta qualità di trasmissione del segnale dei connettori Trompeter hanno portato al loro utilizzo nei satelliti di comunicazione in LEO, nei satelliti GPS in MEO e su Marte nei rover della NASA.

Componenti realizzati per il lancio e la durata

Le considerazioni sui costi non sono le uniche sfide progettuali legate al lancio dei componenti nello spazio. I componenti devono essere in grado di sopportare le accelerazioni e le vibrazioni del lancio, nonché gli shock termici, e di funzionare bene anche dopo averli superati, come dimostrato sul banco di prova.

Lo standard MIL-DTL-3933 stabilisce i requisiti di qualificazione e schermatura degli attenuatori fissi per radio e microonde, che riducono la potenza dei segnali senza distorcerne la forma d'onda. Lo standard fornisce una guida specifica, etichettata come livello T.

Gli attenuatori QPS (Figura 7) sono testati e soddisfano i requisiti MIL-DTL-3933 di livello T, offrendo valori di attenuazione da 0 dB a 20 dB con precisioni che vanno da ±0,3 dB a ±0,7 dB. Realizzati in acciaio inox e rame-berillio con un dielettrico in PTFE e una guarnizione fluoroelastomerica, soddisfano o superano i requisiti di degassamento.

Figura 7: Gli attenuatori QPS riducono la potenza dei segnali radio o a microonde da 0 dB a 20 dB. Sono stati utilizzati nei satelliti GPS e nelle missioni interplanetarie. (Immagine per gentile concessione di Cinch Connectivity Solutions)

Questi attenuatori sono disponibili in tre livelli di schermatura che riflettono l'applicazione finale dell'attenuatore. Il livello A verifica le prestazioni di attenuazione di tutti i componenti prima e dopo l'applicazione della potenza di picco e si rivolge alle non in volo. Il livello B, lo screening minimo prima del volo, aggiunge alla valutazione fattori di stress del lancio come lo shock termico e il condizionamento del vuoto ed è utilizzato per i componenti dei satelliti che entrano in LEO. Il livello C aggiunge al processo di screening il ciclaggio termico e le vibrazioni ed è raccomandato per tutti i componenti destinati allo spazio, compresi quelli diretti alle orbite geostazionarie (35.780 km dalla Terra) e oltre.

Conclusione

I componenti QPS che hanno raggiunto un TRL di 9 grazie al successo di precedenti missioni di volo spaziale hanno dimostrato una lunga durata operativa senza interventi di manutenzione e possono resistere a temperature estreme, urti, vibrazioni, vuoto e radiazioni. I produttori di QPS hanno sviluppato protocolli di screening che garantiscono che la totalità dei loro componenti spaziali sia all'altezza delle sfide poste dal funzionamento in orbita o nello spazio profondo, oggi e in futuro.