Come scegliere connettori e cablaggi per le applicazioni nello spazio

Nell'ultimo decennio, i veicoli spaziali in orbita terrestre sono diventati settori importanti con applicazioni di massa. Ciò ha portato al dispiegamento di un gran numero di satelliti che svolgono svariate missioni e che operano in orbite terrestri basse, medie e geostazionarie (LEO, MEO, GEO). Indipendentemente dalle dimensioni, dall'origine o dalla missione, tutti questi satelliti hanno un comun denominatore in distinta base: la necessità di molti connettori elettrici e cablaggi per i segnali e l'alimentazione.

Anche se non hanno il fascino dell'elettronica attiva di bordo o della più ampia missione satellitare, le loro prestazioni, l'affidabilità e la costanza sono fondamentali per la progettazione, il dispiegamento e la longevità del satellite. Di conseguenza, la scelta e l'applicazione di interconnessioni adeguate è un fattore importante per il successo della missione. Queste devono fornire le funzionalità di base riducendo al minimo le dimensioni e il peso e contemporaneamente devono soddisfare i requisiti di affidabilità e robustezza necessari per il lancio e il volo nello spazio.

Fortunatamente, grazie alla necessità del XXI secolo di un volume relativamente elevato di interconnessioni, i connettori e i cablaggi qualificati per lo spazio sono ora componenti standard disponibili presso vari fornitori e distributori, un cambiamento importante rispetto a uno o due decenni fa, quando erano articoli specializzati, spesso da ordinare su misura.

Questo articolo esamina i requisiti dei connettori e dei cavi qualificati per lo spazio e la loro scelta. Presenta quindi soluzioni di Harwin che possono contribuire al successo della missione.

Requisiti di cavi e dei connettori per lo spazio

Un tempo appannaggio soprattutto delle missioni della NASA con navicelle esoteriche o satelliti di comunicazione/navigazione, il lancio di satelliti LEO, MEO e GEO è diventato quasi un evento di routine. Alcuni di questi lanci portano al dispiegamento di una dozzina o più di satelliti, comprese le piccole e popolari unità CubeSat sviluppate dalle università, da alcune scuole superiori e persino da gruppi scientifici amatoriali.

Tuttavia, lo spazio è un ambiente difficile per i componenti elettronici di ogni tipo. Le aree potenzialmente problematiche includono connessioni intermittenti, prestazioni inferiori alle specifiche e persino guasti veri e propri. Questi problemi iniziano con le vibrazioni al lancio e si estendono al freddo e al vuoto dell'uso orbitale e oltre.

Questi problemi impongono molti requisiti alle prestazioni dei connettori e vincoli alla loro progettazione e implementazione. Sono tutti accomunati dalle priorità di affidabilità e dall'impraticabilità o impossibilità di riparazione o sostituzione in volo. Oltre a dimensioni, peso, urti e vibrazioni, altri problemi sono il degassamento, il magnetismo residuo, le temperature estreme e il ciclaggio termico, le radiazioni cosmiche, la scarica disruptiva e l'orientamento dei connettori:

• Peso e dimensioni (volume): un veicolo spaziale e il suo satellite sono fortemente limitati in entrambi questi aspetti per l'efficienza del carburante e per il fatto che ogni centimetro cubo di volume è prezioso in un progetto spaziale a volume limitato.
• Accelerazione, vibrazioni e urti: la dura fase di lancio comporta decine di g in un ampio campo di frequenze. Per questo motivo, i connettori per lo spazio di solito specificano le viti di arresto o i dispositivi di bloccaggio quando possibile per garantire una connessione sicura.
• Degassamento: le condizioni di calore e di vuoto dello spazio aumentano il tasso di degassamento dei connettori. Materiali come elastomeri e plastiche possono rilasciare lentamente, sotto forma di gas o vapore, composti organici volatili (COV) che sono stati disciolti, intrappolati, congelati o assorbiti nel materiale. Anche gli adesivi epossidici e altri adesivi di routine possono rilasciare questi COV, rendendo necessari adesivi speciali. I COV possono provocare la contaminazione e compromettere seriamente le prestazioni delle apparecchiature mission-critical, interferendo con strumenti delicati e superfici ottiche. Per un connettore classificato per lo spazio, i COV vengono "espulsi" dal materiale cuocendo i connettori a una temperatura elevata in un forno sigillato sotto vuoto.
• Magnetismo residuo: può interferire con le prestazioni dei circuiti e dei sottosistemi vicini, causando letture fuorvianti da parte dei sensori di precisione. Per ridurre al minimo questo problema può essere necessario utilizzare materiali non magnetici, come le leghe di rame.
• Intervallo di temperatura: l'intervallo esteso per i connettori adatti allo spazio è solitamente compreso tra -65 °C e +150 °C. Tuttavia, anche il ciclaggio termico costituisce un problema: le ripetute sollecitazioni che ne derivano possono indurre microcricche e causare fratture per fatica. Alcuni satelliti sono progettati per ruotare e uniformare la temperatura media tra i lati esposti al sole e quelli all'ombra. Si tratta di una soluzione inadeguata per i satelliti più grandi, poiché la superficie e la sottosuperficie possono essere soggette a ciclaggio termico significativo rispetto agli interni più profondi. Nei satelliti di piccole dimensioni, come i CubeSat, quasi tutti i componenti sono relativamente vicini alla superficie.
• Radiazioni cosmiche: aumentano con l'aumentare dell'altitudine operativa del satellite e con l'assottigliarsi dell'atmosfera protettiva della Terra. Gli effetti di questa radiazione inevitabile sono per certi versi simili a quelli dell'interferenza elettromagnetica (EMI). Mentre l'involucro metallico del veicolo spaziale fornirà un certo livello di protezione, potrebbe essere necessario includere una schermatura aggiuntiva sulle schede circuitali o sui cavi che sono suscettibili all'impatto delle radiazioni.
• Scarica disruptiva: si tratta di una scarica elettrica continua di corrente elevata da un conduttore alla superficie metallica più vicina. La scarica disruptiva si verifica a valori di tensione diversi a seconda della densità delle molecole d'aria, con il vuoto dello spazio come caso estremo, quindi i connettori devono avere una tensione nominale adatta all'altitudine.
• Considerazioni fisiche: l'orientamento del connettore e del relativo cavo è fondamentale. I satelliti sono ovviamente densamente popolati e i popolari ma minuscoli CubeSat stanno portando questa densità a nuovi livelli (Figura 1). Una singola unità CubeSat (U) è standardizzata a 10 × 10 × 10 cm, mentre un satellite CubeSat completo può avere dimensioni di 1U, 2U, 3U, 6U o 12U.

Figura 1: Il popolare progetto dei satelliti CubeSat si basa su un formato standard di piccoli moduli che consente l'impilamento in varie lunghezze incrementali. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

Se il connettore è progettato in modo che i cavi siano orientati verticalmente ad angolo retto rispetto alla scheda circuitale, le schede all'interno del CubeSat non possono essere collocate vicine, per via delle interferenze tra il connettore e il cavo. Tuttavia, i connettori orizzontali e i cavi assemblati di accoppiamento risolvono questo problema facendo passare i cavi dal bordo della scheda CS lateralmente intorno al bordo della pila, riducendo così lo spazio necessario sopra la scheda circuitale.

La taglia unica non va bene per tutti, e probabilmente sarà sempre così.

Le diverse tensioni, correnti, frequenze e altri requisiti prestazionali dei vari percorsi di interconnessione fanno sì che un'unica famiglia di connettori sia fortemente sotto o sovra specificata in molte situazioni, e nessuna di queste condizioni è accettabile, anche se per motivi diversi. Inoltre, non esiste un unico "standard" che definisca un connettore per lo spazio. Esistono invece standard per attributi prestazionali specifici, come il degassamento. La NASA Parts Selection List (NPSL) è utilizzata come guida per le specifiche dei componenti per le tecnologie spaziali e i componenti di questi elenchi di componenti qualificati (QPL) sono specifici per le applicazioni per lo spazio. In Europa, i connettori classificati per lo spazio sono qualificati dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA/ESCC).

Il progettista che sceglie i connettori deve trovare un equilibrio tra i valori nominali dei connettori e la criticità della missione. Una specificazione eccessiva dei connettori può comportare seri problemi di costo e di disponibilità/tempi di consegna. Allo stesso tempo, sarebbe spiacevole e frustrante se un CubeSat si guastasse prematuramente a causa di problemi legati a connettori inadeguati o inadatti. Pertanto, è importante fornire una prospettiva realistica dei requisiti del progetto rispetto alle opzioni di connettori e cavi.

Molte scelte disponibili per soddisfare ogni esigenza

Per consentire ai progettisti di adattare in modo ottimale le loro scelte ai requisiti di spazio, fornitori come Harwin offrono diverse famiglie di connettori. Ciascuna famiglia, a sua volta, presenta numerose variazioni nel tipo e nel numero di contatti, nella disposizione degli accoppiamenti, nelle opzioni di ritegno e in altre caratteristiche. Tra le famiglie rilevanti di connettori di Harwin vi sono:

• La gamma Mix-Tek Datamate offre svariate configurazioni per connettori di segnale, alimentazione e coassiali, che consente agli ingegneri di scegliere le disposizioni più adatte alle loro applicazioni (Figura 2). I contatti di potenza sono classificati fino a 20 A, quelli di segnale a 3 A e i contatti coassiali offrono prestazioni a 6 GHz con un'impedenza di 50 Ω.

Figura 2: La serie Mix-Tek Datamate supporta connettori combinati di segnale (3 A), alimentazione (20 A) e coassiale (6 GHz). (Immagine per gentile concessione di Harwin)

L'elevata affidabilità è dovuta all'uso di contatti torniti in combinazione con pinze di contatto in rame-berillio a quattro contatti lamellari di Harwin. I connettori Mix-Tek sono disponibili in una varietà di configurazioni predisposte per cavo e scheda, con un massimo di 50 contatti a bassa frequenza o 12 contatti speciali (coassiale e alimentazione). I connettori, con passo di 2 mm, possono essere abbinati con quasi tutte le combinazioni di contatti di segnale, alimentazione e coassiale.

• La famiglia di connettori ad alta affidabilità con passo di 8,5 mm Kona fornisce una connessione di alta qualità e ad alta corrente per gli ambienti più esigenti (Figura 3). I contatti rivestiti singolarmente raggiungono 60 A di corrente continua a 3.000 V per contatto con una durata nominale di 250 cicli di accoppiamento. Il design del contatto a 6 lamelle è rame-berillio e placcato in oro per mantenere la continuità elettrica in caso di forti urti e vibrazioni ed è disponibile in un contenitore compatto a fila singola in configurazioni cavo-scheda.

Figura 3: La serie Kona di connettori con passo di 8,5 mm supporta fino a 60 A di corrente continua e 3.000 V per contatto. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

• I connettori di alimentazione M300 offrono un intervallo di valori nominali ad alta affidabilità e prestazioni e realizzano una connessione compatta con un massimo di 10 A per contatto, fornendo così una soluzione leggera e robusta con una comprovata esperienza in condizioni estreme (Figura 4). I connettori proteggono da vibrazioni e urti con viti di arresto in acciaio inossidabile montate.

Figura 4: I connettori di alimentazione M300 forniscono una connessione di alimentazione compatta fino a 10 A per contatto. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

Il comprovato design dei contatti a quattro lamelle mantiene la continuità elettrica nonostante gli ambienti soggetti a forti urti e vibrazioni. Questi connettori per scheda CS con passo di 3 mm, connettori per cavi a crimpare e cavi assemblati pronti all'uso sono in grado di resistere a temperature da -65 a +175 °C e hanno una durata di 1.000 cicli di accoppiamento.

Il CubeSat guida una famiglia speciale

La famiglia di connettori e cavi Gecko è stata progettata per soddisfare il volume relativamente elevato e i requisiti meno severi di alcune dimensioni per le applicazioni CubeSat (Figura 5). Questi connettori sono una soluzione di interconnessione a profilo ribassato, cavo-scheda e scheda-scheda, e sono particolarmente adatti per l'impilamento e l'accoppiamento dei cavi in aree in cui la superficie della PCB è limitata.

Figura 5: La famiglia di connettori a profilo ribassato Gecko è disponibile in un'ampia gamma di stili, configurazioni e numero di contatti. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

I connettori Gecko sono connettori rettangolari ad alta affidabilità con passo di 1,25 mm e sono forniti come alloggiamenti con contatti sostituibili ordinabili separatamente. I connettori utilizzano contatti a crimpare cilindrici e alloggiamenti e sono disponibili nelle versioni maschio e femmina; i connettori verticali e orizzontali con foro passante per scheda CS e i connettori verticali a montaggio superficiale sono destinati all'interconnessione cavo-cavo, cavo-scheda e scheda-scheda.

I connettori Gecko sono fino al 45% più piccoli e fino al 75% più leggeri degli equivalenti esistenti standard del settore e dei modelli Micro-D, con un peso tipico di circa 1 grammo. Sono offerti in tre varianti non interscambiabili:

• Serie di connettori Gecko-SL (Screw-Lok): un connettore è dotato di viti flottanti per un'interconnessione sicura e robusta alla sua controparte (Figura 6). Possono anche essere dotati di perni per il montaggio su scheda o a pannello per la ritenzione sicura della scheda circuitale o dell'involucro. I contatti hanno una corrente nominale di 2,8 A per contatto in isolamento e di 2,0 A per tutti i contatti contemporaneamente. Questi connettori sono offerti sia come connettori orizzontali sia come cavi assemblati di accoppiamento per l'impilamento su schede ad alta densità.

Figura 6: I contatti serie Gecko-SL hanno una corrente nominale di 2,8 A per contatto in isolamento e di 2,0 A per tutti i contatti contemporaneamente. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

Ad esempio, G125-3241696M2 è un connettore Gecko-SL rettangolare a 16 contatti per il montaggio a pannello con passo di 1,25 mm (Figura 7).

Figura 7: Gecko-SL G125-3241696M2 è un connettore Gecko-SL rettangolare a 16 contatti per il montaggio a pannello con passo di 1,25 mm. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

• Gecko-MT (Mixed Technology): questi connettori sono versioni a layout misto della serie Gecko-SL (Figura 8). Integrando i contatti dati con due o quattro contatti di alimentazione da 10 A in configurazioni di alimentazione/dati di 1 + 8 + 1 o 2 + 8 + 2, i prodotti Gecko-MT consentono di ridurre notevolmente lo spazio e il peso dell'hardware elettronico.

Figura 8: Gecko-MT è simile alla serie Gecko-SL, ma supporta contatti misti di segnale e alimentazione in un unico alloggiamento. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

Sono disponibili in configurazioni a cavo o foro passante, con le stesse varianti di fissaggio Screw-Lok dei connettori Gecko-SL, e in una varietà di configurazioni di contatti di segnale (doppia fila) e di alimentazione (fila singola).

G125-FV10805F1-1AB1ABP è un connettore femmina Gecko-MT a 10 posizioni con otto contatti di segnale e due di alimentazione, che consentono a un singolo connettore di svolgere entrambe le funzioni (Figura 9).

Figura 9: Il connettore G125-FV10805F1-1AB1ABP della serie Gecko-MT presenta otto contatti di segnale e due di alimentazione. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

• Gecko Latch (design originale): I connettori maschio di questa famiglia possono essere dotati di chiusure di bloccaggio facili da sganciare per un'interconnessione sicura al connettore femmina di accoppiamento (Figura 10).

Figura 10: I connettori Gecko Latch offrono chiusure facili da sganciare tra coppie maschio e femmina. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

G125-FS12005LOR, un connettore a 20 posizioni a montaggio superficiale, è un esempio del design Gecko Latch (Figura 11).

Figura 11: Il connettore a 20 posizioni con montaggio superficiale G125-FS12005L0R fa parte della famiglia Gecko Latch. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

Le serie Gecko-SL e Latch offrono da 6 a 50 contatti in una configurazione su due file. Gli alloggiamenti dei connettori sono polarizzati per evitare errori di accoppiamento e hanno il numero del contatto 1 indicato all'esterno.

Sono disponibili gusci metallici opzionali compatibili con i connettori Gecko-SL e Gecko-MT per fornire protezione meccanica, a radiofrequenza (RF) ed EMI, come il guscio (cappellotto) G125-9702002 per connettori Gecko-SL a 20 posizioni (Figura 12).

Figura 12: I gusci metallici, come questo G125-9702002 per i connettori Gecko-SL a 20 pin, offrono la possibilità di aggiungere una maggiore protezione meccanica e contro le EMI ai connettori Gecko-SL e Gecko-MT. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

Rendendo opzionali i gusci posteriori, i progetti che non richiedono tale protezione non sono gravati dal peso di un connettore con involucro metallico. Per una maggiore flessibilità, i gusci si montano alla scheda circuitale anziché al connettore.

Non dimenticare il cavo e il gruppo

È facile dedicare tempo ed energie alla selezione dei connettori, ma questa è solo un risvolto della storia di connettività, poiché il cablaggio associato a un connettore è altrettanto importante. Tra le scelte di interconnessione dettate dal tipo di segnale e dall'installazione vi sono i cavi di base, i doppini intrecciati, i conduttori schermati e i cavi coassiali. I progettisti hanno cinque possibilità per creare un cavo assemblato:

1. Fai da te (produzione interna)
2. Utilizzare contatti e fili precrimpati
3. Utilizzare cavi assemblati già pronti
4. Specificare un cavo assemblato completo, realizzato su ordinazione, come variante di un prodotti standard.
5. Specificare un cavo assemblato completamente personalizzato e realizzato appositamente per i requisiti richiesti

Grazie all'ampio utilizzo dei connettori Gecko, molti dei cavi assemblati necessari sono disponibili come articoli standard e pronti per l'uso, riducendo così i tempi di consegna e le incertezze. Ad esempio,

G125-FC11205F0-0150F0 è un cavo assemblato a 12 posizioni, lungo 150 mm e progettato per interconnessioni rettangolari da presa a presa (Figura 13).

Figura 13: Il cavo e il gruppo completo costituiscono l'interconnessione completa; questo G125-FC11205F0-0150F0 è un cavo assemblato a 12 posizioni, lungo 150 mm, per interconnessioni rettangolari da presa a presa ed è disponibile come componente standard. (Immagine per gentile concessione di Harwin)

Conclusione

È importante cercare connettori che siano il più piccoli e leggeri possibile per le prestazioni richieste e non esagerare con le specifiche quando non è necessario centrare obiettivi più severi.

Ciò è particolarmente vero nel mercato dei CubeSat, in quanto questi satelliti miniaturizzati sono progettati per l'impilamento in un razzo, dove spazio e peso sono cruciali.

Per questi satelliti popolari, quasi "da mercato di massa", i connettori e i cavi assemblati Gecko consentono ai progettisti di gestire le realtà delle prestazioni e dei costi mentre cercano di valutare i molteplici compromessi, a volte contrastanti, nella scelta dei componenti.