Forstå valget av kontakter og kabler for romfartsutrustninger

I løpet av det siste tiåret har romfartøyer i bane rundt jorden blitt store industrier med massemarkedsoppsett. Dette har resultert i utplassering av et stort antall satellitter med et bredt utvalg av oppdrag som opererer i lave, middels og geostasjonære jordbaner (LEO, MEO, GEO). Uavhengig av størrelse, kilde eller oppdrag, har alle disse satellittene én felles faktor i behovet for produkter: behovet for mange elektriske kontakter og kabling for signal og strøm.

Selv om disse kanskje ikke har glamourfaktoren aktiv elektronikk om bord eller det bredere satellittoppdraget, er deres ytelse, pålitelighet og bestandighet avgjørende for satellittdesign, distribusjon og mållevetid (målsetting om levetid). Som et resultat av dette er valg og anvendelse av egnede sammenkoblinger en viktig faktor for om oppdrags lykkes. De må gi grunnleggende funksjonalitet samtidig som de minimerer størrelse og vekt, og samtidig må de oppfylle de unike pålitelighets- og robusthetsmandatene som kreves for oppskyting og flyging i verdensrommet.

Heldigvis, på grunn av den 21^st århundres behov for et relativt høyt volum av sammenkoblinger, plasskvalifiserte kontakter og kabling er nå standardkomponenter tilgjengelig fra leverandører via distributører, et stort skifte fra bare et tiår eller to siden da de var spesialiserte, ofte spesialbestillingsvarer.

Denne artikkelen ser på kravene til romfartskvalifiserte kontakter og kabler og deres passende valg. Den introduserer deretter virkelige løsninger fra Harwin som kan bidra til å sikre at oppdrags lykkes.

Krav til kabler og kontakter for romfart

En gang primært domenet for NASA-oppdrag med esoteriske romfartøyer eller kommunikasjons-/navigasjonssatellitter, har oppskytninger av LEO, MEO, Geo-satellitter blitt nesten rutinemessige hendelser. Noen av disse oppskytningene resulterer i utplassering av et dusin eller flere satellitter, inkludert de små, populære CubeSat-enhetene som er utviklet ved universiteter, noen videregående skoler og til og med amatørvitenskapelige grupper.

Verdensromet er imidlertid et tøft miljø for elektroniske komponenter av alle typer. Potensielle problemområder inkluderer periodiske tilkoblinger, ytelse på underspesifikasjoner, og til og med direkte feil. Disse problemene starter med oppskytningsvibrasjon og strekker seg gjennom kulde og vakuum fra banebruk og utover.

Disse problemene stiller mange krav til kontaktens ytelse samt begrensninger på kontaktens utforming og implementering. De er alle forenet av det brede begrepet pålitelighetsprioriteringer og det umulige i å reparere eller bytte ut underveis. I tillegg til størrelse, vekt, støt og vibrasjoner, inkluderer andre problemer utgassing, restmagnetisme, ekstreme temperaturer og termisk syklus, kosmisk stråling, overslag og koblingsorientering:

• Vekt og størrelse (volum): Et romkjøretøy og dets satellitt er sterkt begrenset i begge disse faktorene for drivstoffeffektivitet og det faktum at hver kubikkcentimeter volum er dyrebar i en volumbegrenset romfartsdesign.
• Akselerasjon, vibrasjon og støt: Den tøffe lanseringsfasen resulterer i titalls gs på tvers av et bredt spekter av frekvenser. Av denne grunn spesifiserer romfartsklassifiserte koblinger vanligvis låseskruer eller låsekonstruksjoner når det er mulig for å sikre en sikker tilkobling.
• Utgassing: Varme- og vakuumforholdene i rommet øker hastigheten på utgassing fra kontakter. Materialer som elastomerer og plast kan sakte frigjøre flyktige organiske forbindelser (VOC) som ble oppløst, fanget, frosset eller absorbert i materialet som en gass eller damp. Selv epoksy og andre rutinemessige lim kan frigjøre disse VOC-ene, noe som krever spesielle lim. VOC kan føre til forurensning som kan påvirke ytelsen til virksomhetskritisk utstyr alvorlig ved å forstyrre ømfintlige instrumenter og optiske overflater. For en romfartsklassifisert kontakt blir VOC-er «drevet ut» av materialet ved å bake kontaktene ved en forhøyet temperatur i en vakuumforseglet ovn.
• Restmagnetisme: Dette kan forstyrre ytelsen til nærliggende kretser og undersystemer, og forårsake misvisende avlesninger fra presisjonssensorer. Å minimere dette kan kreve bruk av ikke-magnetiske materialer der det er mulig, for eksempel kobberlegeringer.
• Temperaturområde: Det utvidede området for romfartsklassifiserte kontakter er vanligvis -65 ⁰C til +150 ⁰C. Imidlertid er termisk sykling også en bekymring: gjentatte påkjenninger som følge av slik sykling kan indusere mikrosprekker og til slutt utmattelsesbrudd. Noen satellitter er konstruerte for å rotere for å jevne ut gjennomsnittstemperaturen mellom solvendte og solskyggelagte sider. Dette er en utilstrekkelig løsning for større satellitter ettersom overflaten og undergrunnen fortsatt kan være utsatt for betydelig termisk syklus sammenlignet med dens dypere innside. I små satellitter, for eksempel CubeSats, er nesten alle komponenter relativt nær overflaten.
• Kosmisk stråling: Dette øker når operasjonshøyden til satellitten går høyere og jordens beskyttende atmosfære tynnes ut. Effektene av denne uunngåelige strålingen ligner på noen måter på effektene av elektromagnetisk interferens (EMI). Selv om metallkabinettet på romfartøyet vil gi et visst beskyttelsesnivå, kan det være nødvendig å inkludere ytterligere skjerming på kretskort eller kabler som er mottakelige for stråling.
• Overslag: Dette er en kontinuerlig elektrisk utladning av høy strøm fra en leder til nærmeste metalloverflate. Overslag vil oppstå ved forskjellige spenningsverdier avhengig av tettheten av luftmolekylene med vakuumet i verdensrommet som det ekstreme tilfellet, så kontakter må ha en spenning som er egnet for høyden.
• Fysiske faktorer: Orienteringen av kontakten og kabelen er avgjørende. Satellitter er tydeligvis tettpakket, og de populære, men bittesmå CubeSats tar denne tettheten til et nytt nivå (figur 1). En enkelt CubeSat-enhet (U) er standardisert til 10 × 10 × 10 cm, og en komplett CubeSat-satellitt kan være 1U, 2U, 3U, 6U eller 12U i størrelse.

Figur 1: Den populære CubeSat-satellittdesignen er basert på et standard lite modulformat som tillater stabling i ulike trinnvise lengder. (Bildekilde: Harwin)

Hvis kontakten er utformet slik at kablene er orientert vertikalt i rett vinkel til kretskortet, kan kortene i CubeSat ikke være tett plassert, da kontakten og kabelen vil forstyrre. Men horisontale koblinger og paringskabelenheter løser dette problemet ved å føre kablene fra kanten av kretskortet (PCB-et) sidelengs rundt stabelkanten, og dermed redusere klaringen som trengs over kretskortet.

En størrelse passer ikke til alle – og det vil det sannsynligvis aldri heller gjøre.

De forskjellige spenningene, strømmene, frekvensene og andre ytelseskravene til de forskjellige forbindelsesbanene betyr at en enkelt kontaktfamilie vil være alvorlig underspesifisert eller overspesifisert i mange situasjoner, og ingen av disse forholdene er akseptable, uansett grunn. Det finnes heller ingen enkelt «standard» som definerer en romfartsklassifisert kontakt. I stedet er det standarder for spesifikke ytelsesegenskaper som utgassing. NASA Parts Selection List (NPSL) brukes som en veiledning for spesifikasjon av komponenter for romfartsteknologi, og komponenter på disse kvalifiserte delelistene (QPL) er spesifikke for romfartsutrustninger. I Europa har kontakter av romfartskvalitet kvalifisering fra Den europeiske romfartsorganisasjon (ESA/ESCC).

En konstruktør som velger koblinger, må finne en balanse mellom koblingsklassifiseringer og oppdragets kritikalitet. Over spesifisering av kontakter kan føre til alvorlige problemer med kostnader og tilgjengelighet/leveringstid. Samtidig ville det være uheldig og frustrerende om en CubeSat mislyktes for tidlig på grunn av utilstrekkelige eller dårlig forståtte tilkoblingsproblemer. Derfor er det viktig å gi et realistisk perspektiv på prosjektkrav kontra koblings- og kabelalternativer.

Mange tilgjengelige valg for å matche kravene

For å gi utviklere mulighet til å skreddersy valgene sine optimalt i forhold til mandater med plassvurdering, tilbyr leverandører som Harwin flere koblingsfamilier. Hver familie har i sin tur flere variasjoner i pinnetype og antall, paringsoppsett, fastholdelsesalternativer og andre funksjoner. Blant de aktuelle Harwin-kontaktfamiliene er:

• Mix-Tek Datamate-serien tilbyr et bredt spekter av konfigurasjoner for signal-, strøm- og koaksialkontakter, slik at ingeniører kan velge koblingsarrangementene som er godt tilpasset deres bruksområder (figur 2). Strømkontakter er klassifisert til opptil 20 ampere (A), signalpinner håndterer 3 A, og koaksiale pinner gir 6 gigahertz (GHz) ytelse med en 50 ohms (Ω) impedans.

Figur 2: Mix-Tek Datamate-serien støtter kombinasjoner av signal (3 A), strøm (20 A) og koaksialkontakter (6 GHz). (Bildekilde: Harwin)

Den høye påliteligheten skyldes bruk av dreide pinner i forbindelse med Harwins firepinners beryllium-kobberkontaktklemmer. Mix-Tek-kontakter er tilgjengelige i en rekke konfigurasjoner som er bruksklare med ledning og kort, med maksimalt 50 lavfrekvente pinner eller 12 spesialpinner (koaksiale og strøm). Pinnene, med 2 mm lederavstand, kan blandes og matches med nesten enhver kombinasjon av signal, strøm og koaksialkontakter.

• Den høypålitelige Kona-kontaktfamilien med 8,5 mm lederavstand, gir en høykvalitets og høystrømstilkobling for krevende miljøer (figur 3). Individuelt innkapslede pinner oppnår 60 A kontinuerlig strøm ved 3000 volt per pinn. Disse har en holdbarhet på 250 parringssykluser. Den sekspinnede kontaktdesignen er beryllium-kobber og gullbelagt for å opprettholde elektrisk kontinuitet under kraftig støt og vibrasjon, de er tilgjengelig i en kompakt kapsling med én rad i kabel-til-brett-konfigurasjoner.

Figur 3: Kona-kontaktfamilien med 8,5 mm lederavstand støtter opptil 60 A kontinuerlig strøm og 3 000 volt per pinne. (Bildekilde: Harwin)

• M300-strømkontaktene tilbyr en rekke høye klassifiseringer for høy pålitelighets og høy effektklassifisering, og oppnår en kompakt strømtilkobling med opptil 10 A per pinne. Denne tilbyr dermed en lett, robust løsning med en bevist funksjon under ekstreme forhold (figur 4). Kontaktene beskytter mot vibrasjon og støt, samt at de er utstyrt med rustfrie skruer.

Figur 4: M300-strømkontaktene gir en kompakt strømtilkobling med opptil 10 A per pinne. (Bildekilde: Harwin)

Den velprøvde firepinners-kontaktdesignen opprettholder elektrisk kontinuitet til tross for høy vibrasjon og støtmiljøer. Disse kretskortkontaktene med 3 mm lederavstand for krymping og ferdige kabelmoduler som er i stand til å motstå -65 °C til +175 °C med holdbarhet på 1000 parringssykluser.

CubeSat driver en spesiell familie

Gecko-familien med kontakter og kabelenheter er designet for å matche de relativt høye volum- og mindre strenge kravene langs noen dimensjoner for CubeSat-utrustninger (figur 5). Disse kontaktene gir en lavprofil samkjøringsløsning, kabel-til-kort og kort-til-kort, og er spesielt godt egnet for stabling og kabelparring i områder der det er lite med plass på kretskort.

Figur 5: Gecko-familien av lavprofilkontakter er tilgjengelige i et bredt spekter av stiler, konfigurasjoner og pinneantall. (Bildekilde: Harwin)

Gecko-stikk er rektangulære kontakter med 1,25 mm lederavstand og høy pålitelighet, de leveres som kontakthus med separat bestilte utskiftbare kontaktpinner. Kontaktene bruker rundstift-krympekontakter (kabelsko) tilgjengelige i hann og hunn-versjoner; vertikale og horisontale gjennomgående halekontakter for kretskort, samt vertikale overflatemonteringskontakter som er beregnet for sammenkobling kabel-til-kabel, kabel-til-kort og kort-til-kort.

Gecko-kontaktene er opptil 45 % mindre og opptil 75 % lettere enn motsvarende eksisterende industristandard-kontakter og Micro-D, med en typisk vekt på omtrent 1 gram (g). De tilbys i tre varianter som ikke kan brukes sammen:

• Gecko-SL-kontaktserie (Screw-Lok): Én kontakt har flytende skruer for sikker, robust sammenkobling med sin motpart (figur 6). Screw-Lok kan også ha tavle- eller panelmonteringsbolter for sikker festing til kretskort eller kabinett. Pinnene er klassifisert til 2,8 A per kontakt isolert og 2,0 A for alle kontakter samtidig. Disse kontaktene tilbys som både horisontale koblinger og paringskabelenheter for stabling av brett med høy tetthet.

Figur 6: Kontaktene til Gecko-SL-serien er vurdert til 2,8 A per kontakt, isolert og 2,0 A for alle kontakter samtidig. (Bildekilde: Harwin)

G125-3241696M2 er f.eks. En panelmontert rektangulær Gecko-SL-kontakt med 16 ledere med 1,25 mm lederavstand (figur 7).

Figur 7: Gecko-SL G125-3241696M2 er en panelmontert rektangulær Gecko-SL-kontakt med 16 ledere med 1,25 mm lederavstand. (Bildekilde: Harwin)

• Gecko-MT (blandet teknologi): Disse kontaktene er blandet oppsett-versjoner av Gecko-SL-serien (figur 8). Ved å supplere datakontaktene med to eller fire strømkontakter for 10 A i strøm-/datakonfigurasjoner av enten 1 + 8 + 1 eller 2 + 8 + 2, muliggjør Gecko-MT-produktene at elektronisk maskinvare kan få betydelige reduksjoner både i plassforbruk og vekt.

Figur 8: Gecko-MT ligner på Gecko-SL-serien, men støtter blandet signal og strømpinner i et enkelt koblingshus. (Bildekilde: Harwin)

De er tilgjengelige i kabel- eller gjennomhullskonfigurasjoner, med de samme skrue-lok festevariasjonene som Gecko-SL-kontakter, og i en rekke signal- (dobbel rad) og strøm (enkel rad) pinnekonfigurasjoner.

G125-FV10805F1-1AB1ABP er en 10-posisjon Gecko-MT mottakerkontakt med åtte signal pluss to strømpinner, slik at en enkelt kontakt kan betjene begge funksjonene (figur 9).

Figur 9: G125-FV10805F1-1AB1ABP-kontakten i Gecko-MT-serien huser åtte signal- og to strømpinner. (Bildekilde: Harwin)

• Gecko Latch (originaldesign): Hannkontaktene i denne familien kan utstyres med låsemekanismer som er enkle å frigjøre/frakoble, for sikker sammenkobling med hunnstikket (figur 10).

Figur 10: Gecko Latch-kontaktene tilbyr en låsemekanisme som er enkel å løsne mellom hann- og hunnstikk. (Bildekilde: Harwin)

G125-FS12005LOR er en 20-posisjons, overflatemontert stikkontakt er et eksempel på Gecko Latch-designet (Figur 11).

Figur 11: G125-FS12005L0R 20-posisjons, overflatemontert kontakt er et av medlemmene av Gecko Latch-familien. (Bildekilde: Harwin)

Gecko-SL- og Latch-serien tilbyr mellom 6 og 50 pinner i en konfigurasjon med to rader. Koblingshusene er polarisert for å forhindre feilparing og har pinne nummer én indikert på utsiden av husene.

Valgfrie kontakthus som er kompatible med både Gecko-SL- og Gecko-MT-kontakter, er tilgjengelige for å gi mekanisk beskyttelse, radiofrekvens (RF)- og EMI-beskyttelse, for eksempel G125-9702002-kontakthus (hette) for 20-posisjons Gecko-SL-kontakter (Figur 12).

Figur 12: Metallkontakthus som denne G125-9702002 for 20-pinners Gecko-SL-kontakter gir brukerne muligheten til å legge til forbedret mekanisk beskyttelse og EMI-beskyttelse til sine Gecko-SL- og Gecko-MT-kontakter. (Bildekilde: Harwin)

Ved å gjøre kontakthusene valgfrie, trenger ikke design så mye beskyttelse, og kontakt trenger ikke har vekten vekten et metallkabinett (metallhus). For ytterligere fleksibilitet festes kontakthusene til kretskortet istedenfor kontakten.

Ikke glem kabelen og monteringen

Det er enkelt å bruke tid og energi på kontaktvalg, men det er bare en del av tilkoblingshistorien, siden kablene som er forbundet med en kontakt er like viktige. Blant sammenkoblingsvalgene som dikteres av signaltypen og installasjonen er enkle ledninger, tvunnet par, skjermet ledning og koaksialkabler. Designere har fem valg når det kommer til å få laget en kabelmodul:

1. Gjør det selv – egenproduksjon (DIY)
2. Bruk forhåndskrympede kontakter og ledninger
3. Bruk ferdige kabelmoduler
4. Spesifiser en komplett kabelmodul som er laget for bestilling, som er en variant av standardprodukter
5. Spesifiser en fullt tilpasset kabelmodul, laget spesielt for kravene

På grunn av den brede bruken av Gecko-kontakter, er mange av de nødvendige kabelenhetene tilgjengelige som standard, ferdige elementer, det reduserer dermed leveringstid og usikkerhet. For eksempel

G125-FC11205F0-0150F0 er en 12-posisjons kabelenhet som er 150 mm lang og er utformet for rektangulære forbindelser kontakt-til-stikkontakt (Figur 13).

Figur 13: Kabelen og den samlede modulen utgjør den komplette sammenkoblingen; denne G125-FC11205F0-0150F0 er en 12-posisjons, 150 mm lang kabelmodul for rektangulær sammenkobling mellom stikkontakter. Denne er tilgjengelig som en standardkomponent. (Bildekilde: Harwin)

Konklusjon

Det er viktig å se etter kontakter som er så små og lette som mulig for den nødvendige ytelsesklassen, samt ikke overspesifisere forbi nødvendige krav.

Dette gjelder spesielt i CubeSat-markedet, da disse miniatyr-satellittene er konstruert for å være flerstablet i en rakett der både plassforbruk og vekt er dyrebart.

For disse populære, nesten «massemarked»-satellittene, gjør Gecko-kontaktene det mulig for designere å velge kabelmoduler med høy ytelse og lav kostnad, mens de streber etter å balansere de mange motstridende avveininger som noen ganger gir konflikt i komponentutvalget.