Wybór złącza do pracy w przestrzeni kosmicznej

© Creotech

Praca układu elektronicznego w przestrzeni kosmicznej wiąże się z wieloma poważnymi wyzwaniami inżynierskimi, a istotną częścią procesu wyboru komponentów jest prawidłowy wybór złącza. Przed podjęciem decyzji o tym, jakie złącza i zespoły kabli przewidzieć w konstrukcji, należy wziąć pod uwagę wiele czynników.

Oczywiście, gdy urządzenie znajduje się już w kosmosie, naprawa lub wymiana części składowych jest niemożliwa i/lub niepraktyczna. W związku z tym, należy zapewnić długoterminową niezawodność działania, tak aby ryzyko nieprawidłowego działania było ograniczone do absolutnego minimum. Niezawodność w trudnych warunkach należy rozpatrywać jednocześnie z różnych punktów widzenia, a określanie złączy i okablowania wymaga solidnego zrozumienia atrybutów i zdefiniowanych kryteriów, wynikających ze specyfikacji konkretnej aplikacji. Jeśli proces ten nie zostanie przeprowadzony bezbłędnie, zajdzie możliwość podjęcia błędnych decyzji, dotyczących technologii połączeń międzysystemowych, co spowoduje niepowodzenie misji i stratę milionów dolarów.

Wytrzymałość mechaniczna

Sprzęt przeznaczony do pracy w kosmosie musi uwzględniać duże obciążenia mechaniczne wywierane na nie podczas startu. Po starcie całej rakiety, małe satelity, będące częścią ładunku składającego się z wielu jednostek, będą podlegać dużym siłom G podczas wyrzucania z wyrzutni. Istnieje również możliwość, że po wejściu na orbitę sprzęt może zderzyć się z kawałkami kosmicznych śmieci, które krążą wokół Ziemi. Na tej podstawie niezwykle ważne jest wybór złącz, które wykazują dużą odporność na wstrząsy i wibracje. Wskazane będzie zastosowanie zaawansowanych mocowań, zatrzaskowych lub śrubowych. Oznacza to, że mocowanie par pin/gniado można znacznie poprawić: zatrzaski będą preferowaną opcją w sytuacjach, gdy jest bardzo mało dostępnego miejsca na płycie, ale podejście oparte na śrubach zapewni lepsze parametry mocowania.

Kwestie związane z temperaturą

Po wystrzeleniu sprzęt znajdujący się w kosmosie będzie narażony na ekstremalne wahania temperatury. Na przykład satelity na orbitach geostacjonarnych będą musiały znosić ciągłe cykle termiczne swoich najbardziej zewnętrznych warstw: okresowo będą bezpośrednio wystawione na promienie słoneczne, natomiast kiedy znajdą się w cieniu Ziemi, ich temperatura dramatycznie spadnie. Cykle termiczne stanowią mniejszy problem, jeśli elektronika znajduje się głęboko w środku stosunkowo dużego statku kosmicznego, jednak w przypadku CubeSata (często mierzącego zaledwie 10 cm x 10 cm) lub PocketQube (o wymiarach zewnętrznych 5 cm x 5 cm), silne szoki temperaturowe będą niestety odczuwalne przez cały czas. Należy uważnie przestudiować specyfikacje w kartach katalogowych złączy, aby potwierdzić maksymalny i minimalny zakres temperatur podczas pracy (a nie tylko odporność na ciepło w procesie lutowania). Należy również rozważyć możliwość przeprowadzenia dodatkowych testów, związanych z wygrzewaniem i cyklami termicznymi, co zapewni dodatkową dawkę pewności.

Właściwości elektryczne

Środowisko otoczenia, w którym działają złącza rozmieszczone w kosmosie, jest zupełnie inne niż to, którego doświadczamy na Ziemi. Elementy te będą pracować w warunkach próżni (lub przynajmniej częściowej próżni), co będzie miało wpływ na ich maksymalne napięcie znamionowe. Napięcie, przy którym dochodzi do przeskoków, zależy od gęstości cząsteczek powietrza. Z tego powodu należy zanalizować napięcia znamionowe złączy przy niskim poziomie ciśnieniach powietrza.

Materiały

Jeśli złącza mają być używane w sprzęcie znajdującym się w przestrzeni kosmicznej, muszą wykazywać niezawodność w trudnych warunkach środowiskowych, która bazuje na wykonaniu konstrukcji z odpowiednich materiałów. Metalowe styki muszą łączyć trwałość z wysokim poziomem przewodności powierzchniowej. Potencjalny problem może  stanowić odgazowanie, spowodowane ekspozycją na próżnię kosmiczną może. W warunkach zbliżonych do próżni, odgazowanie może spowodować uwolnienie substancji, które zostały wcześniej wchłonięte przez materiały składowe złączy. W ten sposób do systemów zlokalizowanych w przestrzeni kosmicznej mogą zostać wprowadzone niepożądane zanieczyszczenia, negatywnie wpływając na działanie wrażliwych urządzeń elektronicznych lub nawet prowadząc do ich nieodwracalnego uszkodzenia. Zarówno NASA, jak i Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) podają zalecane maksymalne poziomy odgazowywania materiałów wykorzystywanych w aplikacjach kosmicznych. Przed określeniem modelu złącza ważne jest, aby sprawdzić u producenta, czy przedstawione materiały mieszczą się w tych poziomach.

Minimalizacja rozmiaru i wagi

Systemy kosmiczne muszą respektować surowe ograniczenia w odniesieniu do wymiarów fizycznych i ciężaru ładunku. Na przykład CubeSat może być częścią misji współdzielonej, a operator startu wydzieli tylko określoną ilość miejsca i ciężaru w rakiecie dla tej jednostki. Inżynierowie zaangażowani w budowę CubeSata będą chcieli zmieścić w satelicie jak najwięcej funkcjonalności, jednak muszą to zrobić bez przekraczania uzgodnionych ograniczeń dotyczących rozmiaru i wagi. Dlatego poleganie na kompaktowych, lekkich komponentach jest niezbędne. W przypadku zakupu od właściwego dostawcy użycie zamiast metalu tworzyw sztucznych do obudowy może pomóc w obniżeniu wagi złącza przy jednoczesnym zachowaniu wystarczającej wytrzymałości.

Instalując złącza, które umożliwiają łączenie pod kątem prostym, można zaoszczędzić cenne miejsce. Pozwala to na tworzenie układów, w których złącza znajdują się na krawędziach PCB, a okablowanie może być poprowadzone na zewnątrz. W rezultacie płytki można układać w stosy bliżej siebie, ponieważ nie trzeba pozostawiać między nimi miejsca na umieszczenie okablowania. Jeśli wybrane zostaną złącza, które mają zarówno styki zasilania, jak i transmisji sygnału, liczba komponentów związanych z tymi funkcjami może zostać zmniejszona o połowę, a wykorzystanie miejsca płytce znacznie spadnie. Innym sposobem na zaoszczędzenie miejsca jest stosowanie złączy łączących dwie płytki, bez potrzeby stosowania jakichkolwiek kabli, co dodatkowo oszczędza masę ładunku.

Implikacje kosztowe

Wysyłanie jakiegokolwiek sprzętu w kosmos to kosztowna sprawa. Chociaż w przeszłości projekty na ogół oparte były na niestandardowych komponentach klasy lotniczej, potrzeba utrzymania wysokiego poziomu niezawodności w trudnych warunkach musi być zrównoważona z ograniczeniami budżetowymi. Zjawisko New Space jeszcze bardziej uwydatniło ten trend. Inżynierowie chcą teraz wykorzystywać w swoich projektach komponenty dostępne na rynku (commercial-off-the-shelf, COTS). Jest to korzystne nie tylko z finansowego punktu widzenia, ale także zapobiega powstawaniu wąskich gardeł procesu w kontekście długiego czasu realizacji.

Wspomniane wcześniej zastosowanie złączy płytka-płytka również przynosi korzyści finansowe, ponieważ można dzięki nim wyeliminować część okablowania. Podobnie, instalacja złączy z jednoczesnym zasilaniem i dostarczaniem sygnału będzie bardziej ekonomiczna.

Komponenty przeznaczone do użytku w przestrzeni kosmicznej powinny być produkowane przy użyciu jak najlżejszych materiałów, aby zmniejszyć masę, zachowując przy tym wysoką niezawodność mechaniczną, zapewniając wysoką wydajność elektryczną i mieszcząc się w ramach ograniczeń budżetowych. Można to podsumować akronimem SWAP-C (size, weight, and power versus cost). Formuła ta równoważy podwyższone parametry komponentów z ich akceptowalną ceną.

Źródło: artykuł oparty o materiały udostępnianie na stronie Harwin

Zapraszamy 15 września 2023 na TEK.day Gdańsk, zapisz się już dziś!