Űrtechnikai minőségű csatlakozók alacsony Föld körüli pályán keringő műholdakba

A műholdas ágazat gyors növekedésnek indult, különösen az alacsony Föld körüli pályán (LEO, low Earth orbit) keringő műholdak esetében. Az alacsony Föld körüli pálya jelentette zord környezet azonban jelentős nehézségeket jelent a tervezők számára. A vákuumnak, az atomos oxigénnek, az erős ibolyántúli (UV) sugárzásnak és a szélsőséges hőmérséklet-ingadozásoknak való kitettség gázkibocsátáshoz, anyagromláshoz és a csatlakozók meghibásodásához vezethet, ami veszélyeztetheti a küldetés szempontjából nélkülözhetetlen rendszereket.

A feladat sikere érdekében a tervezőknek meg kell érteniük az űrben való működés kihívásait, és megbízható forrásokból kell kiválasztaniuk az alacsony Föld körüli pálya környezeti viszonyaihoz szükséges korszerű anyagokat és az ilyen körülményeket elviselő műszaki megoldású csatlakozókat.

Ez a cikk röviden áttekinti az alacsony Föld körüli pályán való használatra szánt készülékek tervezésének nehézségeit, és tárgyalja a környezeti hatások enyhítésének módszereit. Ezután bemutatja a Cinch Connectivity Solutions néhány e célra megfelelő csatlakozóját, amelyek segíthetnek túllendülni ezeken a nehézségeken.

Környezeti viszonyok az alacsony Föld körüli pályán való használat esetén, és azok hatása a csatlakozókra

Az alacsony Föld körüli pályán keringő műholdak tervezői a környezet miatt egyedülálló nehézségekkel néznek szembe. Bár a körülmények nem annyira zordak, mint a mélyűrben, az alacsony Föld körüli pályán keringő műholdak csatlakozóinak és más alkatrészeinek el kell viselniük a gázkibocsátást, a sugárzást, a szélsőséges hőmérsékleteket, valamint a rezgéseket és az ütéseket, és ellen kell állniuk a korróziónak.

1. Gázkibocsátás

A gázkibocsátás a nem fémes anyagokból hő vagy vákuum hatására felszabaduló gázok kiszivárgását jelenti. Ez jelentős aggodalomra ad okot az alacsony Föld körüli pályán keringő műholdak esetében. A műanyagokat kiváló szigetelő tulajdonságaik miatt széles körben használják a csatlakozókban, és a csatlakozókban használt egyes fémek is tartalmazhatnak a gyártás során zárványként keletkezett mikroszkopikus gázbuborékokat. Amikor a csatlakozókat tengerszinten legyártják, ezekre a gázbuborékokra nem hatnak az anyagon belüli és kívüli nyomáskülönbségből eredő erők.

Az űr vákuumában azonban a nyomáskülönbség jelentősen megnő, így ezek az anyag belsejébe zárt gázok felszabadulnak. Ez a gázkibocsátás hajszálrepedéseket okozhat, amelyek befolyásolják a csatlakozó mechanikai szilárdságát (1. ábra).

1. ábra: A gázkibocsátás hajszálrepedéseket okozhat, amelyek befolyásolják a csatlakozó mechanikai szilárdságát (ábra: Cinch Connectivity Solutions)

A gázkibocsátás vékony bevonatréteget kialakítva károsíthatja az érzékelőket, például kamerákat is. Ez akár a csatlakozók és más alkatrészek közötti rövidzárlatot is okozhat, ami veszélyeztetheti a küldetést.

Míg a gázkibocsátást elsősorban az űr vákuuma okozza, más környezeti tényezők is növelhetik annak valószínűségét. Például a polimerek ibolyántúli sugárzásnak és atomos oxigénnek való kitettség okozta gyengülése megkönnyíti az anyagokba zárt gázok távozását.

2. Ibolyántúli sugárzásnak és atomos oxigénnek való kitettség

A nap ibolyántúli sugárzásának való állandó kitettség károsíthatja a csatlakozókban használt műanyagokat. Az ionizáló sugárzás töltésfelhalmozódást eredményezhet a csatlakozókon, ami elektrosztatikus kisüléseket okozhat. Az atomos oxigén, amely akkor keletkezik, ha az oxigént ibolyántúli sugárzás éri, és az alacsony Föld körüli pályán keringő műholdak környezetében nagy mennyiségben fordul elő, erősen reakcióképes, és mállaszthatja a csatlakozók anyagait, különösen a polimereket és egyes fémeket. A csatlakozókban szigetelőanyagként gyakran használt műanyag, a teflon (politetrafluor-etilén, PTFE) például elöregedik, ha atomos oxigénnek és ibolyántúli sugárzásnak van kitéve. Az atomos oxigén különösen hajlamos reakcióba lépni az ezüsttel, oxidációt okozva, és ezzel befolyásolva annak villamos vezetőképességét és érintkezési ellenállását.

3. Szélsőséges hőmérséklet-ingadozások

Az alacsony Föld körüli pályán keringő műholdakat érő hőmérséklet +125 °C (ha éri a műholdat a napfény) és –65 °C (a Föld árnyékában) között ingadozik, egyes külső alkatrészek pedig –270 °C és +200 °C közötti hőmérséklet-ingadozásnak is ki lehetnek téve. Ez hőmérséklet-váltakozás okozta igénybevételhez vezet, amely megterheli a csatlakozókat, és súlyosbíthatja azok kisebb hibáit. Ha a csatlakozók és a kapcsolódó alkatrészek anyagai hőtágulási szempontból nem illenek egymáshoz, a hőtágulási együtthatók (CTE) közötti különbségek eltérő hőtágulás okozta igénybevételt eredményezhetnek, ami meghibásodáshoz vezethet.

4. Rezgések és ütések

A fellövés során fellépő erős rezgések veszélyeztethetik a csatlakozó épségét. Az oldalirányú (kereszttengely menti) és az előre-hátra irányú (hossztengely, a tolóerő iránytengelye menti) mozgások tengelyigazítási hibát vagy törést okozhatnak a csatlakozók érintkezési területein. A fellövés során akkor keletkező ütések, amikor a hasznos teher leválik a hordozórakétáról, meglazíthatják a csatlakozókat, és fáradási pontokat hozhatnak létre.

Megoldások az alacsony Föld körüli pálya környezeti hatásainak mérséklésére

Számos ilyen kockázat mérséklésére ajánlott a hermetikus tömítés. A hermetikus tömítés megvédi a belső alkatrészeket az űrvákuumtól, és megakadályozza a belső gázok kiáramlását. Emellett megakadályozza, hogy levegő, gázok vagy nedvesség hatoljon be a részegységbe.

A sikeres tervezés érdekében az űrtechnikai berendezésekre jó néhány szabvány vonatkozik:

• ASTM E595 – a vákuumos környezetben használt anyagok gázkibocsátásának vizsgálati módszere; a teljes tömegveszteséget (TML, total mass loss) méri +125 °C-on, illetve a felgyülemlett kicsapódásra hajlamos illékony anyagok mennyiségét (CVCM, collected volatile condensable materials) +25 °C-on. A jellemző megfelelőségi feltételek: TML ≤ 1,00%, CVCM ≤ 0,10%.
• NASA EEE-INST-002 – a villamos, elektronikus és elektromechanikus (EEE) alkatrészek kiválasztására, szűrésére, minősítésére és teljesítményének csökkentésére vonatkozó utasítás; a küldetés igényei alapján állapítja meg a villamos, elektronikus és elektromechanikus alkatrészek megbízhatósági szintjeit.
• NASA SSP 30426 – a Nemzetközi Űrállomás (ISS) külső szennyeződésének ellenőrzési követelményeit határozza meg.
• NASA SP-R-0022A – a polimer anyagok vákuumstabilitási követelményeit határozza meg.

A csatlakozókat ezen szabványok alapján kell kiválasztani, hogy megfeleljenek az űrbeli küldetések szigorú követelményeinek.

A NASA által az 1970-es években kidolgozott műszaki készültségi szintek (TRL, Technology Readiness Level) szabványosított módszert kínálnak a technikák kiforrottságának becslésére egy 1-től (megismert és bejelentett alapelvek) 9-ig (repülés közben bizonyított) terjedő skálán. A műszaki készültségi szintek több okból is döntő szerepet játszanak az űrben használandó alkatrészek kiválasztásában:

• Kockázatcsökkentés: A magasabb műszaki készültségi szintű (TLR értékű) alkatrészek már bizonyítottak megfelelő környezetben vagy tényleges űrbeli küldetésekben.
• Költséggazdálkodás: A magasabb műszaki készültségi szintű alkatrészek használata csökkentheti a fejlesztési és tesztelési követelményeket.
• A haladás nyomon követése: A műszaki készültségi szintek lehetővé teszi a technika fejlődésének nyomon követését az elvi elgondolás megszületésétől a repülésre kész állapotig, segítve a tervezést és a döntéshozatalt az űrjárművek és műholdak fejlesztése során.
• Közös nyelv: A műszaki készültségi szintek megkönnyítik a különböző űrtechnikák kiforrottságának megvitatását.
• Könnyű beilleszthetőség: A magasabb műszaki készültségi szintű alkatrészeket általában könnyebb beilleszteni a már meglévő rendszerekbe, ami befolyásolja a kiválasztási döntéseket.

Alacsony Föld körüli pályán keringő műholdakba szánt csatlakozók

Az alacsony Föld körüli pályán keringő műholdakba szánt eszközök tervezési követelményeinek kielégítésére a Cinch Connectivity Solutions a Cinch Space Mission Solutions csatlakozók termékválasztékát kínálja. Ezeket úgy tervezték, hogy megfeleljenek az alacsony Föld körüli pályán keringő olyan műholdakkal kapcsolatos kihívásoknak, mint a CubeSat és a NanoSat műholdak, amelyek mérete és tömege szigorúan korlátozott.

Több szintbe rendezett kártyák csatlakozóihoz való kábelek

A több szintbe rendezett kártyák csatlakozóihoz való Cinch CIN::APSE kábelek forrasztás nélküli, nagy sűrűségű egyedi összeköttetéseket tesznek lehetővé olyan felhasználási területeken, mint az alacsony Föld körüli pályán keringő műholdak két nyomtatott áramköri lap közti (kártyaközi), hajlékony kábel és nyomtatott áramköri lap közti, valamint alkatrész és nyomtatott áramköri lap közti csatlakozásai. Legfontosabb jellemzők:

• két egy síkban lévő, illetve derékszögben álló nyomtatott áramköri lap összekapcsolása a műholdak tervezésének és belső elrendezésének rugalmassága érdekében
• rádiófrekvenciás adatok, áramellátás, jelek és nagy sebességű adatok kombinációjának továbbítása 1 mm-es tokban
• a NASA 9. műszaki készültségi szintű (NASA TLR 9) jóváhagyása, ami a repülés során már bizonyított megbízhatóságot jelzi
• bizonyított működőképesség erős mechanikai ütések, rezgések és hőhatások esetén

Egy jellemző példa erre a 4631533093 jelű hajlékony szalagkábel (2. ábra). Ez a hajlékony szalagkábel összenyomható, hogy több szintbe rendezett merev nyomtatott áramköri (nyák) lapú kártyákhoz való csatlakozókhoz lehessen csatlakoztatni.

2. ábra: A képen a 4631533093 hajlékony szalagkábel látható, amely merev nyomtatott áramköri lapok összekapcsolására használható (kép: Cinch Connectivity Solutions)

A 4631533093 szalagkábel 25 eres, 3 hüvelyk hosszú, 0,025 hüvelyk (0,635 mm) osztástávolságú, és a szabadon hagyott végei 0,131 hüvelyk (3,33 mm) hosszúak.

Űrtechnikai minőségű mikro-D csatlakozók

A miniatűr fedélzeti elektronikai és adatfeldolgozó berendezésekbe, valamint olyan helyekre, ahol rövidebb jelútvonalakra van szükség a kis méretű műholdas rendszerekben, a Cinch az űrtechnikai minőségű Dura-Con mikro-D csatlakozókat kínálja. Figyelemre méltó jellemzői: csavart tüskéjű érintkezők és forgácsolt aljzatok a megbízható hét érintkezési pontos érintkezés érdekében, megfelelés (a mikro-D csatlakozókra vonatkozó) MIL-DTL-M83513 szabványnak, nikkelezés és etilén-tetrafluor-etilén (ETFE) szigetelésű vezetékek. Jó példa erre a 25 érintkezős DCCM25SCBRPN-X2S mikro-D csatlakozó (3. ábra).

3. ábra: A DCCM25SCBRPN-X2S egy 25 érintkezős, űrtechnikai minőségű mikro-D csatlakozó (kép: Cinch Connectivity Solutions)

Ez a csatlakozóaljzat kétsoros, 0,050 hüvelyk (1,27 mm) érintkező-osztástávolságú és 0,043 hüvelyk (1,1 mm) sortávolságú, aranyérintkezőkkel, 3 A kezelésére képes, és meghaladja az alacsony Föld körüli pályán keringő műholdak berendezéseire vonatkozó gázkibocsátási követelményeket: teljes tömegveszteség (TML): ≤ 1,0% és felgyülemlett kicsapódásra hajlamos illékony anyagok (CVCM): ≤ 0,1%.

Csillapítók

A Cinch QPS (Qualified Part for Space, űrtechnikai minősítésű alkatrész) csillapítóit kifejezetten űrtechnikai készülékekbe tervezték. Megfelelnek az ASTM E595 és a MIL-DTL-3993 gázkibocsátási szabványnak, és 1, 2, 3, 6, 10 és 20 dB szabványos csillapítási értékekkel kaphatóak. Emellett 0 és 20 dB közötti egyéni értékekkel is elérhetőek. Egy jellemző példa ezekre a csillapítókra a SQA-0182-01-SMA-02 jelű eszköz (4. ábra). Ez az 1 dB-es csillapító egyenáramtól 18 GHz-ig használható, 2 W átlagos teljesítményt (500 W csúcsteljesítményt) képes kezelni, és –55 °C és +125 °C közötti az üzemi hőmérséklet-tartománya.

4. ábra: Az SQA-0182-01-SMA-02 egy 1 dB-es csillapító, amelyet kifejezetten űrbeli feladatokra terveztek (kép: Cinch Connectivity Solutions)

Összegzés

Az alacsony Föld körüli pályán végzett űrbeli küldetésekre szánt készülékek tervezőinek olyan csatlakozókra van szükségük, amelyek megbízhatóan működnek olyan körülmények között is, mint a gázkibocsátás, a szélsőséges hőmérsékletek, az ibolyántúli és az ionizáló sugárzás, valamint a rezgések és az ütések. Az olyan bevált beszállítók eszközeit használva, mint a Cinch Connectivity Solutions, az űreszközökre vonatkozó legmagasabb követelményeket támasztó szabványokat szem előtt tartva készült csatlakozók nagy választékából válogatva vihetik sikerre a tervezést.