Az űrtechnikai területeken használt csatlakozók és a kábelek kiválasztásának fontossága

Az elmúlt évtizedben a Föld körüli pályán keringő műholdak jelentős iparággá váltak, amelyek terjedelmes piacot jelentenek. Ennek eredményeképpen nagyszámú, sokféle küldetést ellátó műholdat állítottak pályára, amelyek alacsony, közepes és geostacionárius Föld körüli pályán (LEO, MEO, GEO) keringenek. Mindezeknek a műholdaknak mérettől, forrástól és feladattól függetlenül van egy közös tényező az anyagjegyzékükben: sok villamos csatlakozóra és kábelre van szükségük a jeltovábbítás és az energiaellátás érdekében.

Lehet, hogy ezek nem ragadják meg annyira a képzeletet, mint az aktív fedélzeti elektronika vagy a műholdak tágabb értelemben vett feladatai, teljesítményük, megbízhatóságuk és tartósságuk azonban létfontosságú a műholdak tervezése, pályára állítása és célul kitűzött élettartama szempontjából. Ennek eredményeképpen a megfelelő összeköttetések kiválasztása és használata fontos tényező a küldetés sikerében. A csatlakozóknak és kábeleknek alapvető funkciókat kell biztosítaniuk a méret és a tömeg minimálisra csökkentése mellett, ugyanakkor meg kell felelniük az űrbe történő fellövéshez és űrrepüléshez szükséges egyedi megbízhatósági és strapabírási követelményeknek is.

Mivel a XXI. században szerencsére viszonylag sok összeköttetésre van szükség, az űrtechnika minősítésű csatlakozók és kábelek ma már hétköznapi alkatrészek, amelyek a forgalmazókon keresztül szerezhetők be a gyártóktól. Ez jelentős változást jelent az alig egy-két évtizeddel ezelőtti állapothoz képest, amikor ezek speciális, gyakran egyedi megrendelésre készült termékek voltak.

Ez a cikk a űrtechnika minősítésű csatlakozókra és kábelekre vonatkozó követelményekkel és ezen csatlakozók és kábelek megfelelő kiválasztásával foglalkozik. Ezután bemutatja a Harwin beszerezhető megoldásait, amelyek segíthetnek a küldetés sikerének biztosításában.

Az űrben használt kábelekre és csatlakozókra vonatkozó követelmények

Ami egykor elsősorban a NASA ezoterikus űreszközökkel vagy kommunikációs/navigációs műholdakkal végzett küldetéseinek területe volt, a LEO, MEO és GEO műholdak fellövése után mára szinte hétköznapivá vált. Néhány ilyen eszköz fellövése egy tucat vagy több műhold pályára állítását eredményezi, beleértve az egyetemeken, egyes középiskolákban vagy akár amatőr tudományos csoportokban kifejlesztett kis, népszerű CubeSat-egységeket is.

Az űr azonban minden elektronikus alkatrész számára zord környezetet jelent. A lehetséges problémás területek közé tartoznak a szakadozó kapcsolatok, a névleges adatoknál kisebb teljesítmény, sőt, akár a teljes meghibásodás is. Ezek a problémák a kilövésnél elkerülhetetlen rezgésekkel kezdődnek, a keringési pályán lévő hidegben és vákuumban történő használattal folytatódnak, és még annál is tovább terjednek,

Ennélfogva ezen problémák számos követelményt támasztanak a csatlakozók teljesítményére vonatkozóan, valamint korlátokat jelentenek a csatlakozók tervezése és kialakítása terén. A közös bennük a fő megbízhatósági szempontok tág fogalma és a repülés közbeni javítás vagy csere kivitelezhetetlensége vagy lehetetlensége. A méret, a tömeg, az ütések és a rezgések melletti további problémák közé tartozik a gázkibocsátás, a maradék mágnesesség, a szélsőséges hőmérsékletek és a hőciklusok, a kozmikus sugárzás, az ívkisülés és a csatlakozók tájolása:

• Tömeg és méret (térfogat): Az űrjármű és műholdja esetében mindkét tényező komoly korlátok közé van szorítva az üzemanyag-takarékosság és azon tény miatt, hogy egy szűkös helyekkel gazdálkodó űreszközben minden köbcentiméternyi térfogat nagyon értékes.
• Gyorsulás, rezgések és ütések: A nagy igénybevétellel járó indítási fázis több tíz g-s terhelést eredményez a frekvenciák széles skáláján. Emiatt az űrtechnika minősítésű csatlakozók a biztonságos csatlakozás garantálása érdekében, amikor csak lehetséges, általában csavarral rögzített vagy reteszelt kialakításúak.
• Gázkibocsátás: Az űrben uralkodó hőmérsékleti viszonyok és a vákuum megnövelik a gázok csatlakozókból történő kiáramlásának mértékét. Az olyan anyagokból, mint az elasztomerek és a műanyagok, lassan felszabadulnak bizonyos illékony szerves vegyületek, amelyek gázként vagy gőzként feloldva, zárványba zárva, megfagyva vagy elnyelődve voltak jelen az anyagban. Még az epoxiból és más hétköznapi ragasztókból is felszabadulhatnak ilyen illékony szerves vegyületek, ami speciális ragasztók használatát teszi szükségessé. Az illékony szerves vegyületek olyan szennyeződéseket eredményezhetnek, amelyek a kényes műszerek és optikai felületek zavarásával súlyosan befolyásolhatják a feladat szempontjából kritikus berendezések teljesítményét. Az űrtechnika minősítésű csatlakozók esetében az illékony szerves vegyületeket úgy távolítják el az anyagokból, hogy a csatlakozókat vákuumzárt kemencében, magas hőmérsékleten kisütik.
• Maradék mágnesesség: A maradék mágnesesség megzavarhatja a közeli áramkörök és alrendszerek működését, és hibás méréseket okozhat a nagy pontosságú (precíziós) érzékelőknél. Ennek a minimálisra csökkentése érdekében lehetőség szerint nem mágneses anyagokat, például rézötvözeteket kell használni.
• Hőmérséklet-tartomány: Az űrtechnika minősítésű csatlakozók kiterjesztett hőmérséklet-tartománya általában –65 ⁰C és +150 ⁰C között van. A hőciklusos igénybevétel azonban szintén aggodalomra ad okot: az ilyen ciklikus igénybevételből eredő ismétlődő feszültségek mikrorepedéseket és végül fáradásos töréseket idézhetnek elő. Egyes műholdakat úgy terveztek, hogy forgásukkal kiegyenlítsék a Nap felé néző és a napárnyékos oldalak közötti átlaghőmérsékletet. Ez a megoldás a nagyobb műholdak esetében nem járható út, mert a felszíni és a felszín alatti részek még mindig jelentős hőingadozásnak lehetnek kitéve a műhold belsejében mélyebben elhelyezkedő részekhez képest. A kis méretű, például CubeSat műholdak esetében szinte minden alkatrész viszonylag közel van a felszínhez.
• Kozmikus sugárzás: A műhold keringési magasságának növekedésével és a Föld védő légkörének elvékonyodásával ez a sugárzás növekszik. Ennek az elkerülhetetlen sugárzásnak a hatásai bizonyos szempontból hasonlóak az elektromágneses zavarás (EMI) hatásaihoz. Bár az űreszköz fémháza nyújt bizonyos szintű védelmet, a sugárzásra érzékeny áramköri lapok és kábelek esetében további árnyékolásra lehet szükség.
• Ívkisülés: Ez egy vezetőből a legközelebbi fémfelületre irányuló, nagy áramerősségű, folyamatos elektromos kisülés. Az ívkisülés a levegő molekulasűrűségétől függően különböző feszültségértékeken következik be, az űrbeli vákuum a szélsőséges eset, ezért a csatlakozóknak a keringési magasságnak megfelelő névleges átütésifeszültség-értékűeknek kell lenniük.
• Fizikai megfontolások: Kritikus fontosságú a csatlakozó és a hozzá tartozó kábel elhelyezése. A műholdak nyilvánvalóan jól tele vannak zsúfolva, és a népszerű, de apró CubeSat műholdak új szintre emelik ezt a sűrűséget (1. ábra). Egy önálló CubeSat egység (U) mérete 10 cm × 10 cm × 10 cm, és egy teljes CubeSat műhold 1U, 2U, 3U, 6U vagy 12U méretű lehet.

1. ábra: A népszerű CubeSat műholdak egy szabványos kis modulméreten alapulnak, ami lehetővé teszi több ilyen modulméretnyi egység egymásba toldását különböző, egységenként növekvő hosszúságban (kép: Harwin)

Ha a csatlakozót úgy tervezik, hogy a kábelek függőlegesen, derékszögben állnak az áramköri laphoz képest, a CubeSat modulon belüli áramköri lapok nem lehetnek szorosan egymás mellett, mert akkor zavarja egymást a csatlakozó és a kábel. A vízszintes csatlakozók és a hozzájuk kapcsolt kábelszerelvények azonban megoldják meg ezt a problémát, mégpedig úgy, hogy a kábeleket a nyomtatott áramköri lap szélétől oldalirányban vezetik az egység széle körül, csökkentve ezzel az áramköri lap felett szükséges hézagot.

Egy méret nem felel meg mindenkinek – és valószínűleg soha nem is fog

A különböző feszültségek, áramerősségek, frekvenciák és a különböző összekapcsolási útvonalak egyéb teljesítménykövetelményei azt jelentik, hogy egyetlen csatlakozócsalád számos helyzetben súlyosan alul- vagy túlméretezett lenne, és ezek közül egyik sem elfogadható, bár különböző okok miatt. Nincs továbbá egyetlen olyan „szabvány” sem, amely az űrtechnika minősítésű csatlakozókra vonatkozna. Ehelyett vannak bizonyos teljesítményjellemzőkre, például a gázkibocsátásra vonatkozó szabványok. Az űrtechnikai alkatrészek műszaki adatainak megadásához a NASA alkatrészválasztási listáját (NPSL) használják, és az ezekben a minősített alkatrészlistákban (QPL) szereplő alkatrészeket kifejezetten űrtechnikai területeken használják. Európában az űrtechnika minősítésű csatlakozók az Európai Űrügynökség (ESA/ESCC) minősítő jelölésével vannak ellátva.

A csatlakozókat kiválasztó tervezőnek meg kell teremtenie az egyensúlyt a csatlakozó minősítése és a feladat fontossága között. A csatlakozók túlméretezése komoly költség-, valamint rendelkezésreállási- és átfutásiidő-problémákhoz vezethet. Ugyanakkor sajnálatos és lehangoló lenne, ha egy CubeSat idő előtt meghibásodna a nem megfelelő csatlakozó vagy a rosszul értelmezett csatlakozás okozta problémák miatt. Ezért fontos, hogy a választható csatlakozók és kábelek terén is reális képet adjunk a feladat támasztotta követelményekről.

Az igényeknek megfelelő széles választék

Annak érdekében, hogy a tervezők optimális csatlakozót tudjanak választani az űrtechnikai minősítési előírások alapján, az olyan gyártók, mint a Harwin, több csatlakozócsaládot kínálnak. Mindegyik csatlakozócsaládnak többféle érintkezőtípusú és -számú, csatlakoztatási elrendezésű, a rögzítési módú és egyéb jellemzőjű változata van. Az érintett Harwin-csatlakozócsaládok közé tartoznak a következők:

• A Mix-Tek Datamate termékcsalád a jel-, táp- és koaxiális csatlakozók kialakításainak széles skáláját kínálja, így a mérnökök kiválaszthatják a készülékükhöz legjobban megfelelő csatlakozóelrendezéseket (2. ábra). A tápérintkezők 20 A névleges áramerősségűek, a jelérintkezők 3 A-t kezelnek, a koaxiális érintkezők pedig 6 GHz-es frekvenciaátvitelt nyújtanak 50 Ω impedancia mellett.

2. ábra: A Mix-Tek Datamate termékcsalád jel- (3 A), táp- (20 A) és koaxiális (6 GHz) csatlakozóérintkezők kombinációit tartalmazza (kép: Harwin)

A nagy megbízhatóság a Harwin négyujjas berilliumréz érintkezősarukkal kombinált esztergált érintkezők használatának köszönhető. A Mix-Tek csatlakozók különféle vezetékre és áramköri lapra szerelhető kialakításokban kaphatók, legfeljebb 50 kisfrekvenciás érintkezővel vagy 12 speciális (koaxiális és táp-) érintkezővel. A 2 mm-es osztástávolságú csatlakozók a jel-, táp- és koaxiális érintkezők szinte bármilyen kombinációjával kialakíthatók és használhatók.

• A Kona 8,5 mm-es osztástávolságú, nagy megbízhatóságú csatlakozócsalád kiváló minőségű és nagyáramú csatlakozást biztosít magas követelményeket támasztó környezetekben (3. ábra). Az egyedileg burkolt érintkezők egyenként 60 A folyamatos áramerősségre vannak minősítve 3000 V feszültség mellett, 250 csatlakoztatásnyi tartóssági besorolással. A hatujjas érintkező berilliumrézből van és aranyozott, hogy a villamos kapcsolatot erős ütések és rezgések esetén is fenntartsa, és kis méretű, egysoros tokozással kapható kábel–áramköri lap csatlakoztatási kialakításban.

3. ábra: A 8,5 mm-es osztástávolságú Kona termékcsalád csatlakozói érintkezőnként akár 60 A folyamatos áramot is elviselnek 3000 V feszültség mellett (kép: Harwin)

• Az M300 tápcsatlakozók nagy megbízhatóságot és teljesítményt kínálnak, és kis méretű tápcsatlakozást valósítanak meg érintkezőnként akár 10 A-ig, így könnyű, strapabíró és szélsőséges körülmények között is bevált megoldást nyújtanak (4. ábra). A csatlakozókat rozsdamentes acélból készült rögzítőcsavarok védik a rezgések és ütések ellen.

4. ábra: Az M300 tápcsatlakozók kis méretű tápcsatlakozást biztosítanak, érintkezőnként akár 10 A áramerősséggel (kép: Harwin)

A bevált négyujjas érintkezőkialakítás a nagy rezgések és ütések ellenére is fenntartja a villamos kapcsolatot. Ezek a 3 mm-es osztástávolságú, nyomtatott áramköri lapra szerelhető csatlakozók, a bepréselhető érintkezők és a kész kábelek –65 °C és +175 °C közötti hőmérsékletnek is ellenállnak, és 1000 csatlakoztatást is elviselnek.

A CubeSat egy különleges termékcsaládot hívott életre

A Gecko csatlakozó- és kábelcsaládot úgy tervezték, hogy tagjai megfeleljenek a CubeSat-eszközök igényeinek, ahol viszonylag nagyszámú csatlakozót használnak, és egyes paramétereket illetően kevésbé szigorúak a követelmények (5. ábra). Ezek a csatlakozók lapos, kábel–áramköri lap, illetve két áramköri lap közötti összekötést kínálnak, és különösen alkalmasak egymás fölött történő elhelyezéshez és kábelcsatlakoztatáshoz olyan területeken, ahol korlátozott a nyomtatott áramköri lap mérete.

5. ábra: A Gecko termékcsalád lapos csatlakozói sokféle formában, elrendezésben és érintkezőszámmal kaphatóak (kép: Harwin)

A Gecko csatlakozók 1,25 mm-es osztástávolságú, nagy megbízhatóságú négyszögletes csatlakozók, és külön rendelhető cserélhető érintkezőkkel ellátott csatlakozóházként szerezhetők be. A csatlakozók bepréselhető kábelcsöves érintkezőkkel vannak ellátva, a házak pedig kaphatók dugasz és aljzat változatban is. A nyomtatott áramköri lap élén elhelyezett furatszerelt függőleges és vízszintes csatlakozók, illetve felületszerelt függőleges csatlakozók kábel–áramköri lap, illetve két kábel vagy két áramköri lap közötti kapcsolat kialakítására használhatók.

A Gecko csatlakozók akár 45%-kal kisebbek és 75%-kal könnyebbek, mint meglévő ágazati szabványos megfelelőik és a Micro-D csatlakozók, jellemző tömegük körülbelül 1 g. Három változatban kaphatóak, amelyek nem csatlakoztathatóak egymáshoz:

• Gecko-SL (Screw-Lok) csatlakozócsalád: Az egyik csatlakozó kiesésbiztos csavarokkal van ellátva a másik csatlakozóval való biztonságos, strapabíró összekapcsolás érdekében (6. ábra). A Screw-Lok csatlakozók el lehetnek látva áramköri lapra vagy panelre rögzítő csapokkal is az áramköri laphoz vagy a burkolathoz való biztonságos rögzítés érdekében. Az érintkezők névleges áramerőssége külön-külön érintkezőnként 2,8 A, vagy az összes érintkezőt egyszerre használva érintkezőnként 2,0 A. Ezek a csatlakozók és áramköri lapok nagy sűrűségű egymásra helyezésénél szükséges vízszintes csatlakozóként és hozzájuk csatlakoztatható csatlakozókábel formájában is kaphatóak.

6. ábra: A Gecko-SL termékcsalád érintkezőinek névleges áramerőssége külön-külön érintkezőnként 2,8 A, vagy az összes érintkezőt egyszerre használva érintkezőnként 2,0 A (kép: Harwin)

A G125-3241696M2 például egy 16 érintkezős, panelre szerelhető, téglalap alakú Gecko-SL csatlakozó 1,25 mm-es osztástávolsággal (7. ábra).

7. ábra: A Gecko-SL G125-3241696M2 egy 16 érintkezős, panelre szerelhető, téglalap alakú Gecko-SL csatlakozó 1,25 mm-es osztástávolsággal (kép: Harwin)

• Gecko-MT (vegyes technika): Ezek a csatlakozók a Gecko-SL sorozat vegyes elrendezésű változatai (8. ábra). Azzal, hogy az adatérintkezőket két vagy négy 10 A-es tápérintkezővel egészítik ki 1 + 8 + 1 vagy 2 + 8 + 2 táp/adat elrendezésben, a Gecko-MT-termékek jelentős hely- és tömegcsökkentést tesznek lehetővé az elektronikai hardverekben.

8. ábra: A Gecko-MT hasonló a Gecko-SL sorozathoz, de adat- és tápérintkezőket is tartalmaz egyetlen csatlakozóházban (kép: Harwin)

Kábeles és furatszerelt változatban is kaphatóak, a Gecko-SL csatlakozókkal megegyező Screw-Lok rögzítési megoldásokkal, különböző adat- (kétsoros) és tápérintkezős (egysoros) elrendezésekkel.

A G125-FV10805F1-1AB1ABP egy 10 érintkezőhelyes Gecko-MT aljzat nyolc adat- és két tápérintkezővel, ami lehetővé teszi, hogy egyetlen csatlakozó mindkét funkciót kiszolgálja (9. ábra).

9. ábra: A Gecko-MT sorozat G125-FV10805F1-1AB1ABP csatlakozója nyolc adat- és két tápérintkezőt tartalmaz (kép: Harwin)

• Gecko Latch (eredeti kialakítás): Az ebbe a termékcsaládba tartozó dugaszok könnyen oldható rögzítőreteszekkel szerelhetők fel az aljzatokba történő biztonságos csatlakoztatás érdekében (10. ábra).

10. ábra: A Gecko Latch csatlakozók könnyen oldható reteszeket kínálnak a dugasz–aljzat párok közti csatlakoztatás biztosítására (kép: Harwin)

A G125-FS12005LOR 20 érintkezőhelyes felületszerelt csatlakozóaljzat egy példa a Gecko Latch kialakítására (11. ábra).

11. ábra: A G125-FS12005L0R 20 érintkezőhelyes felületszerelt csatlakozó a Gecko Latch család tagja (kép: Harwin)

A Gecko-SL és a Latch sorozat 6 és 50 közötti érintkezőt kínál kétsoros elrendezésben. A csatlakozóházak polarizáltak (reteszeltek) a hibás csatlakoztatás elkerülése érdekében, és a házak külső oldalán jelölve van az 1. érintkező.

Kaphatók a Gecko-SL és Gecko-MT csatlakozókkal egyaránt kompatibilis nem tartozék (külön beszerezhető) fém védőburkolatok is a mechanikai védelem, valamint a rádiófrekvenciás (RF) és elektromágneses (EMI) zavarvédelem biztosítására, ilyen például a G125-9702002 védőburkolat (védőcsuklya) a 20 érintkezőhelyes Gecko-SL csatlakozókhoz (12. ábra).

12. ábra: Az olyan fém védőburkolatok, mint ez a 20 érintkezőhelyes G125-9702002 Gecko-SL csatlakozókhoz való védőburkolat is, lehetőséget nyújtanak a felhasználóknak arra, hogy a Gecko-SL és Gecko-MT csatlakozókat erősebb mechanikai védelemmel és elektromágneses zavarvédelemmel lássák el (kép: Harwin)

Azáltal, hogy a védőburkolatok nem tartozékok, az ilyen védelmet nem igénylő kialakításoknak nem kell viselniük a fém védőburkolat jelentette terhet. A további rugalmasság érdekében a védőburkolatok nem a csatlakozóhoz, hanem az áramköri laphoz vannak rögzítve.

Ne felejtse el a kábeleket sem!

Könnyű időt és energiát fordítani a csatlakozók kiválasztására, de ez csak egy része a csatlakoztatás megteremtésének, mert a csatlakozókhoz kapcsolódó kábelek ugyanolyan fontosak. A jel típusa és a kialakítás megszabta összeköttetési lehetőségek között vannak alapvezetékek, sodrott érpárok, árnyékolt vezetékek és koaxiális kábelek. A tervezőknek öt választási lehetőségük van a kábelek beszerzése során:

1. Saját kábelkészítés (házon belüli gyártás)
2. Gyárilag bepréselt érintkezők és csatlakoztatott vezeték használata
3. Kész kábelek használata
4. A szabványos termékek körébe tartozó, megrendelésre gyártott kész kábelek gyártatása
5. Teljesen testreszabott, kifejezetten az egyedi követelményekhez készült kábelek gyártatása

A Gecko csatlakozók elterjedt használatának köszönhetően a szükséges kábelek közül sok már szabványos késztermékként kapható, ami csökkenti az átfutási időt és a bizonytalanságot. Például a

G125-FC11205F0-0150F0 egy 12 érintkezőhelyes, 150 mm hosszú kábel, és két négyszögletes aljzat összekötésére alkalmas (13. ábra).

13. ábra: A kábel és a rajta lévő csatlakozók a teljes összeköttetést megteremtik. Az ábrán látható G125-FC11205F0-0150F0 egy 12 érintkezőhelyes, 150 mm hosszú kábel, amely két négyszögletes aljzat összekötésére alkalmas, és szabványos alkatrészként kapható (kép: Harwin)

Összegzés

Fontos, hogy olyan csatlakozókat keressen, amelyek a lehető legkisebbek és legkönnyebbek a szükséges teljesítménytartományhoz, és ne méretezze túl a csatlakozókat ott, ahol nincs szükség magasabb értékek vagy célok elérésére.

Ez különösen igaz a CubeSat-piacra, mivel ezeket a miniatűr műholdakat úgy tervezték, hogy többet egymásra tornyozva rakják őket rakétába, ahol szűkös a hely, és erősen korlátozott a tömeg.

Ezen népszerű, szinte már „tömegpiaci"” műholdak esetében a Gecko csatlakozók és kábelek lehetővé teszik a tervezők számára, hogy kezeljék a teljesítmény és a költségek jelentette realitásokat, miközben az alkatrészválasztás során több, néha egymásnak ellentmondó kompromisszum között igyekeznek megteremteni az egyensúlyt.