Auch wenn sie nicht so glamourös wirken wie die aktive Bordelektronik oder die übergeordnete Mission des Satelliten, sind ihre Leistung, Zuverlässigkeit und Konsistenz entscheidend für Design, Einsatz und Missionsdauer. Daher ist die Auswahl und Implementierung geeigneter Verbindungen ein kritischer Faktor für den Missionserfolg. Sie müssen grundlegende Funktionen bieten, gleichzeitig Größe und Gewicht minimieren und die besonderen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Ausdauer bei Start und Raumflug erfüllen.

Glücklicherweise sind aufgrund des Bedarfs an einer relativ hohen Anzahl von Verbindungen im 21. Jahrhundert weltraumtaugliche Steckverbinder und Kabel mittlerweile Standardkomponenten, die von Lieferanten über Distributoren erhältlich sind – ein großer Unterschied zu vor ein oder zwei Jahrzehnten, als es sich um spezialisierte, oft kundenspezifisch angefertigte Artikel handelte.

Dieser Artikel untersucht die Anforderungen an Steckverbinder und Kabel für den Weltraumeinsatz sowie deren korrekte Auswahl. Anschließend werden praxisnahe Lösungen von Harwin , die zum Erfolg von Missionen beitragen können.

Anforderungen an Kabel und Steckverbinder für den Raum

Starts von LEO-, MEO- und GEO-Satelliten, die einst hauptsächlich NASA-Missionen mit speziellen Raumfahrzeugen oder Kommunikations-/Navigationssatelliten waren, sind mittlerweile fast Routine. Manche dieser Starts führen zur Aussetzung von einem Dutzend oder mehr Satelliten, darunter die kleinen und beliebten CubeSats, die von Universitäten, Forschungsinstituten und sogar Amateurwissenschaftlergruppen entwickelt werden.

Der Weltraum stellt jedoch eine extreme Umgebung für elektronische Bauteile aller Art dar. Zu den potenziellen Problemen zählen Wackelkontakte, Leistungseinbußen und sogar Totalausfälle. Diese Probleme beginnen mit den Vibrationen beim Start und setzen sich durch die Kälte und das Vakuum im Orbit und darüber hinaus fort.

Diese Herausforderungen stellen hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Steckverbindern und schränken deren Konstruktion und Implementierung ein. All dies ist durch die hohe Priorität der Zuverlässigkeit und die Unpraktikabilität oder Unmöglichkeit einer Reparatur oder eines Austauschs im Flug miteinander verbunden. Neben Größe, Gewicht, Stößen und Vibrationen zählen Ausgasung, Restmagnetismus, extreme Temperaturen und Temperaturwechsel, kosmische Strahlung, Überschläge und die Ausrichtung der Steckverbinder zu den weiteren Problemen

• Gewicht und Größe (Volumen): Ein Raumfahrzeug und sein Satellit sind hinsichtlich dieser beiden Faktoren stark eingeschränkt, bedingt durch die Treibstoffeffizienz und die Tatsache, dass bei einem volumenbegrenzten Raumfahrzeug jeder Kubikzentimeter Volumen kostbar ist.
• Beschleunigung, Vibration und Stoß: Die extreme Startphase erzeugt Kräfte im Bereich von mehreren zehn g über einen weiten Frequenzbereich. Daher werden für die Raumfahrt zugelassene Steckverbinder üblicherweise mit Verriegelungsschrauben oder ineinandergreifenden Konstruktionen ausgestattet, um eine sichere Verbindung zu gewährleisten.
• Ausgasung: Die Hitze und das Vakuum im Weltraum erhöhen die Ausgasungsrate von Steckverbindern. Materialien wie Elastomere und Kunststoffe können flüchtige organische Verbindungen (VOCs) langsam freisetzen, die im Material gelöst, eingeschlossen, gefroren oder als Gas oder Dampf absorbiert wurden. Selbst Epoxidharze und andere gängige Klebstoffe können diese VOCs freisetzen, weshalb Spezialklebstoffe erforderlich sind. VOCs können zu Verunreinigungen führen, die die Leistung missionskritischer Geräte erheblich beeinträchtigen können, indem sie empfindliche Instrumente und optische Oberflächen stören. Bei weltraumtauglichen Steckverbindern werden die VOCs durch Ausheizen der Steckverbinder bei hoher Temperatur in einem Vakuumofen aus dem Material entfernt.
• Restmagnetismus: Dieser kann die Funktion benachbarter Schaltkreise und Teilsysteme beeinträchtigen und zu fehlerhaften Messwerten von Präzisionssensoren führen. Um dies zu minimieren, ist es gegebenenfalls erforderlich, nichtmagnetische Werkstoffe wie Kupferlegierungen zu verwenden.
• Temperaturbereich: Der erweiterte Temperaturbereich für weltraumtaugliche Steckverbinder liegt typischerweise zwischen -65 °C und +150 °C. Allerdings ist auch die thermische Belastung ein Problem: Die dadurch entstehenden wiederholten Spannungen können Mikrorisse und schließlich Ermüdungsbrüche verursachen. Einige Satelliten sind so konstruiert, dass sie rotieren, um die Durchschnittstemperatur zwischen der sonnenzugewandten und der beschatteten Seite auszugleichen. Dies ist für größere Satelliten jedoch keine ausreichende Lösung, da die Oberfläche und der Untergrund im Vergleich zum Inneren weiterhin erheblichen thermischen Belastungen ausgesetzt sein können. Bei kleinen Satelliten, wie beispielsweise CubeSats, befinden sich fast alle Komponenten relativ nahe an der Oberfläche.
• Kosmische Strahlung: Diese nimmt mit steigender Flughöhe des Satelliten und der damit einhergehenden Ausdünnung der Erdatmosphäre zu. Die Auswirkungen dieser unvermeidbaren Strahlung ähneln denen elektromagnetischer Störungen (EMI). Obwohl das Metallgehäuse des Raumfahrzeugs einen gewissen Schutz bietet, kann eine zusätzliche Abschirmung für strahlungsempfindliche Leiterplatten oder Kabel erforderlich sein.
• Überspannung: Dies ist eine kontinuierliche, hochenergetische elektrische Entladung von einem Leiter zur nächstgelegenen Metalloberfläche. Die Spannung der Entladungen variiert je nach Dichte der Luftmoleküle, wobei das Vakuum des Weltraums den Extremfall darstellt. Daher müssen Steckverbinder für die jeweilige Höhe ausgelegt sein.
• Physikalische Aspekte: Die Ausrichtung des Steckers und seines Kabels ist entscheidend. Satelliten sind bekanntermaßen dicht gepackt, und die weit verbreiteten, aber winzigen CubeSats treiben diese Dichte auf ein neues Niveau (Abbildung 1). Eine CubeSat-Einheit (U) ist standardisiert auf 10 × 10 × 10 Zentimeter (cm), und ein vollständiger CubeSat kann 1U, 2U, 3U, 6U oder 12U groß sein.

Abbildung 1: Das beliebte CubeSat-Satellitendesign basiert auf einem standardisierten kleinen Modulformat, das das Stapeln in verschiedenen Längenabstufungen ermöglicht. (Bildquelle: Harwin)

Wenn der Stecker so konstruiert ist, dass die Drähte senkrecht zur Leiterplatte verlaufen, darf der Abstand zwischen den Platinen im CubeSat nicht sehr groß sein, da Stecker und Drähte sich gegenseitig behindern würden. Horizontale Stecker und passende Drahtbündel lösen dieses Problem jedoch, indem sie die Drähte vom Rand der Leiterplatte seitlich um den Rand des Stapels herumführen. Dadurch wird der benötigte Abstand über der Leiterplatte reduziert.

Eine Einheitsgröße passt nicht allen, und das wird wohl auch nie der Fall sein.

Die unterschiedlichen Spannungen, Ströme, Frequenzen und sonstigen Leistungsanforderungen verschiedener Verbindungswege führen dazu, dass eine einzelne Steckverbinderfamilie in vielen Situationen die Spezifikationen deutlich verfehlen oder übertreffen kann. Beide Zustände sind aus unterschiedlichen Gründen nicht akzeptabel. Darüber hinaus gibt es keinen einheitlichen Standard für Steckverbinder in Raumfahrtqualität. Stattdessen existieren Standards für spezifische Leistungsmerkmale wie die Ausgasung. Die NASA National Points Selection List (NPSL) dient als Leitfaden für die Spezifizierung von Komponenten für Raumfahrttechnologien, und die Komponenten auf diesen Qualified Parts Lists (QPLs) sind speziell für Raumfahrtanwendungen ausgelegt. In Europa tragen Steckverbinder in Raumfahrtqualität die Qualifikation der Europäischen Weltraumorganisation (ESA/ESCC).

Bei der Auswahl von Steckverbindern muss der Entwickler ein ausgewogenes Verhältnis zwischen Steckverbinderspezifikationen und kritischer Missionsleistung finden. Eine Überdimensionierung der Steckverbinder kann zu erheblichen Kosten- und Verfügbarkeits-/Terminproblemen führen. Gleichzeitig wäre es bedauerlich und frustrierend, wenn ein CubeSat aufgrund unzureichender oder falsch verstandener Verbindungsprobleme vorzeitig ausfiele. Daher ist es wichtig, eine realistische Einschätzung der Projektanforderungen in Bezug auf Steckverbinder- und Kabeloptionen zu gewährleisten.

Es stehen Ihnen zahlreiche Optionen zur Verfügung, die Ihren Bedürfnissen gerecht werden

Um Planern die optimale Anpassung ihrer Steckverbinder an die räumlichen Gegebenheiten zu ermöglichen, bieten Anbieter wie Harwin verschiedene Steckverbinderfamilien an. Jede Familie wiederum verfügt über zahlreiche Varianten hinsichtlich Kontakttyp und -anzahl, Kontaktanordnung, Befestigungsmöglichkeiten und weiterer Merkmale. Zu den wichtigsten Steckverbinderfamilien von Harwin gehören:

• Die Mix-Tek Datamate- bietet eine Vielzahl von Konfigurationen für Signal-, Strom- und Koaxialanschlüsse, sodass Ingenieure die für ihre Anwendungen optimalen Anschlusskonfigurationen auswählen können (Abbildung 2). Die Stromkontakte sind bis zu 20 Ampere (A) ausgelegt, die Signalkontakte bis zu 3 A und die Koaxialkontakte bieten eine Leistungsfähigkeit von 6 Gigahertz (GHz) bei einer Impedanz von 50 Ohm (Ω).

Abbildung 2: Die Mix-Tek Datamate-Serie unterstützt Kombinationen von Signal- (3 A), Strom- (20 A) und Koaxialanschlüssen (6 GHz). (Bildquelle: Harwin)

Die hohe Zuverlässigkeit beruht auf der Verwendung präzisionsgefertigter Kontakte in Kombination mit Harwins vierfingrigen Berylliumkupfer-Kontaktklemmen. Mix-Tek-Steckverbinder sind in verschiedenen kabel- und platinenfertigen Ausführungen mit bis zu 50 Niederfrequenzkontakten oder 12 Spezialkontakten (Koaxial- und Stromkontakte) erhältlich. Dank des 2-mm-Rasters lassen sich die Steckverbinder mit nahezu jeder Kombination von Signal-, Strom- und Koaxialkontakten kombinieren.

• Die Kona- Familie hochzuverlässiger 8,5-mm-Rastersteckverbinder bietet eine hochwertige Hochstromverbindung für anspruchsvolle Umgebungen (Abbildung 3). Die einzeln beschichteten Kontakte ermöglichen einen Dauerstrom von 60 A bei 3000 V pro Kontakt und sind für 250 Steckzyklen ausgelegt. Die sechspolige Kontaktkonstruktion aus Berylliumkupfer mit Goldbeschichtung gewährleistet die elektrische Leitfähigkeit auch bei starken Stößen und Vibrationen. Die Steckverbinder sind in einem kompakten, einreihigen Gehäuse für die Leiterplattenmontage erhältlich.

Abbildung 3: Die Kona-Serie von 8,5-mm-Rastersteckverbindern unterstützt bis zu 60 A Gleichstrom und 3000 Volt pro Kontakt. (Bildquelle: Harwin)

• Die M300-Leistungssteckverbinder bieten eine Reihe hochzuverlässiger und leistungsstarker Nennleistungen und ermöglichen eine kompakte Stromverbindung mit bis zu 10 A pro Kontakt. Dadurch bieten sie eine leichte und robuste Lösung, die sich auch unter extremen Bedingungen bewährt hat (Abbildung 4). Die Steckverbinder sind mit Edelstahlschrauben gegen Vibrationen und Stöße geschützt.

Abbildung 4: Die M300-Stromverbinder ermöglichen eine kompakte Stromverbindung mit bis zu 10 A pro Kontakt. (Bildquelle: Harwin)

Die bewährte Vierfinger-Kontaktkonstruktion gewährleistet die elektrische Leitfähigkeit auch bei starken Vibrationen und Stößen. Diese Leiterplattensteckverbinder mit 3 mm Rastermaß, Crimp-Drahtverbinder und vorkonfektionierte Kabelbäume sind temperaturbeständig von -65 °C bis +175 °C und für 1000 Steckzyklen ausgelegt.

Der CubeSat versorgt eine besondere Familie mit Energie

Die Gecko-Familie von Steckverbindern und Kabelkonfektionen wurde für die relativ hohen Stückzahlen und weniger strengen Abmessungen von CubeSat-Anwendungen entwickelt (Abbildung 5). Diese Steckverbinder bieten eine flache Lösung für die Verbindung von Drähten mit Leiterplatten und von Leiterplatte zu Leiterplatte und eignen sich besonders gut für das Stapeln und Bündeln von Kabeln in Bereichen mit begrenztem Platz auf Leiterplatten.

Abbildung 5: Die Gecko-Familie flacher Steckverbinder ist in einer Vielzahl von Ausführungen, Konfigurationen und Kontaktanzahlen erhältlich. (Bildquelle: Harwin)

Gecko-Steckverbinder mit 1,25 mm Rastermaß sind äußerst zuverlässige Rechtecksteckverbinder und werden als Steckverbindergehäuse mit separat bestellbaren, austauschbaren Kontakten geliefert. Die Steckverbinder verwenden Crimp-Kontakte und -Gehäuse für Drahthülsen und sind in Stecker- und Buchsenausführungen erhältlich. Leiterplattensteckverbinder mit vertikalen und horizontalen Bohrungen sowie vertikale SMD-Steckverbinder eignen sich für Draht-zu-Draht-, Draht-zu-Leiterplatte- und Leiterplatten-zu-Leiterplatte-Verbindungen.

Gecko-Stecker sind bis zu 45 % kleiner und bis zu 75 % leichter als branchenübliche und Micro-D-Stecker und wiegen typischerweise etwa 1 Gramm. Sie werden in drei nicht austauschbaren Varianten angeboten:

• Gecko-SL (Screw-Lok) Steckverbinderserie: Jeder Steckverbinder verfügt über schwimmende Schrauben für eine sichere und robuste Verbindung mit dem Gegenstück (Abbildung 6). Screw-Loks können zusätzlich Befestigungsbolzen für Leiterplatten oder Gehäuse zur sicheren Fixierung besitzen. Die Kontakte sind für 2,8 A pro Kontakt und 2,0 A für alle Kontakte gleichzeitig ausgelegt. Diese Steckverbinder sind als horizontale Steckverbinder und passende Kabelkonfektionen für die hochdichte Bestückung von Leiterplatten erhältlich.

Abbildung 6: Die Kontakte der Gecko-SL-Serie haben eine Nennleistung von 2,8 A pro Einzelkontakt und 2,0 A für alle Kontakte gleichzeitig. (Bildquelle: Harwin)

Beispielsweise handelt es sich bei dem G125-3241696M2 um einen rechteckigen 16-poligen Gecko-SL-Einbaustecker mit einem Rastermaß von 1,25 mm (Abbildung 7).

Abbildung 7: Der Gecko-SL G125-3241696M2 ist ein rechteckiger, 16-poliger Gecko-SL-Einbaustecker mit einem Rastermaß von 1,25 mm. (Bildquelle: Harwin)

• Gecko-MT (Mixed Technology): Diese Steckverbinder sind Varianten der Gecko-SL-Serie (Abbildung 8) in gemischter Bauweise. Durch die Ergänzung der Datenkontakte mit zwei oder vier 10-A-Stromkontakten in 1+8+1- oder 2+8+2-Strom-/Datenkonfigurationen ermöglichen Gecko-MT-Produkte eine deutliche Reduzierung von Größe und Gewicht der elektronischen Hardware.

Abbildung 8: Der Gecko-MT ähnelt der Gecko-SL-Serie, unterstützt jedoch gemischte Signal- und Leistungskontakte in einem einzigen Steckergehäuse. (Bildquelle: Harwin)

Sie sind als Kabel- oder Durchgangsloch-Varianten mit den gleichen Screw-Lok-Befestigungsvarianten wie die Gecko-SL-Steckverbinder und in einer Vielzahl von Signal- (zweireihig) und Leistungskontaktkonfigurationen (einreihig) erhältlich.

Der G125-FV10805F1-1AB1ABP ist ein 10-poliger Gecko-MT-Buchsenstecker mit acht Signalkontakten und zwei Leistungskontakten, sodass ein einziger Stecker beide Funktionen übernehmen kann (Abbildung 9).

Abbildung 9: Der Gecko-MT-Steckverbinder G125-FV10805F1-1AB1ABP verfügt über acht Signalkontakte und zwei Leistungskontakte. (Bildquelle: Harwin)

• Gecko-Verriegelung (Originaldesign): Die Stecker dieser Familie können mit leicht zu lösenden Verriegelungsmechanismen für eine sichere Verbindung mit dem passenden weiblichen Stecker ausgestattet werden (Abbildung 10).

Abbildung 10: Gecko-Latch-Steckverbinder ermöglichen eine einfache Entriegelung der Stecker- und Buchsenpaare. (Bildquelle: Harwin)

Der G125-FS12005LOR, ein 20-poliger SMD-Buchsenstecker, ist ein Beispiel für die Gecko-Latch-Konstruktion (Abbildung 11).

Abbildung 11: Der 20-polige SMD-Steckverbinder G125-FS12005L0R gehört zur Gecko Latch-Familie. (Bildquelle: Harwin)

Die Serien Gecko-SL und Latch bieten 6 bis 50 Kontakte in zweireihiger Ausführung. Die Steckergehäuse sind polarisiert, um ein falsches Stecken zu verhindern, und der erste Kontakt ist außen am Gehäuse gekennzeichnet.

Optionale Metallrückabdeckungen, die mit Gecko-SL- und Gecko-MT-Steckverbindern kompatibel sind, bieten Schutz vor mechanischen Störungen, Hochfrequenzstörungen (HF) und elektromagnetischen Störungen (EMI), wie beispielsweise die G125-9702002für 20-polige Gecko-SL-Steckverbinder (Abbildung 12).

Abbildung 12: Metallene Rückabdeckungen, wie beispielsweise diese G125-9702002 für 20-polige Gecko-SL-Steckverbinder, bieten Anwendern die Möglichkeit, ihre Gecko-SL- und Gecko-MT-Steckverbinder mit einem verbesserten mechanischen Schutz und einer höheren EMV-Abschirmung auszustatten. (Bildquelle: Harwin)

Durch die optionale Gestaltung der Rückseitenabdeckungen wird vermieden, dass Designs, die keinen solchen Schutz benötigen, durch das Gewicht eines metallummantelten Steckers belastet werden. Für zusätzliche Flexibilität werden die Rückseitenabdeckungen an der Leiterplatte und nicht am Stecker befestigt.

Vergessen Sie nicht das Kabel und das Befestigungsmaterial

Die Auswahl des richtigen Steckers ist zwar zeitaufwendig, aber nur ein Teilaspekt der Konnektivität, denn die zugehörige Verkabelung ist ebenso wichtig. Je nach Signalart und Installation stehen verschiedene Verbindungsmöglichkeiten zur Verfügung, darunter blanke Drähte, verdrillte Adernpaare, geschirmte Kabel und Koaxialkabel. Für die Beschaffung einer Kabelkonfektion stehen Planern fünf Optionen zur Verfügung:

1. Selbstgemacht (hausgemacht)
2. Verwenden Sie vorkonfektionierte Kontakte und Kabel
3. Verwenden Sie vorkonfektionierte Kabelsätze
4. Geben Sie ein komplettes, individuell angefertigtes Kabelset an, das eine Variation der Standardprodukte darstellt
5. Bestellen Sie ein vollständig individuell angepasstes Kabelset, das speziell auf Ihre Anforderungen zugeschnitten ist

Dank der weitverbreiteten Verwendung von Gecko-Steckverbindern sind viele der benötigten Kabelkonfektionen als standardisierte, sofort einsatzbereite Artikel erhältlich, was Lieferzeiten und Unsicherheiten reduziert. Zum Beispiel die

G125-FC11205F0-0150F0 ist eine 12-polige Kabelbaugruppe mit einer Länge von 150 mm, die für rechteckige Stecker-zu-Stecker-Verbindungen ausgelegt ist (Abbildung 13).

Abbildung 13: Das Kabel und die gesamte Baugruppe bilden die komplette Verbindung; diese G125-FC11205F0-0150F0 ist eine 12-polige, 150 mm lange Kabelbaugruppe für rechteckige Stecker-zu-Stecker-Verbindungen und ist als Standardkomponente erhältlich. (Bildquelle: Harwin)

Abschluss:

Es ist wichtig, die kleinstmöglichen und leichtesten Steckverbinder für den erforderlichen Leistungsbereich auszuwählen und nicht zu überdimensionieren, wenn engere Zahlen oder Zielvorgaben nicht erforderlich sind.

Dies trifft insbesondere auf den CubeSat-Markt zu, da diese Miniatursatelliten so konstruiert sind, dass sie auf einer Rakete gestapelt werden können, wo sowohl Platz als auch Gewicht eine sehr wichtige Rolle spielen.

Bei diesen beliebten, fast schon massentauglichen Satelliten ermöglichen Gecko-Steckverbinder und Kabelkonfektionen den Entwicklern, Leistung und Kosten im Gleichgewicht zu halten und gleichzeitig die vielfältigen, manchmal widersprüchlichen Kompromisse bei der Komponentenauswahl auszubalancieren.

Von Bill Schweber