Bien qu'elles soient moins prestigieuses que l'électronique embarquée ou qu'elles ne soient pas directement liées à la mission globale du satellite, leurs performances, leur fiabilité et leur constance sont essentielles à la conception, au déploiement et à la durée de la mission. Par conséquent, le choix et la mise en œuvre d'interconnexions appropriées constituent un facteur déterminant pour la réussite de la mission. Elles doivent assurer les fonctionnalités essentielles tout en minimisant la taille et le poids, et répondre simultanément aux exigences spécifiques de fiabilité et d'endurance liées au lancement et au vol spatial.

Heureusement, en raison du besoin relativement important d'interconnexions au XXIe siècle, les connecteurs et câbles adaptés aux environnements spatiaux sont désormais des composants standard disponibles auprès des fournisseurs via les distributeurs, un changement majeur par rapport à il y a seulement une ou deux décennies, lorsqu'il s'agissait d'articles spécialisés, souvent fabriqués sur mesure.

Cet article examine les exigences relatives aux connecteurs et câbles destinés à l'espace, ainsi que leur sélection appropriée. Il présente ensuite des solutions concrètes proposées par Harwin qui contribuent à la réussite des missions.

Exigences en matière de câbles et de connecteurs pour l'espace

Les lancements de satellites en orbite basse (LEO), moyenne (MEO) et géostationnaire (GEO), autrefois principalement des missions de la NASA avec des engins spatiaux spécialisés ou des satellites de communication/navigation, sont devenus presque routiniers. Certains de ces lancements permettent le déploiement d'une douzaine de satellites, voire plus, y compris les CubeSats, petits et populaires, développés par des universités, des instituts de recherche et même des groupes de scientifiques amateurs.

Cependant, l'espace représente un environnement hostile pour tous types de composants électroniques. Parmi les problèmes potentiels figurent les connexions intermittentes, les performances inférieures aux spécifications et même les pannes pures et simples. Ces problèmes apparaissent dès les vibrations du lancement et persistent dans le froid et le vide orbital, et même au-delà.

Ces problèmes imposent de nombreuses exigences en matière de performances des connecteurs, ainsi que des contraintes sur leur conception et leur mise en œuvre. Tous ces éléments sont liés par la priorité absolue accordée à la fiabilité et par l'impossibilité, voire l'impossibilité, de procéder à une réparation ou à un remplacement en vol. Outre la taille, le poids, les chocs et les vibrations, d'autres problèmes peuvent survenir, tels que le dégazage, le magnétisme résiduel, les températures extrêmes et les cycles thermiques, le rayonnement cosmique, les contournements et l'orientation du connecteur

• Poids et taille (volume) : Un véhicule spatial et son satellite sont très limités sur ces deux facteurs par l'efficacité énergétique et par le fait que chaque centimètre cube de volume est précieux dans une conception spatiale à volume limité.
• Accélération, vibrations et chocs : la phase de lancement brutale génère des accélérations de plusieurs dizaines de g sur une large gamme de fréquences. C’est pourquoi les connecteurs spatiaux sont généralement équipés, dans la mesure du possible, de vis de verrouillage ou de systèmes d’emboîtement afin de garantir une connexion fiable.
• Dégazage : La chaleur et le vide spatial accélèrent le dégazage des connecteurs. Des matériaux comme les élastomères et les plastiques peuvent libérer lentement des composés organiques volatils (COV) dissous, piégés, congelés ou absorbés sous forme de gaz ou de vapeur. Même les époxydes et autres adhésifs courants peuvent libérer ces COV, ce qui impose l’utilisation d’adhésifs spécifiques. Les COV peuvent contaminer les équipements critiques et perturber leur fonctionnement, notamment celui des instruments sensibles et des surfaces optiques. Dans le cas des connecteurs spatiaux, les COV sont éliminés par cuisson à haute température dans une étuve sous vide.
• Magnétisme résiduel : celui-ci peut perturber le fonctionnement des circuits et sous-systèmes voisins, entraînant des mesures erronées de la part des capteurs de précision. Pour minimiser ce phénomène, il peut être nécessaire d’utiliser, dans la mesure du possible, des matériaux non magnétiques, tels que les alliages de cuivre.
• Plage de températures : La plage de températures étendue pour les connecteurs spatiaux est généralement de -65 °C à +150 °C. Cependant, les cycles thermiques constituent également un problème : les contraintes répétées qui en résultent peuvent induire des microfissures et, à terme, des ruptures par fatigue. Certains satellites sont conçus pour pivoter afin d’égaliser leur température moyenne entre les faces exposées au soleil et celles à l’ombre. Cette solution est inadéquate pour les grands satellites, car leur surface et leur sous-surface peuvent encore être soumises à des cycles thermiques importants, contrairement à leurs parties internes. Dans les petits satellites, tels que les CubeSats, la quasi-totalité des composants sont relativement proches de la surface.
• Rayonnement cosmique : son intensité augmente avec l’altitude de fonctionnement du satellite et l’amincissement de l’atmosphère terrestre. Les effets de ce rayonnement inévitable sont comparables à ceux des interférences électromagnétiques (IEM). Bien que le boîtier métallique du satellite offre une certaine protection, un blindage supplémentaire peut s’avérer nécessaire pour les circuits imprimés ou les câbles sensibles au rayonnement.
• Surtension électrique : il s’agit d’une décharge électrique continue et de forte intensité entre un conducteur et la surface métallique la plus proche. Les décharges électriques se produisent à différents niveaux de tension selon la densité des molécules d’air, le vide spatial constituant le cas extrême. Par conséquent, les connecteurs doivent avoir une tension nominale adaptée à l’altitude.
• Considérations physiques : L’orientation du connecteur et de son câble est cruciale. Les satellites sont, de toute évidence, très denses, et les CubeSats, petits mais populaires, poussent cette densité encore plus loin (Figure 1). Une unité CubeSat (U) est standardisée à 10 × 10 × 10 cm, et un CubeSat complet peut avoir une taille de 1U, 2U, 3U, 6U ou 12U.

Figure 1 : La conception répandue des satellites CubeSat repose sur un format de module standard de petite taille permettant un empilement en différentes longueurs. (Source de l’image : Harwin)

Si le connecteur est conçu de sorte que les fils soient orientés verticalement, perpendiculairement à la carte de circuit imprimé, les cartes à l'intérieur du CubeSat ne peuvent être très éloignées les unes des autres, sous peine de voir le connecteur et les fils interférer. En revanche, les connecteurs horizontaux et les faisceaux de câbles correspondants résolvent ce problème en acheminant les fils depuis le bord de la carte de circuit imprimé latéralement, le long du bord de la pile, réduisant ainsi l'espace requis au-dessus de la carte.

Il n'existe pas de solution unique qui convienne à tous, et il n'y en aura probablement jamais.

Les variations de tension, de courant, de fréquence et autres exigences de performance des différentes interconnexions impliquent qu'une même famille de connecteurs peut, dans de nombreuses situations, présenter des performances bien inférieures ou supérieures aux spécifications. Aucune de ces situations n'est acceptable, même si les raisons diffèrent. De plus, il n'existe pas de norme unique définissant un connecteur de qualité spatiale. Il existe plutôt des normes relatives à des attributs de performance spécifiques, tels que le dégazage. La liste nationale de sélection des points (NPSL) de la NASA sert de guide pour la spécification des composants destinés aux technologies spatiales, et les composants figurant sur ces listes de pièces qualifiées (QPL) sont spécifiques aux applications spatiales. En Europe, les connecteurs de qualité spatiale sont qualifiés par l'Agence spatiale européenne (ESA/ESCC).

Le concepteur chargé du choix des connecteurs doit trouver un juste équilibre entre leurs spécifications et les impératifs de la mission. Un surdimensionnement des connecteurs peut engendrer des coûts importants et des problèmes de disponibilité et de délais. Parallèlement, il serait regrettable et frustrant qu'un CubeSat tombe en panne prématurément en raison de problèmes de connexion inadéquats ou mal compris. Il est donc essentiel de présenter une vision réaliste des exigences du projet en ce qui concerne les options de connecteurs et de câbles.

De nombreuses options sont disponibles pour répondre à vos besoins

Pour aider les concepteurs à adapter au mieux leurs choix aux contraintes d'espace, des fournisseurs comme Harwin proposent plusieurs familles de connecteurs. Chaque famille offre de nombreuses variantes en termes de type et de nombre de contacts, de disposition des contacts, d'options de fixation et d'autres caractéristiques. Voici quelques-unes des familles de connecteurs Harwin les plus pertinentes :

• La Mix-Tek Datamate offre une grande variété de configurations pour les connecteurs de signal, d'alimentation et coaxiaux, permettant aux ingénieurs de sélectionner les configurations de connecteurs les mieux adaptées à leurs applications (Figure 2). Les contacts d'alimentation supportent jusqu'à 20 ampères (A), les contacts de signal 3 A et les contacts coaxiaux offrent des performances à 6 gigahertz (GHz) avec une impédance de 50 ohms (Ω).

Figure 2 : La gamme Mix-Tek Datamate prend en charge différentes combinaisons de connecteurs : signal (3 A), alimentation (20 A) et coaxial (6 GHz). (Source de l’image : Harwin)

La grande fiabilité est due à l'utilisation de contacts usinés et de clips de contact en cuivre-béryllium à quatre doigts de Harwin. Les connecteurs Mix-Tek sont disponibles dans diverses configurations prêtes à l'emploi pour câbles et cartes, avec jusqu'à 50 contacts basse fréquence ou 12 contacts spéciaux (coaxiaux et d'alimentation). Grâce à leur pas de 2 mm, ces connecteurs peuvent être combinés avec pratiquement n'importe quelle configuration de contacts de signal, d'alimentation et coaxiaux.

• La gamme de connecteurs Kona à pas de 8,5 mm , haute fiabilité, assure une connexion de haute qualité et à courant élevé pour les environnements exigeants (Figure 3). Les contacts, revêtus individuellement, supportent un courant continu de 60 A sous 3 000 volts par contact, avec une durée de vie de 250 cycles d'insertion/d'insertion. La conception à six contacts en cuivre-béryllium plaqué or garantit la continuité électrique même en cas de chocs et de vibrations importants. Ces connecteurs sont disponibles en boîtier compact à une rangée, en configuration fil-à-carte.

Figure 3 : La série Kona de connecteurs au pas de 8,5 mm supporte jusqu’à 60 A CC et 3 000 volts par contact. (Source de l’image : Harwin)

• Les connecteurs d'alimentation M300 offrent une gamme de puissances élevées et fiables, permettant une connexion compacte jusqu'à 10 A par contact. Ils constituent ainsi une solution légère et robuste, éprouvée même dans des conditions extrêmes (Figure 4). Les vis en acier inoxydable protègent les connecteurs contre les vibrations et les chocs.

Figure 4 : Les connecteurs d’alimentation M300 offrent une connexion compacte jusqu’à 10 A par contact. (Source de l’image : Harwin)

La conception éprouvée à quatre contacts assure la continuité électrique même en cas de fortes vibrations et de chocs. Ces connecteurs pour circuits imprimés au pas de 3 mm, les connecteurs à sertir et les câbles pré-assemblés résistent à des températures de -65 °C à +175 °C et sont conçus pour 1 000 cycles d'insertion/d'insertion.

Le CubeSat alimente une famille spéciale

La gamme de connecteurs et de câbles Gecko est conçue pour répondre aux exigences de volume relativement élevé et aux contraintes dimensionnelles moins strictes des applications CubeSat (Figure 5). Ces connecteurs offrent une solution d'interconnexion fil-carte et carte-carte compacte et sont particulièrement adaptés à l'empilage et au regroupement de câbles dans les zones où l'espace sur le circuit imprimé est limité.

Figure 5 : La gamme de connecteurs extra-plats Gecko est disponible dans un large éventail de styles, de configurations et de nombres de contacts. (Source de l’image : Harwin)

Les connecteurs Gecko, au pas de 1,25 mm, sont des connecteurs rectangulaires très fiables, fournis avec des contacts remplaçables (vendus séparément). Ils utilisent des contacts et des boîtiers à sertir et sont disponibles en versions mâle et femelle. Les connecteurs à queue pour circuits imprimés, avec trous verticaux et horizontaux, ainsi que les connecteurs CMS verticaux, sont conçus pour l'interconnexion fil-à-fil, fil-à-carte et carte-à-carte.

Les connecteurs Gecko sont jusqu'à 45 % plus petits et jusqu'à 75 % plus légers que les connecteurs standard et Micro-D équivalents, avec un poids typique d'environ 1 gramme (g). Ils sont proposés en trois variantes non interchangeables :

• Série de connecteurs Gecko-SL (Screw-Lok) : Chaque connecteur est doté de vis flottantes assurant une interconnexion sûre et robuste avec son homologue (Figure 6). Les connecteurs Screw-Lok peuvent également inclure des goujons de fixation pour carte ou panneau, garantissant ainsi le maintien de la carte de circuit imprimé ou du boîtier. Les contacts sont dimensionnés pour un courant de 2,8 A par contact isolé et de 2,0 A pour l’ensemble des contacts simultanément. Ces connecteurs sont disponibles en version horizontale et en câbles d’accouplement pour l’empilage de cartes haute densité.

Figure 6 : Les contacts de la série Gecko-SL ont une intensité admissible de 2,8 A par contact isolé et de 2,0 A pour tous les contacts simultanément. (Source de l’image : Harwin)

Par exemple, le G125-3241696M2 est un connecteur rectangulaire à 16 broches Gecko-SL à montage sur panneau avec un pas de 1,25 mm (Figure 7).

Figure 7 : Le Gecko-SL G125-3241696M2 est un connecteur rectangulaire à 16 broches pour montage sur panneau, avec un pas de 1,25 mm. (Source de l’image : Harwin)

• Gecko-MT (technologie mixte) : Ces connecteurs sont des versions hybrides de la série Gecko-SL (figure 8). En ajoutant aux contacts de données deux ou quatre contacts d’alimentation de 10 A en configurations 1+8+1 ou 2+8+2 (alimentation/données), les produits Gecko-MT permettent de réduire considérablement la taille et le poids du matériel électronique.

Figure 8 : Le Gecko-MT est similaire à la série Gecko-SL, mais il prend en charge les contacts mixtes de signal et d’alimentation dans un seul boîtier de connecteur. (Source de l’image : Harwin)

Ils sont disponibles en configurations câble ou traversante, avec les mêmes variantes de fixation Screw-Lok que les connecteurs Gecko-SL, et dans une variété de configurations de contacts de signal (double rangée) et d'alimentation (simple rangée).

Le G125-FV10805F1-1AB1ABP est un connecteur réceptacle Gecko-MT à 10 positions avec huit contacts de signal plus deux contacts d'alimentation, permettant à un seul connecteur de remplir les deux fonctions (Figure 9).

Figure 9 : Le connecteur Gecko-MT série G125-FV10805F1-1AB1ABP comporte huit contacts de signal et deux contacts d’alimentation. (Source de l’image : Harwin)

• Verrou Gecko (conception originale) : Les connecteurs mâles de cette famille peuvent être équipés de verrous de verrouillage à dégagement facile pour une interconnexion sécurisée avec le connecteur femelle correspondant (Figure 10).

Figure 10 : Les connecteurs Gecko Latch permettent un verrouillage facile entre les paires mâle et femelle. (Source de l’image : Harwin)

Le G125-FS12005LOR, un connecteur de prise à montage en surface à 20 positions, est un exemple de la conception Gecko Latch (Figure 11).

Figure 11 : Le connecteur femelle à montage en surface G125-FS12005L0R à 20 positions fait partie de la gamme Gecko Latch. (Source de l’image : Harwin)

Les connecteurs des séries Gecko-SL et Latch offrent de 6 à 50 contacts en configuration double rangée. Les boîtiers sont polarisés pour éviter tout branchement incorrect et le contact numéro un est indiqué à l'extérieur.

Des couvercles arrière métalliques optionnels compatibles avec les connecteurs Gecko-SL et Gecko-MT sont disponibles pour assurer une protection mécanique, radiofréquence (RF) et EMI, comme le G125-9702002pour les connecteurs Gecko-SL à 20 positions (Figure 12).

Figure 12 : Les capots arrière métalliques, tels que le G125-9702002 pour connecteurs Gecko-SL à 20 broches, offrent aux utilisateurs la possibilité d’ajouter une protection mécanique et électromagnétique accrue à leurs connecteurs Gecko-SL et Gecko-MT. (Source de l’image : Harwin)

En rendant les capots arrière optionnels, les conceptions qui n'exigent pas une telle protection ne sont pas alourdies par le poids d'un connecteur à boîtier métallique. Pour plus de flexibilité, les capots arrière sont fixés à la carte de circuit imprimé plutôt qu'au connecteur.

N'oubliez pas le câble et les fixations

Il est facile de consacrer du temps et de l'énergie au choix du bon connecteur, mais ce n'est qu'une partie de la solution, car le câblage associé est tout aussi important. Les options d'interconnexion, dictées par le type de signal et l'installation, comprennent le fil nu, la paire torsadée, le câble blindé et le câble coaxial. Les concepteurs disposent de cinq options pour le choix d'un câble :

1. Bricolage (fait maison)
2. Utilisez des contacts et des câbles prédécoupés
3. Utilisez des ensembles de câbles pré-assemblés
4. Spécifiez un jeu de câbles complet et sur mesure, qui constitue une variante des produits standard
5. Spécifiez un ensemble de câbles entièrement personnalisé, fabriqué spécifiquement selon vos besoins

Grâce à l'utilisation généralisée des connecteurs Gecko, de nombreux câbles nécessaires sont disponibles en standard, prêts à l'emploi, ce qui réduit les délais de livraison et les incertitudes. Par exemple,

G125-FC11205F0-0150F0 est un ensemble de câbles à 12 positions d'une longueur de 150 mm et conçu pour des interconnexions rectangulaires fiche-à-fiche (Figure 13).

Figure 13 : Le câble et son ensemble constituent l’interconnexion complète ; ce câble G125-FC11205F0-0150F0, d’une longueur de 150 mm et comportant 12 positions, est destiné aux interconnexions rectangulaires de type fiche-fiche et est disponible en standard. (Source de l’image : Harwin)

Conclusion:

Il est important de rechercher les connecteurs les plus petits et les plus légers possibles pour la plage de performances requise et de ne pas surdimensionner les connecteurs lorsque des chiffres ou des objectifs plus stricts ne sont pas nécessaires.

Cela est particulièrement vrai sur le marché des CubeSats, car ces satellites miniatures sont conçus pour être empilés sur une fusée, où l'espace et le poids sont des facteurs très importants.

Pour ces satellites populaires, presque destinés au grand public, les connecteurs et les câbles Gecko permettent aux concepteurs de gérer les réalités en matière de performances et de coûts tout en s'efforçant d'équilibrer les multiples compromis, parfois contradictoires, dans le choix des composants.

Par Bill Schweber