Sebbene possano non avere il fascino dell'elettronica attiva di bordo o non essere al centro della missione più ampia del satellite, le loro prestazioni, affidabilità e costanza sono vitali per la progettazione, il dispiegamento e la durata della missione. Pertanto, la selezione e l'implementazione di interconnessioni appropriate è un fattore critico per il successo della missione. Devono fornire funzionalità essenziali riducendo al minimo dimensioni e peso, e al contempo soddisfare i requisiti specifici di affidabilità e resistenza del lancio e del volo spaziale.

Fortunatamente, grazie alla necessità del XXI secolo di un volume relativamente elevato di interconnessioni, i connettori e i cavi per applicazioni spaziali sono ormai componenti standard disponibili presso i fornitori tramite i distributori, un cambiamento radicale rispetto a solo uno o due decenni fa, quando si trattava di articoli specializzati, spesso realizzati su misura.

Questo articolo esamina i requisiti per connettori e cavi adatti all'uso spaziale e la loro corretta selezione. Presenta quindi soluzioni concrete di Harwin che possono contribuire al successo della missione.

Requisiti di cavi e connettori per lo spazio

I lanci di satelliti LEO, MEO e GEO, un tempo principalmente missioni della NASA con veicoli spaziali esoterici o satelliti per comunicazioni/navigazione, sono diventati quasi una routine. Alcuni di questi lanci comportano il dispiegamento di una dozzina o più di satelliti, inclusi i piccoli e diffusi CubeSat sviluppati da università, alcuni istituti di ricerca e persino gruppi di scienziati amatoriali.

Tuttavia, lo spazio è un ambiente ostile per i componenti elettronici di ogni tipo. I potenziali problemi includono connessioni intermittenti, prestazioni al di sotto delle specifiche e persino guasti completi. Queste problematiche iniziano con le vibrazioni del lancio e si estendono al freddo e al vuoto dell'utilizzo in orbita e oltre.

Queste problematiche impongono numerose esigenze in termini di prestazioni dei connettori, nonché vincoli alla loro progettazione e implementazione. Tutte queste problematiche sono accomunate dalla priorità generale dell'affidabilità e dall'impraticabilità o impossibilità di riparare o sostituire i connettori in volo. Oltre a dimensioni, peso, urti e vibrazioni, altri problemi includono il degassamento, il magnetismo residuo, le temperature estreme e i cicli termici, le radiazioni cosmiche, le scariche elettriche e l'orientamento dei connettori

• Peso e dimensioni (volume): un veicolo spaziale e il suo satellite sono fortemente limitati in questi due fattori dall'efficienza del carburante e dal fatto che ogni centimetro cubo di volume è prezioso in un progetto spaziale con limitazioni di volume.
• Accelerazione, vibrazioni e urti: la fase di lancio, caratterizzata da forti accelerazioni, genera decine di g su un'ampia gamma di frequenze. Per questo motivo, i connettori per applicazioni spaziali solitamente prevedono viti di bloccaggio o design a incastro, ove possibile, per garantire una connessione sicura.
• Degassamento: le condizioni di calore e vuoto dello spazio aumentano il tasso di degassamento dei connettori. Materiali come elastomeri e plastiche possono rilasciare lentamente composti organici volatili (COV) che sono stati disciolti, intrappolati, congelati o assorbiti nel materiale sotto forma di gas o vapore. Anche le resine epossidiche e altri adesivi comuni possono rilasciare questi COV, rendendo necessario l'uso di adesivi speciali. I COV possono causare contaminazioni che possono compromettere gravemente le prestazioni delle apparecchiature critiche per la missione, interferendo con strumenti sensibili e superfici ottiche. Nel caso di un connettore per applicazioni spaziali, i COV vengono "espulsi" dal materiale cuocendo i connettori ad alta temperatura in un forno sottovuoto.
• Magnetismo residuo: questo può interferire con il funzionamento dei circuiti e dei sottosistemi vicini, causando letture errate da parte dei sensori di precisione. Per minimizzare questo effetto, potrebbe essere necessario utilizzare, ove possibile, materiali non magnetici, come le leghe di rame.
• Intervallo di temperatura: l'intervallo esteso per i connettori per applicazioni spaziali è in genere compreso tra -65 °C e +150 °C. Tuttavia, anche i cicli termici rappresentano un problema: le sollecitazioni ripetute derivanti da tali cicli possono indurre microfratture e, infine, fratture da fatica. Alcuni satelliti sono progettati per ruotare al fine di equalizzare la temperatura media tra i lati esposti al sole e quelli in ombra. Questa soluzione è inadeguata per i satelliti di grandi dimensioni, poiché la superficie e il sottosuolo possono comunque essere soggetti a cicli termici significativi rispetto alle parti interne più profonde. Nei piccoli satelliti, come i CubeSat, quasi tutti i componenti si trovano relativamente vicini alla superficie.
• Radiazioni cosmiche: queste aumentano con l'aumentare dell'altitudine operativa del satellite e con l'assottigliarsi dell'atmosfera protettiva terrestre. Gli effetti di queste radiazioni inevitabili sono in qualche modo simili a quelli delle interferenze elettromagnetiche (EMI). Sebbene l'involucro metallico del veicolo spaziale fornisca un certo livello di protezione, potrebbe essere necessaria una schermatura aggiuntiva per i circuiti stampati o i cavi sensibili all'esposizione alle radiazioni.
• Sovratensione elettrica: si tratta di una scarica elettrica continua ad alta corrente da un conduttore verso la superficie metallica più vicina. Le scariche elettriche si verificano a diversi livelli di tensione a seconda della densità delle molecole d'aria, con il vuoto dello spazio che rappresenta il caso estremo. Pertanto, i connettori devono avere una tensione nominale adeguata all'altitudine.
• Considerazioni fisiche: l'orientamento del connettore e del relativo cavo è fondamentale. Ovviamente, i satelliti sono densamente impacchettati e i popolari, ma minuscoli, CubeSat stanno portando questa densità a un nuovo livello (Figura 1). Un'unità CubeSat (U) è standardizzata a 10 × 10 × 10 centimetri (cm) e un CubeSat completo può avere dimensioni di 1U, 2U, 3U, 6U o 12U.

Figura 1: Il design del popolare satellite CubeSat si basa su un formato standard di piccoli moduli che consente l'impilamento in diverse lunghezze incrementali. (Fonte immagine: Harwin)

Se il connettore è progettato in modo che i fili siano orientati verticalmente ad angolo retto rispetto al circuito stampato, le schede all'interno del CubeSat non possono essere molto distanti tra loro, poiché il connettore e i fili interferirebbero. Tuttavia, i connettori orizzontali e i relativi cablaggi risolvono questo problema instradando i fili dal bordo del circuito stampato lateralmente attorno al bordo dello stack, riducendo così lo spazio libero necessario sopra il circuito stampato.

Una taglia unica non va bene per tutti, e probabilmente non andrà mai bene.

Le diverse tensioni, correnti, frequenze e altri requisiti prestazionali dei vari percorsi di interconnessione implicano che una singola famiglia di connettori possa non soddisfare o superare le specifiche in molte situazioni, e nessuna di queste condizioni è accettabile, seppur per ragioni diverse. Inoltre, non esiste un unico "standard" che definisca un connettore di grado spaziale. Esistono invece standard per specifici attributi prestazionali, come il degassamento. La National Points Selection List (NPSL) della NASA viene utilizzata come guida per la specifica dei componenti per le tecnologie spaziali, e i componenti presenti in queste Qualified Parts List (QPL) sono specifici per le applicazioni spaziali. In Europa, i connettori di grado spaziale sono certificati dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA/ESCC).

Il progettista che seleziona i connettori deve trovare un equilibrio tra le specifiche del connettore e la criticità della missione. Specificare connettori sovradimensionati può comportare seri problemi di costi, disponibilità e tempistiche. Allo stesso tempo, sarebbe spiacevole e frustrante se un CubeSat fallisse prematuramente a causa di problemi di connessione inadeguati o mal interpretati. Pertanto, è importante fornire una prospettiva realistica sui requisiti del progetto in relazione alle opzioni di connettori e cavi.

Sono disponibili numerose opzioni per soddisfare le vostre esigenze

Per aiutare i progettisti ad adattare al meglio le loro scelte alle esigenze di spazio, fornitori come Harwin offrono diverse famiglie di connettori. Ogni famiglia, a sua volta, presenta molteplici varianti in termini di tipo e numero di contatti, disposizione dei contatti, opzioni di fissaggio e altre caratteristiche. Alcune delle famiglie di connettori Harwin più rilevanti includono:

• La Mix-Tek Datamate offre un'ampia varietà di configurazioni per connettori di segnale, alimentazione e coassiali, consentendo agli ingegneri di selezionare le disposizioni dei connettori più adatte alle loro applicazioni (Figura 2). I contatti di alimentazione hanno una portata fino a 20 ampere (A), i contatti di segnale gestiscono 3 A e i contatti coassiali offrono prestazioni a 6 gigahertz (GHz) con un'impedenza di 50 ohm (Ω).

Figura 2: La serie Mix-Tek Datamate supporta combinazioni di connettori di segnale (3 A), di alimentazione (20 A) e coassiali (6 GHz). (Fonte immagine: Harwin)

L'elevata affidabilità è dovuta all'utilizzo di contatti lavorati con precisione, unitamente alle clip di contatto a quattro dita in rame al berillio di Harwin. I connettori Mix-Tek sono disponibili in diverse configurazioni, pronte per cavi e schede, con un massimo di 50 contatti a bassa frequenza o 12 contatti speciali (coassiali e di alimentazione). Grazie al passo di 2 mm, i connettori possono essere combinati in praticamente qualsiasi modo per la trasmissione di segnali, alimentazione e contatti coassiali.

• La famiglia di connettori Kona ad alta affidabilità con passo da 8,5 mm offre una connessione di alta qualità e ad alta corrente per ambienti esigenti (Figura 3). I contatti, rivestiti singolarmente, raggiungono una corrente continua di 60 A a 3000 volt per contatto, con una durata nominale di 250 cicli di accoppiamento. Il design a sei dita dei contatti è realizzato in rame al berillio e placcato in oro per mantenere la continuità elettrica in presenza di forti urti e vibrazioni, ed è disponibile in un package compatto a fila singola in configurazioni filo-scheda.

Figura 3: La serie Kona di connettori con passo da 8,5 mm supporta fino a 60 A CC e 3000 volt per contatto. (Fonte immagine: Harwin)

• I connettori di alimentazione M300 offrono una gamma di valori nominali di potenza elevati e affidabili, consentendo una connessione di alimentazione compatta con fino a 10 A per contatto, fornendo così una soluzione leggera e robusta con una comprovata affidabilità in condizioni estreme (Figura 4). I connettori sono protetti da vibrazioni e urti con viti in acciaio inossidabile.

Figura 4: I connettori di alimentazione M300 offrono una connessione di alimentazione compatta fino a 10 A per contatto. (Fonte immagine: Harwin)

Il collaudato design a quattro contatti garantisce la continuità elettrica anche in ambienti con forti vibrazioni e urti. Questi connettori per PCB con passo da 3 mm, connettori a crimpare e cablaggi preassemblati resistono a temperature da -65 °C a +175 °C e sono durevoli per 1000 cicli di accoppiamento.

Il CubeSat alimenta una famiglia speciale

La famiglia di connettori e cavi assemblati Gecko è progettata per soddisfare i volumi relativamente elevati e i requisiti dimensionali meno stringenti delle applicazioni CubeSat (Figura 5). Questi connettori offrono una soluzione di interconnessione filo-scheda e scheda-scheda a basso profilo e sono particolarmente adatti per l'impilamento e il raggruppamento dei cavi in ​​aree in cui lo spazio sul PCB è limitato.

Figura 5: La famiglia di connettori a basso profilo Gecko è disponibile in un'ampia gamma di stili, configurazioni e numero di contatti. (Fonte immagine: Harwin)

I connettori Gecko hanno un passo di 1,25 mm, sono connettori rettangolari altamente affidabili e vengono forniti come alloggiamenti con contatti sostituibili ordinabili separatamente. I connettori utilizzano contatti e alloggiamenti a crimpare a barilotto e sono disponibili in versioni maschio e femmina. I connettori per circuiti stampati con fori verticali e orizzontali, così come i connettori verticali per montaggio superficiale, sono progettati per l'interconnessione filo-filo, filo-scheda e scheda-scheda.

I connettori Gecko sono fino al 45% più piccoli e fino al 75% più leggeri rispetto agli standard di settore e ai connettori Micro-D, con un peso tipico di circa 1 grammo (g). Sono disponibili in tre varianti non intercambiabili:

• Serie di connettori Gecko-SL (Screw-Lok): Ogni connettore è dotato di viti flottanti per un'interconnessione sicura e robusta con il suo omologo (Figura 6). I connettori Screw-Lok possono includere anche perni di montaggio su scheda o pannello per un fissaggio sicuro del circuito stampato o dell'involucro. I contatti hanno una portata nominale di 2,8 A per singolo contatto e di 2,0 A per tutti i contatti simultaneamente. Questi connettori sono disponibili come connettori orizzontali e cavi di accoppiamento per l'impilamento ad alta densità delle schede.

Figura 6: I contatti della serie Gecko-SL hanno una potenza nominale di 2,8 A per singolo contatto e di 2,0 A per tutti i contatti simultaneamente. (Fonte immagine: Harwin)

Ad esempio, il G125-3241696M2 è un connettore rettangolare Gecko-SL a 16 pin per montaggio a pannello con un passo di 1,25 mm (Figura 7).

Figura 7: Il Gecko-SL G125-3241696M2 è un connettore rettangolare a 16 pin per montaggio a pannello con passo di 1,25 mm. (Fonte immagine: Harwin)

• Gecko-MT (tecnologia mista): Questi connettori sono versioni a design misto della serie Gecko-SL (Figura 8). Integrando i contatti dati con due o quattro contatti di alimentazione da 10 A in configurazioni di alimentazione/dati 1+8+1 o 2+8+2, i prodotti Gecko-MT consentono una notevole riduzione delle dimensioni e del peso dell'hardware elettronico.

Figura 8: Il Gecko-MT è simile alla serie Gecko-SL, ma supporta contatti misti per segnali e alimentazione in un unico alloggiamento del connettore. (Fonte immagine: Harwin)

Sono disponibili in configurazione per cavo o a foro passante, con le stesse varianti di fissaggio Screw-Lok dei connettori Gecko-SL e in una varietà di configurazioni di contatti per segnale (doppia fila) e alimentazione (fila singola).

Il G125-FV10805F1-1AB1ABP è un connettore femmina Gecko-MT a 10 posizioni con otto contatti di segnale più due contatti di alimentazione, che consente a un singolo connettore di svolgere entrambe le funzioni (Figura 9).

Figura 9: Il connettore Gecko-MT serie G125-FV10805F1-1AB1ABP ospita otto contatti di segnale e due contatti di alimentazione. (Fonte immagine: Harwin)

• Gecko Latch (design originale): i connettori maschio di questa famiglia possono essere dotati di fermi di bloccaggio a sgancio rapido per un'interconnessione sicura con il connettore femmina corrispondente (Figura 10).

Figura 10: I connettori Gecko Latch offrono un bloccaggio a sgancio rapido tra le coppie maschio e femmina. (Fonte immagine: Harwin)

Il G125-FS12005LOR, un connettore a 20 posizioni per montaggio superficiale, è un esempio del design Gecko Latch (Figura 11).

Figura 11: Il connettore a presa per montaggio superficiale a 20 posizioni G125-FS12005L0R è uno dei membri della famiglia Gecko Latch. (Fonte immagine: Harwin)

Le serie Gecko-SL e Latch offrono da 6 a 50 contatti in una configurazione a doppia fila. Gli alloggiamenti dei connettori sono polarizzati per evitare accoppiamenti errati e il contatto numero uno è contrassegnato esternamente.

Sono disponibili coperture posteriori in metallo opzionali, compatibili con i connettori Gecko-SL e Gecko-MT, per fornire protezione meccanica, dalle radiofrequenze (RF) e dalle interferenze elettromagnetiche (EMI), come ad esempio la G125-9702002per i connettori Gecko-SL a 20 posizioni (Figura 12).

Figura 12: I coperchi posteriori in metallo, come questo G125-9702002 per connettori Gecko-SL a 20 pin, offrono agli utenti la possibilità di aggiungere una maggiore protezione meccanica e dalle interferenze elettromagnetiche ai loro connettori Gecko-SL e Gecko-MT. (Fonte immagine: Harwin)

Rendendo opzionali i coperchi posteriori, i progetti che non richiedono tale protezione non sono appesantiti dal peso di un connettore con involucro metallico. Per una maggiore flessibilità, i coperchi posteriori sono fissati al circuito stampato anziché al connettore.

Non dimenticare il cavo e gli accessori per il montaggio

È facile dedicare tempo ed energie alla scelta del connettore giusto, ma questo è solo una parte del problema della connettività, poiché il cablaggio associato al connettore è altrettanto importante. Le opzioni di interconnessione, dettate dal tipo di segnale e dall'installazione, includono filo nudo, doppino intrecciato, cavo schermato e cavo coassiale. I progettisti hanno cinque opzioni quando si tratta di reperire un cavo assemblato:

1. Fai da te (fatto in casa)
2. Utilizzare contatti e cavi pretagliati
3. Utilizzare set di cavi preassemblati
4. Specificare un set di cavi completo e personalizzato, che rappresenti una variante dei prodotti standard
5. Specificare un set di cavi completamente personalizzato, realizzato appositamente in base alle proprie esigenze

Grazie all'ampio utilizzo dei connettori Gecko, molti dei cavi assemblati necessari sono disponibili come articoli standard pronti all'uso, riducendo i tempi di consegna e l'incertezza. Ad esempio, il

G125-FC11205F0-0150F0 è un cavo assemblato a 12 posizioni, lungo 150 mm, progettato per interconnessioni rettangolari da spina a spina (Figura 13).

Figura 13: Il cavo e l'intero gruppo costituiscono l'interconnessione completa; questo G125-FC11205F0-0150F0 è un cavo a 12 posizioni, lungo 150 mm, per interconnessioni rettangolari da spina a spina ed è disponibile come componente standard. (Fonte immagine: Harwin)

Conclusione:

È importante ricercare i connettori più piccoli e leggeri possibili in base alla gamma di prestazioni richieste ed evitare di sovradimensionare le specifiche quando non sono necessari valori o obiettivi più rigorosi.

Ciò è particolarmente vero nel mercato dei CubeSat, poiché questi satelliti in miniatura sono progettati per essere impilati su un razzo, dove sia lo spazio che il peso sono fattori molto importanti.

Per questi satelliti molto diffusi, quasi destinati al mercato di massa, i connettori e i cavi assemblati Gecko consentono ai progettisti di gestire le prestazioni e i costi, cercando al contempo di bilanciare i molteplici compromessi, a volte contrastanti, nella selezione dei componenti.

Di Bill Schweber