Embora possam não ter o glamour dos componentes eletrónicos ativos de bordo ou da missão mais ampla do satélite, o seu desempenho, fiabilidade e consistência são vitais para o design, o lançamento e a duração da missão do satélite. Por conseguinte, selecionar e implementar interligações apropriadas é um fator crítico para o sucesso da missão. Devem fornecer funcionalidades essenciais, minimizando o tamanho e o peso, e simultaneamente satisfazer os requisitos exclusivos de fiabilidade e resistência do lançamento e do voo espacial.

Felizmente, devido à necessidade do século XXI de um volume relativamente elevado de interligações, os conectores e os cabos com classificação espacial são agora componentes padrão disponíveis nos fornecedores através dos distribuidores, uma grande mudança em relação a apenas uma ou duas décadas atrás, quando eram artigos especializados e, muitas vezes, feitos à medida.

Este artigo examina os requisitos para conectores e cabos com classificação espacial e a sua seleção adequada. De seguida, apresenta soluções práticas da Harwin que podem ajudar a garantir o sucesso da missão.

Requisitos de cabos e conectores para o espaço

Os lançamentos de satélites em LEO, MEO e GEO, que antes eram missões exclusivas da NASA com naves esotéricas ou satélites de comunicação/navegação, tornaram-se quase rotineiros. Alguns destes lançamentos resultam na implantação de uma dúzia ou mais de satélites, incluindo os pequenos e populares CubeSats desenvolvidos por universidades, alguns institutos de investigação e até grupos de cientistas amadores.

No entanto, o espaço é um ambiente hostil para componentes eletrónicos de todos os tipos. Os problemas potenciais incluem ligações intermitentes, desempenho abaixo do especificado e até mesmo falhas completas. Estes problemas começam com as vibrações do lançamento e estendem-se pelo frio e vácuo do uso orbital e mais além.

Estas questões impõem muitas exigências ao desempenho dos conectores, bem como restrições ao seu design e implementação. Todas elas estão interligadas pela ampla prioridade da fiabilidade e pela inviabilidade ou impossibilidade de reparação ou substituição em voo. Para além do tamanho, peso, choque e vibração, outros problemas incluem a desgaseificação, o magnetismo residual, as temperaturas extremas e os ciclos térmicos, a radiação cósmica, as descargas disruptivas e a orientação do conector

• Peso e tamanho (volume): Um veículo espacial e o seu satélite são bastante limitados nestes dois fatores pela eficiência de combustível e pelo facto de cada centímetro cúbico de volume ser precioso num projeto espacial com volume limitado.
• Aceleração, vibração e choque: A fase de lançamento, bastante intensa, gera dezenas de g numa vasta gama de frequências. Por este motivo, os conectores para utilização espacial especificam frequentemente parafusos de bloqueio ou sistemas de encravamento sempre que possível para garantir uma ligação segura.
• Libertação de gases: As condições de calor e vácuo do espaço aumentam a taxa de libertação de gases dos conectores. Materiais como elastómeros e plásticos podem libertar lentamente compostos orgânicos voláteis (COV) que foram dissolvidos, aprisionados, congelados ou absorvidos pelo material sob a forma de gás ou vapor. Mesmo os epóxis e outros adesivos comuns podem libertar estes COV, o que exige a utilização de adesivos especializados. Os COV podem levar à contaminação, o que pode afetar gravemente o desempenho de equipamentos críticos para a missão, interferindo com instrumentos sensíveis e superfícies óticas. No caso de um conector espacial, os COV são "expelidos" do material através de um processo de cura dos conectores a alta temperatura num forno selado a vácuo.
• Magnetismo residual: Este pode interferir com o funcionamento de circuitos e subsistemas próximos, provocando leituras erradas nos sensores de precisão. Para minimizar este efeito, pode ser necessário utilizar materiais não magnéticos sempre que possível, como as ligas de cobre.
• Intervalo de temperatura: O intervalo alargado para conectores espaciais é tipicamente de -65 °C a +150 °C. No entanto, a ciclagem térmica é também uma preocupação: as tensões repetidas resultantes desta ciclagem podem induzir microfissuras e, eventualmente, fraturas por fadiga. Alguns satélites são concebidos para rodar de forma a igualar a sua temperatura média entre os lados voltados para o sol e os lados sombreados. Esta é uma solução inadequada para satélites maiores, uma vez que a superfície e o subsolo podem ainda estar sujeitos a uma ciclagem térmica significativa em comparação com os seus interiores mais profundos. Em satélites pequenos, como os CubeSats, quase todos os componentes estão relativamente próximos da superfície.
• Radiação cósmica: Esta aumenta à medida que a altitude de operação do satélite aumenta e a atmosfera protetora da Terra se torna mais rarefeita. Os efeitos desta radiação inevitável são, em certa medida, semelhantes aos efeitos da interferência eletromagnética (EMI). Embora a caixa metálica da nave espacial ofereça algum nível de proteção, pode ser necessária uma blindagem adicional para placas de circuito ou cabos suscetíveis de exposição à radiação.
• Sobrecarga elétrica: Trata-se de uma descarga elétrica contínua de corrente elevada que ocorre entre um condutor e a superfície metálica mais próxima. As descargas elétricas ocorrem a diferentes níveis de tensão, dependendo da densidade das moléculas de ar, sendo o vácuo espacial o caso extremo. Por conseguinte, os conectores devem ter uma classificação de tensão adequada à altitude.
• Considerações físicas: A orientação do conector e do cabo é crucial. Obviamente, os satélites estão densamente compactados, e os populares, mas minúsculos, CubeSats estão a elevar esta densidade a um novo patamar (Figura 1). Uma unidade CubeSat (U) está padronizada em 10 × 10 × 10 centímetros (cm), e um CubeSat completo pode ter 1U, 2U, 3U, 6U ou 12U de tamanho.

Figura 1: O popular design de satélite CubeSat baseia-se num formato de módulo pequeno padrão que permite o empilhamento em vários comprimentos incrementais. (Fonte da imagem: Harwin)

Se o conector for concebido com os fios orientados verticalmente num ângulo recto em relação à placa de circuito impresso, as placas no interior do CubeSat não poderão estar muito afastadas umas das outras, uma vez que o conector e os fios irão interferir. No entanto, os conectores horizontais e os conjuntos de fios correspondentes resolvem este problema ao encaminhar os fios da borda da placa de circuito impresso lateralmente em torno da borda da pilha, reduzindo assim o espaço necessário acima da placa de circuito.

Um tamanho não serve a todos, e provavelmente nunca servirá.

As variações de tensão, corrente, frequência e outros requisitos de desempenho das diferentes vias de interligação significam que uma única família de conectores pode ficar muito aquém ou exceder as especificações em muitas situações, e nenhuma destas condições é aceitável, embora por razões diferentes. Além disso, não existe um "padrão" único que defina um conector de grau espacial. Em vez disso, existem normas para atributos de desempenho específicos, como a libertação de gases. A Lista Nacional de Seleção por Pontos (NPSL) da NASA é utilizada como guia para especificar componentes para tecnologias espaciais, e os componentes nestas Listas de Peças Qualificadas (QPLs) são específicos para aplicações espaciais. Na Europa, os conectores de grau espacial possuem a qualificação da Agência Espacial Europeia (ESA/ESCC).

O projetista que seleciona os conectores deve encontrar um equilíbrio entre as especificações dos conectores e a criticidade da missão. Especificar conectores em excesso pode levar a problemas graves de custo e disponibilidade/cronograma. Ao mesmo tempo, seria lamentável e frustrante que um CubeSat falhasse prematuramente devido a problemas de ligação inadequados ou mal compreendidos. Por conseguinte, é importante fornecer uma perspetiva realista sobre os requisitos do projeto em relação às opções de conectores e cabos.

Existem muitas opções disponíveis para satisfazer as suas necessidades

Para ajudar os designers a adaptarem as suas escolhas da melhor forma possível às necessidades de espaço, fornecedores como a Harwin oferecem diversas famílias de conectores. Cada família, por sua vez, tem múltiplas variações em termos de tipo e número de contactos, disposição dos contactos, opções de retenção e outras características. Algumas das famílias de conectores mais relevantes da Harwin incluem:

• A Mix-Tek Datamate oferece uma ampla variedade de configurações para conectores de sinal, alimentação e coaxiais, permitindo aos engenheiros selecionar os arranjos de conectores mais adequados às suas aplicações (Figura 2). Os contactos de alimentação têm uma classificação até 20 amperes (A), os contactos de sinal suportam 3 A e os contactos coaxiais oferecem um desempenho de 6 gigahertz (GHz) com uma impedância de 50 ohms (Ω).

Figura 2: A série Mix-Tek Datamate suporta combinações de conectores de sinal (3 A), de alimentação (20 A) e coaxiais (6 GHz). (Fonte da imagem: Harwin)

A elevada fiabilidade deve-se à utilização de contactos maquinados juntamente com os clipes de contacto de cobre-berílio de quatro dedos da Harwin. Os conectores Mix-Tek estão disponíveis em diversas configurações preparadas para cabos e placas, com até 50 contactos de baixa frequência ou 12 contactos especiais (coaxial e de alimentação). Com um espaçamento de 2 mm, os conectores podem ser combinados com praticamente qualquer combinação de contactos de sinal, alimentação e coaxiais.

• A família Kona de conectores de alta fiabilidade com passo de 8,5 mm oferece uma ligação de alta qualidade e alta corrente para ambientes exigentes (Figura 3). Os contactos revestidos individualmente atingem uma corrente contínua de 60 A a 3000 volts por contacto, com uma durabilidade de 250 ciclos de acoplamento. O design de contacto de seis dedos é feito de cobre-berílio e banhado a ouro para manter a continuidade elétrica sob choques e vibrações severas, e está disponível num encapsulamento compacto de fileira única em configurações fio-placa.

Figura 3: A série Kona de conectores com passo de 8,5 mm suporta até 60 A CC e 3000 volts por contacto. (Fonte da imagem: Harwin)

• Os conectores de alimentação M300 oferecem uma gama de classificações de potência de alta fiabilidade e alto desempenho, permitindo uma ligação de alimentação compacta com até 10 A por contacto, proporcionando assim uma solução leve e robusta com um historial comprovado em condições extremas (Figura 4). Os conectores estão protegidos contra vibrações e choques com parafusos de aço inoxidável.

Figura 4: Os conectores de alimentação M300 oferecem uma ligação de alimentação compacta até 10 A por contacto. (Fonte da imagem: Harwin)

O comprovado design de contacto de quatro dedos mantém a continuidade elétrica mesmo em ambientes com elevada vibração e choque. Estes conectores de PCB com passo de 3 mm, conectores de cravação e conjuntos de fios pré-montados suportam temperaturas de -65 °C a +175 °C e são duráveis ​​por 1000 ciclos de acoplamento.

O CubeSat alimenta uma família especial

A família de conectores e conjuntos de cabos Gecko foi concebida para satisfazer os requisitos de volume relativamente elevado e dimensões menos rigorosas das aplicações CubeSat (Figura 5). Estes conectores oferecem uma solução de interligação discreta, fio-placa e placa-placa, sendo particularmente adequados para o empilhamento e agrupamento de cabos em áreas com espaço limitado na placa de circuito impresso.

Figura 5: A família de conectores de baixo perfil Gecko está disponível numa grande variedade de estilos, configurações e números de contactos. (Fonte da imagem: Harwin)

Os conectores Gecko têm um passo de 1,25 mm, são conectores retangulares de elevada fiabilidade e são fornecidos como carcaças com contactos substituíveis, que podem ser adquiridos em separado. Os conectores utilizam terminais de cravação e estão disponíveis nas versões macho e fêmea. Os conectores para placas de circuito impresso com orifícios verticais e horizontais, bem como os conectores verticais de montagem superficial, destinam-se à interligação fio-a-fio, fio-a-placa e placa-a-placa.

Os conectores Gecko são até 45% mais pequenos e até 75% mais leves do que os conectores padrão da indústria e os equivalentes Micro-D, pesando normalmente cerca de 1 grama (g). São oferecidos em três variantes não intercambiáveis:

• Série de Conectores Gecko-SL (Screw-Lok): Cada conector possui parafusos flutuantes para uma interligação segura e robusta com o seu par (Figura 6). Os conectores Screw-Lok podem também incluir pinos de montagem em placa ou painel para uma fixação segura da placa de circuito impresso ou da caixa. Os contactos têm uma classificação de 2,8 A por contacto isolado e 2,0 A para todos os contactos em simultâneo. Estes conectores estão disponíveis como conectores horizontais e conjuntos de cabos de acoplamento para empilhamento de placas de alta densidade.

Figura 6: Os contactos da série Gecko-SL têm uma capacidade de corrente de 2,8 A por contacto isolado e de 2,0 A para todos os contactos em simultâneo. (Fonte da imagem: Harwin)

Por exemplo, o G125-3241696M2 é um conector retangular Gecko-SL de 16 pinos para montagem em painel com um espaçamento de 1,25 mm (Figura 7).

Figura 7: O Gecko-SL G125-3241696M2 é um conector retangular de 16 pinos para montagem em painel, com um espaçamento de 1,25 mm. (Fonte da imagem: Harwin)

• Gecko-MT (tecnologia mista): Estes conectores são versões de design misto da série Gecko-SL (Figura 8). Ao complementar os contactos de dados com dois ou quatro contactos de alimentação de 10 A em definições de alimentação/dados 1+8+1 ou 2+8+2, os produtos Gecko-MT permitem uma redução considerável do tamanho e peso do hardware eletrónico.

Figura 8: O Gecko-MT é semelhante à série Gecko-SL, mas suporta contactos mistos de sinal e alimentação num único conector. (Fonte da imagem: Harwin)

Estão disponíveis em configurações para cabos ou para montagem em furo passante, com as mesmas variantes de fixação Screw-Lok dos conectores Gecko-SL, e em diversas configurações de contacto para sinal (fileira dupla) e alimentação (fileira única).

O G125-FV10805F1-1AB1ABP é um conector receptáculo Gecko-MT de 10 posições com oito contactos de sinal mais dois contactos de alimentação, permitindo que um único conector sirva ambas as funções (Figura 9).

Figura 9: O conector Gecko-MT série G125-FV10805F1-1AB1ABP possui oito contactos de sinal e dois contactos de alimentação. (Fonte da imagem: Harwin)

• Latch Gecko (design original): Os conectores macho desta família podem ser equipados com fechos de libertação fácil para uma interligação segura com o conector fêmea correspondente (Figura 10).

Figura 10: Os conectores Gecko Latch oferecem um bloqueio de fácil libertação entre pares macho e fêmea. (Fonte da imagem: Harwin)

O G125-FS12005LOR, um conector receptáculo de montagem superficial de 20 posições, é um exemplo do design Gecko Latch (Figura 11).

Figura 11: O conector receptáculo de montagem superficial de 20 posições G125-FS12005L0R é um dos membros da família Gecko Latch. (Fonte da imagem: Harwin)

As séries Gecko-SL e Latch oferecem entre 6 e 50 contactos numa configuração de fila dupla. Os invólucros dos conectores são polarizados para evitar o acoplamento incorreto e têm a marcação do contacto número um no exterior.

Estão disponíveis tampas traseiras metálicas opcionais compatíveis com os conectores Gecko-SL e Gecko-MT para proporcionar proteção mecânica, contra radiofrequência (RF) e EMI, como a G125-9702002para conectores Gecko-SL de 20 posições (Figura 12).

Figura 12: As tampas traseiras metálicas, como esta G125-9702002 para conectores Gecko-SL de 20 pinos, oferecem aos utilizadores a opção de adicionar uma maior proteção mecânica e contra interferências eletromagnéticas (EMI) aos seus conectores Gecko-SL e Gecko-MT. (Fonte da imagem: Harwin)

Ao tornar as tampas traseiras opcionais, os projetos que não exigem tal proteção não ficam sobrecarregados com o peso de um conector com revestimento metálico. Para maior flexibilidade, as tampas traseiras estão fixas à placa de circuito impresso, e não ao conector.

Não se esqueça do cabo e dos acessórios de montagem

É fácil dedicar tempo e energia à seleção do conector certo, mas isso é apenas parte da história da conectividade, uma vez que a cablagem associada a um conector é igualmente importante. As opções de interligação, ditadas pelo tipo de sinal e instalação, incluem fio nu, par entrançado, cabo blindado e cabo coaxial. Os projetistas têm cinco opções ao adquirir um conjunto de cabos:

1. Faça você mesmo (caseiro)
2. Utilize contactos e cabos pré-cortados
3. Utilize conjuntos de cabos pré-montados
4. Especifique um conjunto de cabos completo e personalizado que seja uma variação dos produtos standard
5. Especifique um conjunto de cabos totalmente personalizado, fabricado especificamente para satisfazer as suas necessidades

Devido à utilização generalizada dos conectores Gecko, muitos dos conjuntos de cabos necessários estão disponíveis como artigos standard, prontos a utilizar, reduzindo os prazos de entrega e as incertezas. Por exemplo, o

O G125-FC11205F0-0150F0 é um conjunto de cabos de 12 posições com 150 mm de comprimento, concebido para interligações retangulares de ficha a ficha (Figura 13).

Figura 13: O cabo e o conjunto completo formam a interligação total; este G125-FC11205F0-0150F0 é um cabo de 12 posições e 150 mm de comprimento para interligações rectangulares ficha-a-ficha e está disponível como componente standard. (Fonte da imagem: Harwin)

Conclusão:

É importante procurar os conectores mais pequenos e leves possíveis para o nível de desempenho exigido e não especificar em excesso quando não são necessários números ou metas mais rigorosas.

Isto é especialmente verdade no mercado dos CubeSats, uma vez que estes satélites em miniatura são concebidos para serem empilhados num foguetão, onde tanto o espaço como o peso são muito importantes.

Para estes satélites populares, quase "de mercado de massas", os conectores e conjuntos de cabos Gecko permitem aos projetistas gerir as realidades de desempenho e custo, procurando equilibrar as múltiplas, e por vezes conflituantes, compensações na seleção de componentes.

Por Bill Schweber