Хотя им может не хватать эффектности бортовой активной электроники или более широкой миссии спутника, их производительность, надежность и стабильность имеют жизненно важное значение для проектирования, развертывания и продолжительности миссии спутника. Поэтому выбор и внедрение соответствующих межсоединений является критически важным фактором для успеха миссии. Они должны обеспечивать необходимую функциональность при минимизации размеров и веса, а также одновременно соответствовать уникальным требованиям к надежности и выносливости при запуске и космическом полете.

К счастью, в связи с потребностью в относительно большом объеме межсоединений в XXI веке, разъемы и кабели, предназначенные для использования в космической отрасли, теперь являются стандартными компонентами, доступными у поставщиков через дистрибьюторов, что является существенным изменением по сравнению с ситуацией десятилетней давности, когда это были специализированные, часто изготавливаемые на заказ изделия.

В данной статье рассматриваются требования к космическим разъемам и кабелям, а также правила их правильного выбора. Затем представлены практические решения от компании Harwin , которые могут помочь обеспечить успех миссии.

Требования к кабелям и разъемам для данного помещения

Запуски спутников на низких, средних и геостационарных орбитах, которые когда-то были преимущественно миссиями НАСА с использованием экзотических космических аппаратов или спутников связи/навигации, стали практически обыденным явлением. В результате некоторых из этих запусков на орбиту выходит дюжина и более спутников, включая небольшие и популярные кубсаты, разработанные университетами, некоторыми исследовательскими институтами и даже любительскими научными группами.

Однако космос — это суровая среда для электронных компонентов всех видов. Потенциальные проблемы включают в себя прерывистые соединения, несоответствие техническим характеристикам и даже полный отказ. Эти проблемы начинаются с вибраций при запуске и распространяются через холод и вакуум орбитального использования и за его пределы.

Эти проблемы предъявляют множество требований к характеристикам разъемов, а также накладывают ограничения на их проектирование и внедрение. Все они связаны общим приоритетом надежности и нецелесообразностью или невозможностью ремонта или замены в полете. Наряду с размером, весом, ударами и вибрацией, к другим проблемам относятся выделение газов, остаточная намагниченность, экстремальные температуры и термические циклы, космическое излучение, пробои и ориентация разъема

• Вес и размер (объем): Космический аппарат и его спутник сильно ограничены по этим двум параметрам из-за топливной эффективности и того факта, что каждый кубический сантиметр объема имеет решающее значение в космической конструкции с ограниченным объемом.
• Ускорение, вибрация и удар: Жесткая фаза запуска создает перегрузки в десятки g в широком диапазоне частот. По этой причине в разъемах, предназначенных для использования в космической отрасли, обычно по возможности используются фиксирующие винты или конструкции с блокировкой для обеспечения надежного соединения.
• Выделение газов: Высокая температура и вакуум в космосе увеличивают скорость выделения газов из разъемов. Такие материалы, как эластомеры и пластмассы, могут медленно выделять летучие органические соединения (ЛОС), которые растворялись, задерживались, замерзали или абсорбировались в материале в виде газа или пара. Даже эпоксидные смолы и другие распространенные клеи могут выделять эти ЛОС, что требует использования специализированных клеев. ЛОС могут привести к загрязнению, которое может серьезно повлиять на работу критически важного оборудования, создавая помехи для чувствительных приборов и оптических поверхностей. В случае разъемов, предназначенных для использования в космосе, ЛОС «выделяются» из материала путем запекания разъемов при высокой температуре в вакуумной печи.
• Остаточная намагниченность: она может мешать работе близлежащих цепей и подсистем, вызывая ошибочные показания прецизионных датчиков. Для минимизации этого эффекта может потребоваться использование немагнитных материалов, таких как медные сплавы.
• Диапазон температур: Расширенный диапазон температур для разъемов, предназначенных для использования в космической технике, обычно составляет от -65°C до +150°C. Однако проблемой также является термическое циклирование: повторяющиеся напряжения, возникающие в результате такого циклирования, могут вызывать микротрещины и, в конечном итоге, усталостные разрушения. Некоторые спутники спроектированы таким образом, чтобы вращаться для выравнивания средней температуры между обращенной к Солнцу и затененной сторонами. Это неадекватное решение для более крупных спутников, поскольку поверхность и подповерхностный слой могут по-прежнему подвергаться значительному термическому циклированию по сравнению с их более глубокими внутренними слоями. В малых спутниках, таких как кубсаты, почти все компоненты расположены относительно близко к поверхности.
• Космическое излучение: его интенсивность возрастает по мере увеличения рабочей высоты спутника и истончения защитной атмосферы Земли. Последствия этого неизбежного излучения в некоторой степени схожи с последствиями электромагнитных помех (ЭМП). Хотя металлический корпус космического аппарата обеспечит определенный уровень защиты, для печатных плат или кабелей, подверженных воздействию излучения, может потребоваться дополнительная защита.
• Электрический скачок напряжения: это непрерывный электрический разряд с высоким током от проводника к ближайшей металлической поверхности. Электрические разряды происходят при разных уровнях напряжения в зависимости от плотности молекул воздуха, при этом вакуум космического пространства является крайним случаем. Поэтому разъемы должны иметь номинальное напряжение, соответствующее высоте над уровнем моря.
• Физические характеристики: Ориентация разъема и его кабеля имеет решающее значение. Очевидно, что спутники расположены очень плотно, и популярные, но крошечные CubeSat выводят эту плотность на новый уровень (рис. 1). Размер единицы CubeSat (U) стандартизирован и составляет 10 × 10 × 10 сантиметров (см), а полный CubeSat может иметь размеры 1U, 2U, 3U, 6U или 12U.

Рисунок 1: Популярная конструкция спутника CubeSat основана на стандартном формате небольших модулей, позволяющем устанавливать их друг на друга с различной длиной. (Источник изображения: Harwin)

Если конструкция разъема предусматривает вертикальное расположение проводов под прямым углом к ​​печатной плате, то платы внутри CubeSat не могут располагаться на значительном расстоянии друг от друга, так как разъем и провод будут мешать друг другу. Однако горизонтальные разъемы и соединительные проводные сборки решают эту проблему, прокладывая провода от края печатной платы вбок, вокруг края стопки, тем самым уменьшая необходимый зазор над печатной платой.

Универсального решения не существует, и, вероятно, никогда не будет.

Различные напряжения, токи, частоты и другие требования к характеристикам различных соединительных линий означают, что одно семейство разъемов может значительно не соответствовать или превосходить технические характеристики во многих ситуациях, и ни одно из этих условий не является приемлемым, хотя и по разным причинам. Кроме того, не существует единого «стандарта», определяющего разъем космического класса. Вместо этого существуют стандарты для конкретных характеристик, таких как газовыделение. Национальный список критериев отбора НАСА (NPSL) используется в качестве руководства для определения компонентов для космических технологий, и компоненты в этих списках квалифицированных компонентов (QPL) предназначены специально для космических применений. В Европе разъемы космического класса имеют квалификацию Европейского космического агентства (ESA/ESCC).

При выборе разъемов разработчик должен найти баланс между техническими характеристиками разъемов и критичностью задачи. Избыточные требования к разъемам могут привести к серьезным проблемам со стоимостью и доступностью/сроками поставки. В то же время, преждевременный выход из строя кубсата из-за некачественного или неправильно понятого соединения был бы крайне неприятным и разочаровывающим. Поэтому важно реалистично оценивать требования проекта в отношении вариантов разъемов и кабелей.

Существует множество вариантов, которые подойдут именно вам

Чтобы помочь дизайнерам оптимально адаптировать свой выбор к требованиям пространства, такие поставщики, как Harwin, предлагают несколько семейств разъемов. Каждое семейство, в свою очередь, имеет множество вариаций по типу и количеству контактов, расположению контактов, вариантам крепления и другим характеристикам. К наиболее актуальным семействам разъемов Harwin относятся:

• Mix -Tek Datamate предлагает широкий выбор конфигураций для сигнальных, силовых и коаксиальных разъемов, позволяя инженерам выбирать наиболее подходящие для их задач варианты подключения (рис. 2). Силовые контакты рассчитаны на ток до 20 ампер (А), сигнальные контакты — до 3 А, а коаксиальные контакты обеспечивают работу на частоте 6 гигагерц (ГГц) с импедансом 50 Ом (Ом).

Рисунок 2: Серия Mix-Tek Datamate поддерживает комбинации сигналов (3 А), питания (20 А) и коаксиальных разъемов (6 ГГц). (Источник изображения: Harwin)

Высокая надежность достигается за счет использования обработанных контактов в сочетании с четырехконтактными зажимами из бериллиевой меди от Harwin. Разъемы Mix-Tek доступны в различных конфигурациях, готовых к установке на кабели и платы, с количеством контактов до 50 низкочастотных или 12 специальных контактов (коаксиальных и силовых). Благодаря шагу контактов 2 мм, разъемы можно комбинировать практически с любым набором сигнальных, силовых и коаксиальных контактов.

• Семейство высоконадежных Kona с шагом контактов 8,5 мм обеспечивает высококачественное соединение с высоким током для сложных условий эксплуатации (рис. 3). Контакты с индивидуальным покрытием обеспечивают непрерывный ток 60 А при напряжении 3000 вольт на контакт, а также долговечность до 250 циклов сопряжения. Шестиконтактная конструкция выполнена из бериллиевой меди и покрыта золотом для поддержания электрической непрерывности при сильных ударах и вибрации. Разъемы выпускаются в компактном однорядном корпусе для монтажа на плату.

Рисунок 3: Серия разъемов Kona с шагом контактов 8,5 мм поддерживает постоянный ток до 60 А и напряжение до 3000 вольт на контакт. (Источник изображения: Harwin)

• Силовые разъемы M300 обеспечивают высокую надежность и производительность, создавая компактное силовое соединение с током до 10 А на контакт, что делает их легким и прочным решением, проверенным в экстремальных условиях (рис. 4). Разъемы защищены от вибрации и ударов винтами из нержавеющей стали.

Рисунок 4: Силовые разъемы M300 обеспечивают компактное подключение питания с током до 10 А на контакт. (Источник изображения: Harwin)

Проверенная конструкция с четырьмя контактами обеспечивает электрическую непрерывность даже в условиях сильной вибрации и ударов. Эти разъемы для печатных плат с шагом 3 мм, обжимные проволочные разъемы и предварительно собранные проволочные сборки выдерживают температуру от -65°C до +175°C и рассчитаны на 1000 циклов сопряжения.

CubeSat обеспечивает энергией особое семейство устройств

Семейство разъемов и кабельных сборок Gecko разработано для удовлетворения относительно больших объемов производства и менее жестких требований к размерам, характерных для приложений CubeSat (рис. 5). Эти разъемы обеспечивают низкопрофильное решение для межсоединений провод-плата и плата-плата и особенно хорошо подходят для укладки и связывания кабелей в местах с ограниченным пространством на печатной плате.

Рисунок 5: Семейство низкопрофильных разъемов Gecko представлено в широком диапазоне стилей, конфигураций и количества контактов. (Источник изображения: Harwin)

Разъемы Gecko имеют шаг контактов 1,25 мм, представляют собой высоконадежные прямоугольные разъемы и поставляются в виде корпусов с отдельно заказываемыми сменными контактами. В разъемах используются обжимные контакты и корпуса, и они доступны в вариантах «папа» и «мама». Разъемы для печатных плат с вертикальными и горизонтальными отверстиями, а также вертикальные разъемы для поверхностного монтажа предназначены для межсоединений «провод-провод», «провод-плата» и «плата-плата».

Разъемы Gecko на 45% меньше и на 75% легче, чем стандартные разъемы и разъемы Micro-D, и обычно весят около 1 грамма (г). Они предлагаются в трех не взаимозаменяемых вариантах:

• Серия разъемов Gecko-SL (Screw-Lok): Каждый разъем оснащен плавающими винтами для надежного и прочного соединения со своим аналогом (рис. 6). Разъемы Screw-Lok также могут включать шпильки для крепления к плате или панели для надежной фиксации печатной платы или корпуса. Контакты рассчитаны на 2,8 А на один изолированный контакт и 2,0 А для всех контактов одновременно. Эти разъемы доступны в виде горизонтальных разъемов и ответных кабельных сборок для высокоплотной компоновки плат.

Рисунок 6: Контакты серии Gecko-SL имеют номинальную мощность 2,8 А на один изолированный контакт и 2,0 А при одновременном подключении всех контактов. (Источник изображения: Harwin)

Например, G125-3241696M2 представляет собой прямоугольный 16-контактный панельный разъем Gecko-SL с шагом контактов 1,25 мм (рис. 7).

Рисунок 7: Разъем Gecko-SL G125-3241696M2 представляет собой прямоугольный 16-контактный панельный разъем Gecko-SL с шагом контактов 1,25 мм. (Источник изображения: Harwin)

• Gecko-MT (смешанная технология): Эти разъемы представляют собой версии серии Gecko-SL со смешанной конструкцией (рис. 8). Благодаря дополнению контактов передачи данных двумя или четырьмя силовыми контактами на 10 А в конфигурациях 1+8+1 или 2+8+2 (питание/данные), изделия Gecko-MT позволяют значительно уменьшить размеры и вес электронного оборудования.

Рисунок 8: Разъем Gecko-MT аналогичен серии Gecko-SL, но поддерживает смешанные сигнальные и силовые контакты в одном корпусе. (Источник изображения: Harwin)

Они выпускаются в кабельном или монтажном исполнении, с теми же вариантами крепления Screw-Lok, что и разъемы Gecko-SL, а также в различных конфигурациях сигнальных (двухрядных) и силовых (однорядных) контактов.

Разъем G125-FV10805F1-1AB1ABP представляет собой 10-контактный разъем Gecko-MT с восемью сигнальными контактами и двумя силовыми контактами, что позволяет одному разъему выполнять обе функции (Рисунок 9).

Рисунок 9: Разъем Gecko-MT серии G125-FV10805F1-1AB1ABP имеет восемь сигнальных контактов и два силовых контакта. (Источник изображения: Harwin)

• Защелка Gecko (оригинальная конструкция): штекерные разъемы этого семейства могут быть оснащены легкосъемными фиксирующими защелками для надежного соединения с ответным гнездовым разъемом (рис. 10).

Рисунок 10: Разъемы Gecko Latch обеспечивают легкое разъединение между мужскими и женскими парами. (Источник изображения: Harwin)

Разъем G125-FS12005LOR, представляющий собой 20-позиционный разъем для поверхностного монтажа, является примером конструкции Gecko Latch (рис. 11).

Рисунок 11: 20-позиционный разъем для поверхностного монтажа G125-FS12005L0R является одним из представителей семейства защелок Gecko. (Источник изображения: Harwin)

Серии Gecko-SL и Latch предлагают от 6 до 50 контактов в двухрядной конфигурации. Корпуса разъемов поляризованы для предотвращения неправильного соединения, а номер первого контакта обозначен на внешней стороне корпуса.

В качестве опции доступны металлические задние крышки, совместимые с разъемами Gecko-SL и Gecko-MT, обеспечивающие механическую защиту, защиту от радиочастотного (РЧ) излучения и электромагнитных помех, например, G125-9702002для 20-контактных разъемов Gecko-SL (рис. 12).

Рисунок 12: Металлические задние крышки, такие как G125-9702002 для 20-контактных разъемов Gecko-SL, предоставляют пользователям возможность повысить механическую защиту и защиту от электромагнитных помех для своих разъемов Gecko-SL и Gecko-MT. (Источник изображения: Harwin)

Благодаря тому, что задние крышки являются опциональными, конструкции, не требующие такой защиты, не обременяются весом металлического разъема. Для большей гибкости задние крышки крепятся к печатной плате, а не к разъему.

Не забудьте про кабель и крепежные детали

Легко потратить время и силы на выбор подходящего разъема, но это лишь часть истории подключения, поскольку кабельная разводка, связанная с разъемом, не менее важна. Варианты соединения, определяемые типом сигнала и условиями установки, включают в себя оголенный провод, витую пару, экранированный кабель и коаксиальный кабель. У разработчиков есть пять вариантов при выборе кабельной сборки:

1. Сделай сам (самодельным)
2. Используйте предварительно нарезанные контакты и кабели
3. Используйте предварительно собранные комплекты кабелей
4. Укажите полный, изготовленный на заказ комплект кабелей, представляющий собой вариацию стандартных изделий
5. Закажите полностью индивидуальный комплект кабелей, изготовленный специально по вашим требованиям

Благодаря широкому распространению разъемов Gecko, многие необходимые кабельные сборки доступны в стандартном, готовом к использованию виде, что сокращает сроки поставки и неопределенность. Например,

G125-FC11205F0-0150F0 — это 12-контактный кабельный узел длиной 150 мм, предназначенный для соединения штекеров прямоугольной формы (рис. 13).

Рисунок 13: Кабель и вся сборка в целом составляют полную межсоединительную систему; G125-FC11205F0-0150F0 представляет собой 12-контактную кабельную сборку длиной 150 мм для прямоугольных соединений типа «штекер-штекер» и поставляется в качестве стандартного компонента. (Источник изображения: Harwin)

Заключение:

Важно выбирать максимально компактные и легкие разъемы для требуемого диапазона рабочих характеристик и не переусердствовать с выбором, если более жесткие параметры или целевые показатели не требуются.

Это особенно актуально на рынке кубсатов, поскольку эти миниатюрные спутники предназначены для размещения на ракете, где важны как габариты, так и вес.

Для этих популярных, практически "массовых" спутников разъемы и кабельные сборки Gecko позволяют разработчикам учитывать как производительность, так и стоимость, стремясь при этом сбалансировать многочисленные, порой противоречащие друг другу, компромиссы при выборе компонентов.

Билл Швейбер