了解航天应用中的连接器和线束选择 - Convertronic 电子杂志

细节: 类别：负债; 2022年11月8日

过去十年，地球轨道航天器已发展成为拥有高需求应用的重要产业。这促使大量卫星被部署，执行着各种各样的任务，运行于低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）和地球静止轨道（GEO）。无论卫星的尺寸、来源或任务如何，它们的物料清单（BOM）中都存在一个共同点：需要大量的电连接器和电缆来传输信号和电力。.

虽然互连电路可能不像机载电子设备或卫星的整体任务那样引人注目，但它们的性能、可靠性和稳定性对于卫星的设计、部署和任务持续时间至关重要。因此，选择和实施合适的互连电路是任务成功的关键因素。它们必须在提供必要功能的同时，最大限度地减小尺寸和重量，并满足发射和太空飞行独特的可靠性和耐久性要求。.

幸运的是，由于 21 世纪对相对大量的互连的需求，航天级连接器和电缆现在已成为供应商通过分销商提供的标准组件，这与一二十年前它们是专门的、通常是定制的产品的情况相比，是一个重大变化。.

本文探讨了航天级连接器和电缆的要求及其正确选型方法，并介绍了哈温公司提供的实际解决方案，这些方案有助于确保任务成功。

该空间所需的电缆和连接器要求

低地球轨道（LEO）、中地球轨道（MEO）和地球同步轨道（GEO）卫星的发射，曾经主要是美国宇航局（NASA）执行的、发射一些较为特殊的航天器或通信/导航卫星的任务，如今已几乎成为例行公事。有些发射任务一次就能部署十几颗甚至更多的卫星，其中包括由大学、一些研究机构甚至业余科学团体开发的小型且广受欢迎的立方体卫星（CubeSat）。.

然而，太空环境对各种电子元件来说都非常恶劣。潜在问题包括连接不稳定、性能低于规格，甚至彻底失效。这些问题始于发射时的振动，并贯穿于轨道运行期间的寒冷和真空环境，乃至更远的太空。.

这些问题对连接器的性能提出了诸多要求，同时也对其设计和实现提出了限制。所有这些都与可靠性这一首要目标以及飞行中维修或更换的不切实际甚至不可能性密切相关。除了尺寸、重量、冲击和振动之外，其他问题还包括气体逸出、残余磁性、极端温度和热循环、宇宙辐射、闪络以及连接器方向。

重量和尺寸（体积）： 航天器及其卫星在这两个因素上受到燃料效率的限制，而且在体积受限的航天设计中，每一立方厘米的体积都很宝贵。
加速度、振动和冲击： 严苛的发射阶段会在很宽的频率范围内产生数十 G的加速度。因此，航天级连接器通常会尽可能采用锁紧螺钉或互锁设计，以确保连接牢固。
气体释放： 太空的高温和真空环境会加速连接器的气体释放。弹性体和塑料等材料会缓慢释放挥发性有机化合物 (VOC)，这些化合物以气体或蒸汽的形式溶解、滞留、冻结或吸收到材料中。即使是环氧树脂和其他常用粘合剂也会释放这些 VOC，因此需要使用专用粘合剂。VOC 会导致污染，干扰敏感仪器和光学表面，从而严重影响关键任务设备的性能。对于太空级连接器，VOC 可以通过在真空密封烘箱中高温烘烤的方式从材料中“排出”。
残余磁性： 这会干扰附近电路和子系统的运行，导致精密传感器读数出现误差。为了最大限度地减少这种干扰，应尽可能使用非磁性材料，例如铜合金。
温度范围： 航天级连接器的扩展温度范围通常为-65°C至+150°C。然而，热循环也是一个需要考虑的问题：这种循环产生的反复应力会导致微裂纹，最终导致疲劳断裂。一些卫星设计成可以旋转，以使向阳面和背阴面的平均温度达到平衡。但对于大型卫星而言，这并非理想的解决方案，因为与内部深处相比，其表面和次表面仍然可能承受显著的热循环。在小型卫星（例如立方体卫星）中，几乎所有组件都相对靠近表面。
宇宙辐射： 随着卫星运行高度的增加和地球大气层变薄，宇宙辐射也会增强。这种不可避免的辐射的影响与电磁干扰 (EMI) 的影响有些类似。虽然航天器的金属外壳可以提供一定程度的保护，但对于易受辐射影响的电路板或电缆，可能仍需要额外的屏蔽措施。
电涌： 这是指导体向最近的金属表面持续释放高电流。电涌的电压会因空气分子密度而异，太空真空是极端情况。因此，连接器的额定电压必须与海拔高度相匹配。
物理因素： 连接器及其电缆的方向至关重要。显然，卫星内部空间密度很高，而广受欢迎的小型立方体卫星（CubeSat）更是将这种密度提升到了一个新的水平（图 1）。一个立方体卫星单元（U）的标准尺寸为 10 × 10 × 10 厘米（cm），完整的立方体卫星的尺寸可以是 1U、2U、3U、6U 或 12U。

图1：流行的立方体卫星设计基于标准的小型模块格式，可以堆叠成各种递增长度。（图片来源：Harwin）

如果连接器设计成导线垂直于电路板，那么立方体卫星内部的电路板之间的距离就不能太远，因为连接器和导线会相互干扰。然而，水平连接器和配套的导线组件通过将导线从印刷电路板边缘横向绕到堆叠边缘来解决这个问题，从而减少了电路板上方所需的间隙。.

一种模式并不适合所有人，而且可能永远也不会适合。.

不同互连路径的电压、电流、频率和其他性能要求各不相同，这意味着同一连接器系列在许多情况下可能远低于或超过规格要求，尽管原因各不相同，但这两种情况都是不可接受的。此外，目前尚无定义航天级连接器的单一“标准”。取而代之的是针对特定性能属性（例如气体逸出）的标准。美国国家航空航天局（NASA）国家积分选择清单（NPSL）被用作航天技术组件选型的指南，而这些合格零件清单（QPL）中的组件则专门用于航天应用。在欧洲，航天级连接器需获得欧洲航天局（ESA/ESCC）的认证。.

设计人员在选择连接器时，必须在连接器规格和任务关键性之间取得平衡。过度选择连接器会导致严重的成本和可用性/进度问题。同时，如果立方体卫星因连接不当或连接理解错误而过早失效，那将非常令人遗憾和沮丧。因此，在考虑连接器和电缆选项时，务必对项目需求做出切合实际的评估。.

我们提供多种选择，以满足您的需求。

为了帮助设计师根据空间需求选择最佳连接器，像 Harwin 这样的供应商提供了多种连接器系列。每个系列又包含多种不同的规格，例如触点类型和数量、触点排列方式、固定方式以及其他特性。Harwin 的一些主要连接器系列包括：

Mix -Tek Datamate 提供多种信号、电源和同轴连接器配置，使工程师能够选择最适合其应用的连接器组合（图 2）。电源触点额定电流高达 20 安培 (A)，信号触点额定电流为 3 安培，同轴触点可提供 6 吉赫兹 (GHz) 的性能，阻抗为 50 欧姆 (Ω)。

图 2：Mix-Tek Datamate 系列支持信号 (3 A)、电源 (20 A) 和同轴连接器 (6 GHz) 的组合。（图片来源：Harwin）

Mix-Tek连接器的高可靠性得益于其精密加工的触点以及Harwin的四指铍铜触点夹。该连接器提供多种适用于线缆和电路板的配置，最多可配备50个低频触点或12个特殊触点（同轴和电源）。2毫米的触点间距使其几乎可以与任何信号、电源和同轴触点组合使用。.

Kona系列高可靠性8.5mm间距连接器可为严苛环境提供高质量、大电流连接（图3）。每个触点均采用独立涂层，可在3000伏电压下实现60A的连续电流，并具有250次插拔循环的耐久性。六指触点采用铍铜材质，并镀金，即使在剧烈冲击和振动下也能保持电气连续性。该系列连接器采用紧凑的单排封装，适用于线对板连接。

图 3：Kona 系列 8.5 毫米间距连接器，每个触点支持高达 60 安直流电流和 3000 伏电压。（图片来源：Harwin）

M300 电源连接器提供一系列高可靠性、高性能的功率等级，每个触点可实现高达10A的紧凑型电源连接，从而提供轻巧坚固的解决方案，并在极端条件下久经考验（图4）。连接器采用不锈钢螺钉进行防振防震保护。

图 4：M300 电源连接器提供紧凑的电源连接，每个触点最高可达 10 A。（图片来源：Harwin）

经过验证的四指触点设计即使在高振动和冲击环境下也能保持电气连续性。这些3mm间距的PCB连接器、压接式线连接器和预组装线束可承受-65°C至+175°C的温度，并可经受1000次插拔循环。.

立方体卫星为一个特殊的家庭提供动力

Gecko系列连接器和电缆组件旨在满足立方体卫星应用相对较高的产量和不太严格的尺寸要求（图5）。这些连接器提供低矮的线对板和板对板互连解决方案，尤其适用于PCB空间有限的区域进行电缆堆叠和捆扎。.

图 5：Gecko 系列超薄连接器提供多种样式、配置和触点数量选择。（图片来源：Harwin）

Gecko连接器间距为1.25毫米，是高可靠性的矩形连接器，以连接器外壳的形式提供，可更换触点需单独订购。该连接器采用线筒压接触点和外壳，并提供公头和母头两种版本。印刷电路板尾部连接器（带垂直和水平孔）以及垂直表面贴装连接器适用于线对线、线对板和板对板互连。.

Gecko连接器比行业标准和Micro-D连接器小45%，轻75%，通常重量约为1克（g）。它们提供三种不可互换的型号：

Gecko-SL（Screw-Lok）连接器系列：每个连接器均采用浮动螺钉，可与对应连接器实现牢固可靠的互连（图 6）。Screw-Lok 连接器还可能包含板或面板安装螺柱，用于牢固固定电路板或外壳。每个独立触点的额定电流为 2.8 A，所有触点同时工作的额定电流为 2.0 A。这些连接器提供水平连接器和配套电缆组件，适用于高密度电路板堆叠。

图 6：Gecko-SL 系列触点的单个独立触点额定电流为 2.8 A，所有触点同时工作时的额定电流为 2.0 A。（图片来源：Harwin）