Vergeleken met het naar de markt brengen van producten van de aarde, is het lanceren van producten in de ruimte veel complexer. Componenten in de ruimte moeten bestand zijn tegen de uitdagingen van de ruimtevaartomgeving, betrouwbaar en onderhoudsvrij functioneren binnen de verwachte levensduur, en de gewichts- en groottebeperkingen van lanceringen ondersteunen.
In deze omgeving wenden productontwerpers zich tot voor de ruimtevaart gekwalificeerde onderdelen (QPS) die al zijn ontworpen, getest en beoordeeld voor succesvol gebruik in ruimtevaarttoepassingen. QPS heeft het maximale technologische volwassenheidsniveau (TRL) bereikt dat is vastgesteld door de National Aeronautics and Space Administration (NASA) van de Verenigde Staten.
TRL is onderverdeeld in niveaus 1 tot en met 9 en weerspiegelt het proces van het product, van concept tot volwassen prestatie (Figuur 1). TRL 1 t/m 3 laten zien hoe het product theoretisch werkt, van basisconcepten tot conceptvalidatie. TRL 4 tot en met TRL 6 omvatten voorlopige tests en simulatie. TRL 7 en 8 hebben de prototypetests en de laatste technische demonstraties doorstaan, waardoor concepten werkelijkheid worden.
NASA TRL-procesbeeld
Figuur 1: NASA TRL vertegenwoordigt het proces van lucht- en ruimtevaartproducten, van het initiële concept tot de volwassenheid van de prestaties. Alleen onderdelen met een TRL van 9 kunnen als QPS-onderdelen worden beschouwd nadat ze zijn vervaardigd en getest volgens erkende normen. (Afbeeldingsbron: Cinch-connectiviteitsoplossingen)
Producten waarvan de TRL niveau 9 bereikt, hebben succes geboekt in praktische ruimtetoepassingen. Naast het behalen van dit hoge TRL-niveau moeten de onderdelen ook specifieke testprocedures doorstaan om als QPS te worden beschouwd. De normen voor het beheersen van deze vereisten variëren afhankelijk van het type onderdeel. QPS-dempers moeten bijvoorbeeld worden getest volgens de MIL-DTL-3933 T-level-normen, terwijl QPS-elektronische connectoren vallen onder NASA's EEE-INST-002-standaard.
Inzicht in de specifieke uitdagingen waarmee ruimtegebaseerde toepassingen te maken hebben, kan ontwerpers helpen bij het selecteren van bestaande QPS met prestaties die aan hun eisen voldoen, het verkorten van de tijd van concept tot implementatie, en het op tijd en binnen budget op de markt brengen van producten.
Ontgassen overwinnen
Het vermogen om in vacuüm en extreme temperaturen te werken is een van de grootste obstakels die ruimtecomponenten moeten overwinnen. Het vacuüm in de middellange baan om de aarde (MEO) op een afstand van 1234 tot 22234 mijl van de aarde, waar Global Positioning System (GPS)-satellieten op deze hoogte opereren, heeft een gemiddelde vacuümgraad van 1 mTorr tot 1 µ Torr. Tegelijkertijd hebben de componenten in deze en andere toepassingen temperaturen zo laag als -270 ° C in de schaduw en zo hoog als +121 ° C in direct zonlicht.
Niet-metalen onderdelen kunnen "ontgassen" wanneer ze worden blootgesteld aan vacuüm en omgevingen met hoge temperaturen. Dit fenomeen verwijst naar de migratie van gassen die tijdens het productieproces in het materiaal achterblijven naar het oppervlak. Deze migratie kan leiden tot scheuren in het materiaal, waardoor de sterkte ervan afneemt. Het vrijkomende gas kan ook condenseren en bevriezen op andere onderdelen, waardoor schade aan optische componenten ontstaat, zoals onscherpte en sensorblokkering.
De ernst van de ontgassing wordt gemeten aan de hand van het totale massaverlies (TML) van het onderdeel onder vacuüm en thermische omstandigheden, uitgedrukt als percentage van de oorspronkelijke massa. Fabrikanten meten ook het percentage vluchtig condenseerbaar materiaal (CVCM) dat kan worden opgevangen, oftewel de hoeveelheid ontgast materiaal dat condenseert op koudere oppervlakken. Beide tests zijn uitgevoerd in overeenstemming met het ASTM E595-protocol, dat vereist dat monsters gedurende 24 uur bij +125 ° C en onder 5 x 10-5 Torr worden bewaard.
De meeste elektronische componenten moeten een ontgassingstest ondergaan om als QPS-onderdeel te worden aangemerkt, vanwege het gebruik van niet-metalen isolatie- en afschermingsmaterialen. Cinch Dura Con van Cinch Connectivity Solutions™ De ruimte afgeschermde micro-D stekker en stopcontact (Figuur 2) bevinden zich in deze situatie. De niet-metalen, thermohardende isolatie rond de pinnen en de draadisolatielaag van ethyleentetrafluorethyleen (ETFE) in Dura Con-connectoren hebben tijdens het testen een verlies van minder dan 1% van hun totale gewicht en een CVCM van minder dan 0,01%.
TE Connectivity Dura Con-connectorafbeelding
Afbeelding 2: De Dura Con-connector maakt gebruik van isolatiemateriaal met een lage ontgassing, dat ruimschoots voldoet aan de vereisten van NASA's EEE-INST-002-standaard voor elektronische connectoren voor LEO-toepassingen. (Afbeeldingsbron: Cinch-connectiviteitsoplossingen)
Deze vernikkelde connectoren voldoen aan de MIL-DTL-83513-standaard en zijn geschikt voor micro-rechthoekige elektrische connectoren. Ze bieden plaats aan 9 tot 100 naaldposities, met een basisbreedte van 0,775 "tot 2,160" en een hoogte van 0,298 "tot 0,384".
Volgens NASA's selectiecriteria voor elektronische connectoren EEE-INST-002 maken het ontwerp en het lage ontgassingsniveau van deze connectoren ze geschikt voor een lage baan om de aarde (LEO) op hoogtes tot 1200 mijl. De Hubble-ruimtetelescoop, het internationale ruimtestation en een constellatie van microsatellieten die mondiale telecommunicatie mogelijk maken, opereren allemaal in een baan om de aarde in deze regio.
De EEE-INST-002-standaard specificeert ook drie kriticiteitsniveaus voor elektronische connectoren. Niveau 1-connectoren zijn bedrijfskritische connectoren, niveau 2-connectoren vereisen een hoge betrouwbaarheid en niveau 3-connectoren zijn standaard betrouwbaarheidsniveaus. Dura Con-connectoren zijn geclassificeerd als niveau 2.
Verminder stralingsinterferentie
Naast de gevaren van vacuüm en extreme temperaturen moeten componenten in de ruimte ook hogere stralingsniveaus kunnen weerstaan. Zonder de bescherming van de atmosfeer van de aarde zouden deze componenten worden blootgesteld aan ultraviolette (UV) straling met een volledig spectrum. Buiten de lage baan om de aarde zijn gammastraling en andere ioniserende straling ook een punt van zorg. Straling kan de levensduur van niet-metalen componenten verkorten en doorgaans de kwaliteit van elektromagnetische signalen verminderen via radiofrequentie-interferentie (RFI) en elektromagnetische interferentie (EMI).
Elektrische connectoren zoals de elektrische Tromper QPS-connector van Cinch Connectivity Solutions, die dit probleem kunnen oplossen, hebben sterke RF-interferentie- en elektromagnetische interferentie-afschermingsfuncties en kunnen voldoen aan de vereisten van de MIL-STD-1553B-databusspecificatie.
Ze zijn ook voornamelijk gemaakt van metaal, inclusief vergulde berylliumkopercontacten en nikkelsubstraten. Laagontgassing diëlektrisch polytetrafluorethyleen (PTFE) materiaal kan een TML van minder dan 1,0% en een CVCM van minder dan 0,10% bereiken.
De ruimteniveau Tromper-serie bevat twee soorten kleine connectoren voor aansluiting. De TRB-connector heeft een bajonetsluiting (Figuur 3), terwijl de TRT-connector een schroefdraadverbinding heeft (Figuur 4). Elk type biedt meerdere ontwerpen om verbindingen via kaarten, kabelafsluitingen of printplaten (PCB's) mogelijk te maken.