Perehdy liittimien ja kaapelien valintaan avaruussovelluksissa

Maata kiertävistä avaruusaluksista on kehittynyt viime vuosikymmenen aikana merkittävä teollisuudenala massamarkkinasovelluksilla. Tämä on johtanut siihen, että matalilla, keskikorkeilla ja geostationaarisilla kiertoradoilla (LEO, MEO, GEO) toimii suuri määrä satelliitteja, joita käytetään monenlaisiin tehtäviin. Kaikkien näiden satelliittien osaluettelossa on niiden koosta, lähteestä tai tehtävästä riippumatta yksi yhteinen tekijä: monien sähköliittimien ja -kaapeleiden tarve sekä signaalille että virralle.

Vaikka nämä komponentit eivät välttämättä nauti aktiivisen satelliittielektroniikan tai yleisemmin satelliittitoiminnan glamourista, niiden suorituskyky, luotettavuus ja stabiilius ovat ratkaisevan tärkeitä satelliittien suunnittelun, käytön ja pitkäikäisyyden kannalta. Tämän vuoksi sopivien liitäntäelementtien valinta ja käyttö on tärkeä tekijä tehtävän onnistumisen kannalta. Niiden on tarjottava perustoiminnot ja minimoitava koko ja paino. Samanaikaisesti niiden on täytettävä ne uniikit luotettavuus- ja kestävyysvaatimukset, joita tarvitaan avaruuteen laukaisussa ja lennolla.

Koska 21. vuosisadalla onneksi tarvitaan suhteellisen suuria määriä liitäntäelementtejä, avaruuskäyttöön soveltuvat liittimet ja kaapelit ovat nykyään vakiokomponentteja, joita saa myyjiltä jakelijoiden kautta. Tämä on merkittävä muutos verrattuna vuosikymmenen tai kahden takaiseen tilanteeseen, jolloin ne olivat erikoistuneita, usein asiakaskohtaisia tilaustuotteita.

Tässä artikkelissa tarkastellaan avaruuskelpoisten liittimien ja kaapeleiden vaatimuksia ja niiden valintaa. Sen jälkeen artikkelissa esitellään Harwinilta reaalimaailman ratkaisuja, joiden avulla voidaan varmistaa tehtävän onnistuminen.

Kaapeli- ja liitinvaatimukset avaruudessa

Satelliittien laukaisut olivat ennen lähinnä NASA:n yksityisomaisuutta ja siihen tarvittiin esoteerisia avaruusaluksia ja viestintä-/navigointisatelliitteja, mutta nyt LEO-, MEO- ja GEO-satelliittien myötä niistä on tullut lähes rutiinia. Osassa näistä laukaisuista avaruuteen viedään kymmenen tai enemmänkin satelliittia. Tällaisiin satelliitteihin kuuluvat pienet, suositut CubeSat-yksiköt, joita on kehitetty yliopistoissa, lukioissa ja jopa amatöörityhmissä.

Avaruus on kuitenkin ankara ympäristö kaikenlaisille elektroniikkakomponenteille. Mahdollisia ongelma-alueita ovat yhteyksien katkeilu, puutteellinen suorituskyky ja jopa suoranainen hajoaminen. Nämä ongelmat alkavat laukaisutärinästä ja ulottuvat kiertoratakäytön kylmyyteen ja tyhjiöön ja niin edelleen.

Nämä ongelmat asettavat monia vaatimuksia liittimien suorituskyvylle sekä rajoittavat liittimien suunnittelua ja toteutusta. Niitä kaikkia yhdistää se, että luotettavuus on yleisesti ottaen ensisijaisen tärkeää ja että niiden korjaus tai vaihto lennon aikana on epäkäytännöllistä tai mahdotonta. Koon, painon, iskujen ja tärinän ohella muita huomioon otettavia seikkoja ovat kaasun vapautuminen, jäännösmagnetismi, äärimmäiset lämpötilat ja lämpötilavaihtelut, kosminen säteily, ylilyönnit ja liittimien suuntaus:

• Paino ja koko (tilavuus): Nämä kaksi tekijää rajoittavat huomattavasti avaruusaluksen ja sen satelliitin polttoainetehokkuutta – jokainen kuutiosenttimetri on myös arvokas tilavuudeltaan rajoitetussa avaruusalussuunnittelussa.
• Kiihtyvyys, tärinä ja iskut: Kovassa laukaisuvaiheessa syntyy kymmeniä g-voimia laajalla taajuusalueella. Tästä syystä avaruusluokitelluissa liittimissä käytetään yleensä kiristysruuveja tai salparakenteita aina kun se on mahdollista liitoksen luotettavuuden parantamiseksi.
• Kaasun vapautuminen: Avaruuden lämpö- ja tyhjiöolosuhteet kasvattavat liittimistä vapautuvan kaasun määrää. Elastomeerien ja muovien kaltaiset materiaalit voivat vapauttaa hitaasti haihtuvia orgaanisia yhdisteitä (VOC), jotka ovat liuenneet, sulkeutuneet, jäätyneet tai imeytyneet materiaaliin kaasuna tai höyrynä. Jopa epoksi ja muut yleiset liimat voivat vapauttaa näitä haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, joten erikoisliimojen käyttö on välttämätöntä. VOC-yhdisteet voivat merkittävästi heikentää tehtävän kannalta kriittisten laitteiden suorituskykyä häiriten herkkiä instrumentteja ja optisia pintoja. Avaruusluokitellussa liittimessä VOC-yhdisteet ”ajetaan ulos” materiaalista paahtamalla liittimet korkeassa lämpötilassa tyhjiöeristetyssä uunissa.
• Jäännösmagnetismi: Tämä voi häiritä läheisten piirien ja osajärjestelmien suorituskykyä ja aiheuttaa harhaanjohtavia lukemia tarkkuusantureissa. Tämän minimointi saattaa vaatia mahdollisuuksien mukaan ei-magneettisten materiaalien, kuten kupariseosten, käyttöä.
• Lämpötila-alue: Avaruusluokiteltujen liittimien laajennettu alue on yleensä -65 ... +150 °C. Lämpötilavaihtelu on myös otettava huomioon: tällaisesta vaihtelusta johtuva toistuva rasitus voi aiheuttaa mikrohalkeamia ja lopulta väsymismurtumia. Osa satelliiteista on suunniteltu niin, että ne pyörivät. Tällöin niiden keskilämpötila tasoittuu auringon ja varjon puoleisten sivujen välillä. Tämä ratkaisu ei riitä suuremmissa satelliiteissa, koska niiden pinta ja pinnan alla olevat kerrokset voivat edelleen altistua merkittäville lämpövaihteluille syvempään sisäosaan verrattuna. Pienissä satelliiteissa, kuten CubeSateissa, lähes kaikki komponentit sijaitsevat suhteellisen lähellä pintaa.
• Kosminen säteily: Tämä lisääntyy, kun satelliitin toimintakorkeus kasvaa ja maapalloa suojaava ilmakehä ohenee. Tämän väistämättömän säteilyn vaikutukset muistuttavat jollakin tapaa sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) vaikutuksia. Vaikka avaruusaluksen metallikotelo tarjoaa jonkinasteisen suojan, säteilyn vaikutuksille altistuvien piirilevyjen tai kaapelien suojausta voi olla tarpeen lisätä.
• Ylilyönti: Tämä on jatkuva sähköpurkaus, jossa korkea virta purkautuu johtimesta lähimpään metallipintaan. Ylilyönti tapahtuu eri jännitearvoilla ilmamolekyylien tiheyden mukaan. Avaruuden tyhjiö on ääritapaus, joten liittimet tarvitsevat korkeuteen sopivan nimellisjännitteen.
• Fyysiset näkökohdat: Liittimen ja sen kaapelin suuntaus on ratkaisevan tärkeää. Satelliitit ovat luonnollisestikin tiiviisti pakattuja, ja suositut mutta pienet CubeSatit vievät tämän tiheyden uudelle tasolle (kuva 1). Yhden CubeSat-yksikön (U) vakiokoko on 10 × 10 × 10 senttimetriä (cm), ja kokonainen CubeSat-satelliitti voi olla kooltaan 1U, 2U, 3U, 6U tai 12U.

Kuva 1: Suositun CubeSat-satelliitin rakenne perustuu standardoituun pieneen moduulimuotoon, joka mahdollistaa moduulien pinoamisen halutun kokoisiksi. (Kuvan lähde: Harwin)

Jos liitin suunnitellaan siten, että kaapelit kulkevat vertikaalisesti suorassa kulmassa piirilevyyn nähden, CubeSatin piirilevyjä ei voi sijoittaa tiiviisti lähekkäin, koska liitin ja kaapeli häiritsevät niitä. Vertikaalisissa liittimissä ja niitä vastaavissa kaapelikokoonpanoissa tämä ongelma kuitenkin ratkaistaan asentamalla kaapelit piirilevyn reunasta sivusuunnassa pinon reunan ympäri, jolloin piirilevyn yläpuolella tarvittava vapaa tila pienenee.

Yksi koko ei sovi kaikkeen – ei todennäköisesti koskaan

Erilaiset jännitteet, virrat, taajuudet ja eri liitäntäreittien muut suorituskykyvaatimukset tarkoittavat, että yksi ainut liitinperhe olisi monissa tilanteissa vakavasti ali- tai ylimitoitettu. Kumpikaan näistä tilanteista ole hyväksyttävä, vaikkakin eri syistä. Olemassa ei myöskään ole mitään yksittäistä ”standardia”, joka määrittelisi avaruusluokitellun liittimen. Tietyille suorituskykyominaisuuksille, kuten kaasun vapautumiselle, on sen sijaan olemassa standardeja. NASA Parts Selection List (NPSL) -luetteloa käytetään ohjeena avaruusteknologian komponenttien määrittelyssä, ja näillä Qualified Parts Lists (QPL) -listoilla olevat komponentit on tarkoitettu erityisesti avaruussovelluksiin. Euroopassa avaruuskäyttöön soveltuvilla liittimillä on Euroopan avaruusjärjestön (ESA/ESCC) hyväksyntä.

Liittimiä valitsevan suunnittelijan on löydettävä tasapaino liittimien luokitusten ja kriittisen käyttötarkoituksen välillä. Liittimien ylimitoitus voi johtaa merkittäviin kustannus- ja saatavuus-/toimitusaikaongelmiin. Samaan aikaan olisi valitettavaa ja turhauttavaa, jos CubeSat-satelliitti vikaantuisi ennenaikaisesti puutteellisesti tai heikosti ymmärrettyjen liitinongelmien vuoksi. Siksi projektin vaatimuksista on tärkeää tarjota realistinen perspektiivi mitä tulee liitin- ja kaapelivaihtoehtoihin.

Monia vaatimusten mukaisia vaihtoehtoja

Toimittajilla, kuten Harwin, on tarjolla lukemattomia liitinperheitä, joten suunnittelijat voivat räätälöidä valintansa optimaalisesti avaruusluokitukseen liittyvien vaatimuksien mukaan. Jokainen tuoteperhe tarjoaa puolestaan useita variaatioita kosketintyypin ja -määrän, liitosjärjestelyn, kiinnitysvaihtoehtojen ja muiden ominaisuuksien suhteen. Harwin-liitinperheitä ovat muun muassa:

• Mix-Tek Datamate -sarja tarjoaa laajan valikoiman konfiguraatioita signaali-, virta- ja koaksiaaliliittimille, joten insinöörit voivat valita sovelluksiinsa sopivat liitinjärjestelyt (kuva 2). Virtakoskettimien virtaluokitus on jopa 20 ampeeria (A), signaalikoskettimien 3 A, ja koaksiaalikoskettimet tarjoavat 6 gigahertsin (GHz) suorituskyvyn 50 ohmin (Ω) impedanssilla.

Kuva 2: Mix-Tek Datamate -sarja tukee signaali- (3 A), teho- (20 A) ja koaksiaaliliittimien (6 GHz) yhdistelmiä. (Kuvan lähde: Harwin)

Sorvattujen koskettimien käyttö yhdessä Harwinin nelisormisten berylliumkuparikosketinklipsien kanssa takaa korkean luotettavuuden. Mix-Tek-liittimiä on saatavana erilaisina johto- ja piirilevyvalmiina konfiguraatioina, joihin kuuluu jopa 50 matalataajuuskosketinta tai 12 erikoiskosketinta (koaksiaali- ja virtakosketinta). 2 mm:n jakoa käyttävät liittimet voidaan yhdistää ja sovittaa melkein mihin tahansa signaali-, virta- ja koaksiaalikosketinyhdistelmiin.

• Erittäin luotettava Kona-liitinperhe tarjoaa 8,5 mm:n jaolla korkealaatuisen ja korkean virtaluokituksen liitännän vaativiin ympäristöihin (kuva 3). Yksitellen suojatut koskettimet tarjoavat jatkuvan 60 A:n virtaluokituksen 3000 voltin jänniteluokituksen kosketinkohtaisella jännitteellä, ja niiden kestävyysluokitus on 250 liitäntäsykliä. Kuusisorminen kosketinrakenne koostuu kultapinnoitetusta berylliumkuparista, joka säilyttää kontaktin myös kovissa iskuissa ja tärinässä. Tuote on saatavana kompaktina yksirivisenä kotelona kaapelin ja kortin välisiin konfiguraatioihin.

Kuva 3: Kona-sarjan liittimet 8,5 mm:n jaolla tukevat jopa 60 A:n jatkuvaa virtaa ja 3000 volttia kosketinta kohti. (Kuvan lähde: Harwin)

• M300-virtaliittimet tarjoavat valikoiman erittäin luotettavia ja suorituskykyisiä teholuokituksia ja mahdollistavat kompaktin virtaliitännän, jopa 10 A kosketinta kohti. Ne ovat näin kevyt, robusti ja luotettava ratkaisu ääriolosuhteisiin (kuva 4). Liittimet on suojattu tärinää ja iskuja vastaan ruostumattomasta teräksestä valmistetuilla kiristysruuveilla.

Kuva 4: M300-virtaliittimet tarjoavat kompaktin virtaliitännän, jopa 10 A kosketinta kohti. (Kuvan lähde: Harwin)

Luotettava nelisorminen kosketinrakenne takaa sähköisen jatkuvuuden voimakkaasta tärinästä ja iskuista huolimatta. Nämä 3 mm:n jakoa käyttävät piirilevyliittimet, kaapelipuristusliittimet ja valmiit kaapelikokoonpanot soveltuvat lämpötila-alueelle -65 ... +175 °C ja kestävät 1000 liitäntäsykliä.

Erityinen tuoteperhe CubeSat-sovelluksiin

Gecko-tuoteperheen liittimet ja kaapelikokoonpanot on suunniteltu CubeSat-sovellusten suhteellisen suurille kappalemäärille ja vähemmän tiukkoihin vaatimuksiin niiden mittojen mukaisesti (kuva 5). Nämä liittimet tarjoavat matalaprofiilisen liitäntäratkaisun kaapelista korttiin ja kortista korttiin. Ne soveltuvat erityisen hyvin pinoamiseen ja kaapelien liittämiseen kohdissa, joilla piirilevytilaa on rajoitetusti.

Kuva 5: Gecko-tuoteperheen matalaprofiilisia liittimiä on saatavana monina erilaisina rakenteina, konfiguraatioina ja kosketinmäärinä. (Kuvan lähde: Harwin)

Gecko-liittimet ovat erittäin luotettavia suorakulmaisia liittimiä 1,25 mm:n jaolla. Ne toimitetaan liitinkoteloina, ja vaihdettavat koskettimet on tilattava erikseen. Liittimissä on kaapeliholkkimaiset puristuskoskettimet ja kotelot, ja niitä on saatavana uros- ja naarasversioina. Vertikaaliset ja horisontaaliset läpiasennettavat piirilevyliittimet ja vertikaaliset pinta-asennusliittimet on tarkoitettu liitäntöihin kaapelista kaapeliin, kaapelista korttiin ja kortista korttiin.

Gecko-liittimet ovat jopa 45 prosenttia pienempiä ja jopa 75 prosenttia kevyempiä kuin nykyiset alan standardien mukaiset vastaavat liittimet ja Micro-D-liittimet. Niiden tyypillinen paino on noin 1 gramma (g). Niitä on tarjolla kolmena vaihtoehtona, jotka eivät ole liitäntäkelpoisia keskenään:

• Gecko-SL (Screw-Lok) -sarjan liittimet: Yhdessä liittimessä on vapaasti liikkuvat ruuvit, jotka takaavat luotettavan ja robustin liitännän vastakappaleeseen (kuva 6). Screw-Lok-liittimissä voi olla myös kortti- tai paneeliasennustapit, joilla ne voidaan kiinnittää luotettavasti piirilevyyn tai koteloon. Koskettimien virtaluokitus on 2,8 A kosketinta kohti (yksi ainoa kosketin) ja 2,0 A kaikille koskettimille samanaikaisesti. Näitä liittimiä on saatavilla sekä vaakasuorina liittiminä että kaapelikokoonpanoina piirilevyjen tiheää pinoamista varten.

Kuva 6: Gecko-SL-sarjan koskettimien virtaluokitus 2,8 A kosketinta kohti (yksi ainoa kosketin) ja 2,0 A kaikille koskettimille samanaikaisesti. (Kuvan lähde: Harwin)

Esimerkiksi G125-3241696M2 on suorakulmainen, 16 koskettimella varustettu Gecko-SL-paneeliasennusliitin 1,25 mm:n jaolla (kuva 7).

Kuva 7: Gecko-SL G125-3241696M2 on suorakulmainen, 16 koskettimella varustettu Gecko-SL-paneeliasennusliitin 1,25 mm:n jaolla. (Kuvan lähde: Harwin)

• Gecko-MT (Mixed Technology): Nämä liittimet ovat Gecko-SL-sarjan (kuva 8) yhdistelmätekniikkaa käyttäviä versioita (kuva 8). Jos datakoskettimia täydennetään kahdella tai neljällä 10 A:n virtakoskettimella virta-/datakokoonpanoissa 1 + 8 + 1 tai 2 + 8 + 2, Gecko-MT-tuotteet mahdollistavat elektroniikkalaitteistoissa merkittävän tilan ja painon vähennyksen.

Kuva 8: Gecko-MT on samanlainen kuin Gecko-SL-sarja, mutta se tukee signaali- ja virtakoskettimien yhdistelmiä samassa liitinkotelossa. (Kuvan lähde: Harwin)

Niitä on saatavilla kaapeli- ja läpiasennuskonfiguraatioina samoilla Screw-Lok-kiinnitysvariaatioilla kuin Gecko-SL-liittimet. Lisäksi niitä on tarjolla erilaisina signaali- (kaksirivinen) ja virtakosketinkonfiguraatioina (yksirivinen).

G125-FV10805F1-1AB1ABP on 10 koskettimen Gecko-MT-liitin, joka sisältää kahdeksan signaalikosketinta ja kaksi virtakosketinta, jolloin samaa liitintä voi käyttää molempiin toimintoihin (kuva 9).

Kuva 9: Gecko-MT-sarjan liittimessä G125-FV10805F1-1AB1ABP on kahdeksan signaalikosketinta ja kaksi virtakosketinta. (Kuvan lähde: Harwin)

• Gecko Latch (alkuperäinen rakenne): Tämän tuoteperheen urosliittimet voidaan varustaa helposti avattavilla lukitussalvoilla, jolloin ne voidaan liittää luotettavasti naarasliittimeen (kuva 10).

Kuva 10: Gecko Latch -liittimet tarjoavat helposti avattavat salvan urosliittimestä naarasliittimeen. (Kuvan lähde: Harwin)

20 koskettimen pinta-asennettava naarasliitin G125-FS12005LOR on esimerkki Gecko Latch -rakenteesta (kuva 11).

Kuva 11: 20 koskettimen pinta-asennettava naarasliitin G125-FS12005L0R on yksi Gecko Latch -tuoteperheen jäsenistä. (Kuvan lähde: Harwin)

Gecko-SL- ja Latch-sarjat tarjoavat 6–50 kosketinta kaksirivisessä konfiguraatiossa. Liitinkotelot on polarisoitu virheellisen kytkennän estämiseksi, ja kotelon ulkopintaan on merkitty kosketinnumero 1.

Sekä Gecko-SL- että Gecko-MT-liittimien kanssa yhteensopivia metallisia taustakuoria on saatavana liittimien suojaamiseksi mekaanisilta, radiotaajuus (RF) ja sähkömagneettisilta (EMI) häiriöiltä. Esimerkki sellaisesta on 20 koskettimen Gecko-SL-liittimille tarkoitettu kuori (kupu) G125-9702002 (kuva 12).

Kuva 12: Metalliset taustakuoret, kuten tämä 20 koskettimen Gecko-SL-liittimille tarkoitettu G125-9702002, tarjoavat käyttäjille mahdollisuuden parantaa Gecko-SL- ja Gecko-MT-liittimien mekaanista ja sähkömagneettista suojausta. (Kuvan lähde: Harwin)

Koska taustakuorien käyttö on valinnaista, metallikotelolla varustetun liittimen paino ei kuormita sellaisia ratkaisuja, jotka ei tarvita tällaista suojausta. Lisäjoustavuutta tarjoaa se, että taustakuoret kiinnitetään piirilevyyn eikä liittimeen.

Älä unohda kaapelia ja kokoonpanoa

Liittimen valintaan on helppo käyttää aikaa ja energiaa, mutta se on vain osa koko prosessia, sillä liittimen kaapelointi on yhtä tärkeää. Signaalityypin ja asennuksen sanelemia liitäntävaihtoehtoja ovat muun muassa perusjohdot, kierretyt parit, suojattu johdin ja koaksiaalikaapelit. Suunnittelijoilla on viisi vaihtoehtoa kaapelikokoonpanolle:

1. Tee-se-itse (valmistus itse).
2. Valmiiksi puristettujen koskettimien ja johtimien käyttö.
3. Valmiiden kaapelikokoonpanojen käyttö.
4. Valmis, tilaustyönä teetetty kaapelikokoonpano, joka on muunnelma vakiotuotteista.
5. Täysin asiakaskohtainen kaapelikokoonpano, joka on valmistettu erityisesti sovelluksen vaatimuksia varten.

Koska Gecko-liittimiä käytetään laajasti, monet tarvittavista kaapelikokoonpanoista ovat saatavilla standardoituina valmiina tuotteina, mikä lyhentää toimitusaikaa ja vähentää epävarmuutta. Esimerkiksi

G125-FC11205F0-0150F0 on 12 koskettimen kaapelikokoonpano, jonka pituus on 150 mm, ja joka on suunniteltu kytkentöihin suorakulmaisten naarasliittimien välille (kuva 13).

Kuva 13: Kaapeli ja kokonaiskokoonpano muodostavat täydellisen liitäntäelementin: tämä G125-FC11205F0-0150F0 on 12 koskettimen 150 mm pitkä kaapelikokoonpano kytkentöihin suorakulmaisten naarasliittimien välille. Se on saatavilla vakiokomponenttina. (Kuvan lähde: Harwin)

Yhteenveto

On tärkeää löytää liittimet, jotka ovat mahdollisimman pieniä ja kevyitä vaadittavaa suorituskykyluokkaa varten. Spesifioinnissa ei pidä mennä liian pitkälle, jos tiukemmat luvut tai tavoitteet eivät ole tarpeen.

Tämä pätee erityisesti CubeSat-markkinoilla, sillä nämä miniatyyrisatelliitit on suunniteltu pinottaviksi rakettiin, jolloin sekä tilalla että painolla on erittäin ratkaiseva merkitys.

Gecko-liittimet ja -kaapelikokoonpanot tarjoavat suunnittelijoille mahdollisuuden hallita suorituskyvyn ja kustannusten realiteetteja näissä suosituissa, lähes massamarkkina-asemassa olevissa satelliiteissa, kun he haluavat tasapainottaa komponenttivalintoihin liittyviä moninaisia, joskus ristiriitaisia kompromisseja.