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基于太空的设计——挑战、用例和选择正确的连接器行业资讯

2022-08-26 23:13:04

太空领域里连接器的运用如何?一起了解了解。

随着太空领域越来越多地转向商业应用,对能够可靠应对严苛环境的组件的需求日益增加,其中包括电气连接器。与打算在太空环境中使用的任何其他组件一样,工程师必须确保他们选择的连接器符合适当的材料和性能标准。在设计阶段的早期,他们还必须考虑那些与太空环境高度相关的问题。

连接器

图 1.太空探索系统面临极端环境

太空应用存在一些固有限制,严重限制了设计人员将连接器集成到系统中的位置和方式。任何太空应用中使用的零件的可用体积都是有限的,这使得设计中每个元素的尺寸都受到高度限制。最小化质量对于降低发射成本也至关重要。

零件的故障,即使是在地面应用中,也可能造成很大的问题,会导致停机时间增加、直接维修成本、交货时间和完成维修所需的时间。对于太空应用,所有这些问题很快就会变得异常昂贵。毫不奇怪,投入人力或远程控制机器人进行维护所需的资源可能过高。

因此,太空应用需要具有小体积和质量的高度可靠、易于维护的解决方案。

本文讨论了在为太空应用选择组件时要考虑的几个问题,同时还涉及相关标准和关键问题领域。它还提供了一个深入的示例 - 低地球轨道 (LEO) 卫星 - 在讨论一些适用于太空应用的特定连接器

太空应用相关的问题

在开发任何用于太空环境的设备时,负责设计的工程师必须考虑具体问题。这些包括:

  • 排气
  • 辐射
  • 振动
  • 太空余量
  • 与故障/维修相关的成本
  • 发射所需功率

太空真空和排气

排气是指非金属材料受热或真空时释放气体。除气过程中释放的化合物可能是挥发性的,并且蒸气会聚集在关键部件的表面上。当这些蒸汽聚集在表面上时,它们会导致组件、连接器或引线之间发生短路。由于围绕放气的问题,必须仔细选择用于太空应用的连接器的材料。有关相关除气标准的 LEO 示例用例,请参见下文。

宇宙和热辐射

宇宙和热辐射都给太空应用设计带来了问题,太阳是主要的辐射源。没有大气可以保护组件免受紫外线辐射,紫外线辐射会改变聚合物的化学结构并导致材料硬化或弱化。

辐射还可能导致航天器或卫星中的电子和电气系统发生故障。带电粒子辐射,主要来自银河宇宙射线、太阳质子事件,或仅仅被困在辐射带中,是设计阶段必须解决的另一个问题。

解决辐射问题的一种常见方法是使用绝缘体来保护关键部件,或者使用可以反射广谱电磁辐射、不受吸收辐射影响并用作优良导体的电镀材料(例如金)。

发射时的振动

发射时的振动、冲击和冲击载荷非常强大。特别是,在发射过程中不损害电气连接的完整性是至关重要的。松散的连接在发射时可能特别危险,但即使是在飞行后期没有危及生命的松散连接,以后修复的成本也可能非常高。对于卫星来说,它可能导致失去控制和数据传输能力。对于涉及人类生命的任务,松动的连接器可能是致命的。

示例:低地球轨道卫星 (LEO)

总结了太空应用的一些关键设计挑战,让我们看一个例子,看看 NASA 如何开发特定于一个用例的组件类别:LEO 卫星(见图 2)。

连接器

图2.太空中的 LEO 卫星示例

LEO 卫星的轨道半径为地球半径的 3 倍(约 2,000 公里),轨道周期约为 128 分钟。即使它们不在深空运行,它们仍然受到极其恶劣的条件的影响。他们的设计涉及上述所有问题,包括排气、辐射、振动和 SWaP(尺寸、重量和功率)。

国防后勤局 (DLA) 的合格产品数据库 ( QPD ) 记录了许多不同材料的除气特性。排气特性通过根据 ASTM 标准E1559和E595测量的总质量损失 (TML %) 和收集的挥发性可冷凝材料 (CVCM %) 来量化。

此外,NASA 发布了太空站外部污染要求 SSP 30426。该要求定义了分子沉积和颗粒释放的合规限制:TML 为 1.0%,CVCM 为 0.1% 或更低。

最容易排气的材料是化学衍生的,最常见的是复合材料。幸运的是,可以使用符合 NASA 排气要求的连接器

在设计 LEO 卫星时,辐射及其对电子设备的影响仍然是一个严重的问题。NASA 开发了几个特定于 LEO 的组件类别:

  1. 商业的
  2. 辐射耐受性
  3. 辐射硬化(rad-hard)
  4. 闩锁

最不严格的是商业(客户承担所有风险),辐射硬度为 2 到 10 krad。最严格的是 rad-hard,可以处理 200 krad 到 1 Mrad。

为了满足 NASA 的要求,连接器必须满足根据EIA-364-28或MIL-STD-1344 Method 2005 Random Condition VI 评估的振动要求。具体测试条件主要取决于联轴器的类型,涉及的测试标准有EIA-364-42(冲击)和EIA-364-27(机械冲击)。

SWaP 是太空应用中的一个重要因素,主要是因为重量对 LEO 的燃料需求以及与运输/存储成本有关的体积和重量的影响。因此,电连接器解决方案越紧凑、越轻越好。

太空连接器解决方案

Bel/Cinch 提供了几款适用于恶劣的太空环境的产品,从Duracon MIL-DTL-83513 Micro-D 连接器开始,如图 3 所示。D除了出色的可靠性之外,它们还采用密集紧凑的 0.050 英寸(1.27 毫米)间距互连。

连接器

图3.用于太空应用的 Dura-Con MIL-DTL-83513 连接器和组件

用于太空环境的另一种解决方案是符合 Bel/Cinch标准的太空 (QPS) 衰减器部件(图 4)。该标准 QPS 衰减器系列由满足或超过 1% TML 和 0.1% CVCM 放气要求的材料制成。

连接器

图4. QPS 衰减器使用 MIL-DTL-3933 T 级认证指导的测试进行认证

Trompeter Twinax/Triax 解决方案(图 5)通常用于MIL-STD-1553B应用,并通过现成的定制解决方案完全支持视频、广播、电信和仪器仪表的需求。

连接器

图5. Trompeter Twinax/Triax 解决方案

太空连接器和布线解决方案

设计用于太空的产品,无论是小型 LEO 卫星还是载有乘客的飞行舱,都可能极具挑战性。除了互连解决方案所涉及的常规规范外,还有关于性能和材料选择以及辐射影响、极端操作环境和 SWaP 约束等问题的国家和国际标准。

幸运的是,像Bel/Cinch 这样的公司拥有坚固、可靠、合规的连接器和电缆解决方案。这包括由 DLA QPD 中批准的材料制成的连接器,根据 NASA 特定于 LEO 的辐射组件类别进行分类,并根据 EIA-364-28 或 MIL-STD-1344 振动标准进行测试。

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