Seleção de conectores de grau espacial para aplicações de satélites em LEO

O setor de satélites está experimentando um rápido crescimento, especialmente na área de satélites de órbita terrestre baixa (LEO). No entanto, o ambiente hostil da LEO apresenta desafios significativos para os projetistas. A exposição ao vácuo, ao oxigênio, à intensa radiação ultravioleta (UV) e às flutuações extremas de temperatura pode levar à desgaseificação, à degradação do material e à falha do conector, o que pode comprometer os sistemas de missão crítica.

Para garantir o sucesso da missão, os projetistas devem entender os desafios de operar no espaço e selecionar conectores de fornecedores confiáveis que incorporem os materiais e as tecnologias de ponta necessárias para atender às demandas das condições LEO.

Este artigo analisa brevemente os desafios de projetar para aplicações LEO e discute estratégias para atenuar os efeitos ambientais. Em seguida, ele apresenta os conectores apropriados da Cinch Connectivity Solutions que podem ajudar a enfrentar esses desafios.

Desafios ambientais em LEO e seus impactos nos conectores

Os projetistas de satélites LEO enfrentam desafios ambientais únicos. Embora o ambiente não seja tão hostil quanto o do espaço profundo, os conectores dos satélites LEO e outros componentes devem resistir a desgaseificação, radiação e corrosão, temperaturas extremas, vibrações e choques.

1. Desgaseificação

A desgaseificação descreve a liberação de gases de materiais não metálicos, quando eles são submetidos ao calor ou vácuo. Essa é uma preocupação significativa em ambientes LEO. Os plásticos são amplamente usados em conectores devido às suas excelentes propriedades isolantes, e alguns metais usados em conectores podem conter bolhas de gás microscópicas presas durante a fabricação. Quando os conectores são fabricados no nível do mar, essas bolhas de gás não estão sujeitas às forças aplicadas pelas diferenças de pressão dentro e fora do material.

Entretanto, no vácuo do espaço, os diferenciais de pressão aumentam significativamente, liberando esses gases aprisionados. Essa desgaseificação pode levar a pequenas rachaduras e fissuras que afetam a resistência mecânica do conector (Figura 1).

Figura 1: A desgaseificação leva a pequenas rachaduras e fissuras que afetam a resistência mecânica de um conector. (Fonte da imagem: Cinch Connectivity Solutions)

A desgaseificação também pode danificar sensores, como câmeras, ao formar uma camada de cobertura. Isso pode até levar a curtos-circuitos entre conectores e componentes, colocando em risco uma missão.

Embora o vácuo do espaço seja o principal responsável pela desgaseificação, outros fatores ambientais podem aumentar sua probabilidade. Por exemplo, o enfraquecimento dos polímeros causado pela radiação UV e a exposição ao oxigênio facilitam a saída de gases aprisionados.

2. Exposição à radiação e ao oxigênio

A exposição constante à radiação UV do sol pode danificar os plásticos usados nos conectores. A radiação ionizante pode levar ao acúmulo de carga nos conectores, podendo causar eventos de descarga eletrostática. O oxigênio atômico, abundante no ambiente LEO e formado quando a radiação UV reage com o oxigênio, é altamente reativo e pode corroer materiais conectores, especialmente polímeros e alguns metais. Por exemplo, o politetrafluoroetileno (PTFE), um material de isolamento plástico comum em conectores, reage quando exposto ao oxigênio atômico e à radiação UV, levando ao desgaste. O oxigênio atômico é particularmente reativo com a prata, causando oxidação e afetando a condutividade elétrica e a resistência de contato.

3. Flutuações extremas de temperatura

Os satélites LEO sofrem variações de temperatura desde +125°C sob a luz solar a -65°C na sombra da Terra, com alguns componentes externos podendo enfrentar temperaturas de -270°C a +200°C. Isso leva aos ciclos térmicos, que tensiona e pode exacerbar pequenas imperfeições nos conectores. As diferenças no coeficiente de expansão térmica (CTE) entre os materiais do conector e os componentes associados podem resultar em ciclos térmicos irregulares, levando a combinações incompatíveis e possíveis falhas.

4. Vibração e choque

A vibração intensa durante o lançamento pode comprometer a integridade do conector. Os movimentos de um lado para o outro (eixo lateral) e de frente para trás (eixo de impulso) podem levar ao desalinhamento ou à quebra nas áreas de contato do conector. Os choques gerados no lançamento, quando a carga útil se separa do veículo de lançamento, podem afrouxar os conectores e criar pontos de fadiga.

Estratégias para atenuar os efeitos ambientais da LEO

A vedação hermética é recomendada para reduzir muitos desses riscos. A vedação hermética protege os componentes internos do vácuo do espaço e evita que os gases internos escapem. Também evita que o ar, o gás e a umidade penetrem no conjunto.

Para ajudar a garantir o sucesso do projeto, há vários padrões relevantes para aplicações espaciais:

• O método de teste de desgaseificação ASTM E595 para materiais em ambientes a vácuo mede a perda total de massa (TML) e os materiais condensáveis voláteis coletados (CVCM) a +125°C e +25°C, respectivamente. Os critérios de aceitação típicos são: TML ≤ 1,00%, CVCM ≤ 0,10%.
• As instruções da NASA EEE-INST-002 para seleção, triagem, qualificação e degradação de peças elétricas, eletrônicas e eletromecânicas (EEE) estabelecem níveis de confiabilidade para peças EEE com base nas necessidades da missão.
• A NASA SSP 30426 estabelece os requisitos de controle de contaminação externa da Estação Espacial Internacional (ISS).
• A NASA SP-R-0022A define os requisitos de estabilidade a vácuo para materiais poliméricos.

Os conectores devem ser selecionados de acordo com esses padrões para garantir que atendam aos rigorosos requisitos das missões espaciais.

Os Níveis de Prontidão Tecnológica (TRL), desenvolvidos pela NASA na década de 1970, fornecem um método padronizado para estimar a maturidade das tecnologias em uma escala de 1 (princípios básicos observados e relatados) a 9 (comprovados em voo). Os TRLs desempenham uma função crucial na seleção de componentes espaciais por vários motivos:

• Redução de riscos: Os componentes de TRL mais superiores foram comprovados em ambientes relevantes ou em missões espaciais reais.
• Gerenciamento de custos: O uso de componentes de TRL mais superiores pode reduzir os requisitos de desenvolvimento e teste.
• Acompanhamento do progresso: O TRL permite o monitoramento do desenvolvimento da tecnologia desde o conceito até o status de pronto para voo, auxiliando no planejamento e na tomada de decisões durante o desenvolvimento da espaçonave.
• Linguagem comum: Os TRLs facilitam a discussão sobre a maturidade de diferentes tecnologias espaciais.
• Facilidade de integração: Os componentes de TRL mais superiores geralmente são mais fáceis de integrar aos sistemas existentes, o que influencia as decisões de seleção.

Soluções de conectores para LEO

Para atender aos requisitos de design das aplicações LEO, a Cinch Connectivity Solutions oferece seu portfólio de conectores Cinch Space Mission Solutions. Eles foram projetados para atender aos desafios relacionados aos satélites LEO, como CubeSats e NanoSats, que têm restrições rígidas de tamanho e peso.

Jumpers para empilhamento de conectores

Os jumpers para empilhamento de conectores CIN::APSE da Cinch fornecem interconexões personalizadas de alta densidade e sem solda para aplicações como conexões de placa a placa, flexíveis a placa e de componente a placa em satélites LEO. Os principais recursos incluem:

• conexões coplanares e em ângulo reto de placa a placa para flexibilidade no design e no layout do satélite;
• combinação de RF, potência, sinal e dados de alta velocidade em um invólucro de 1 milímetro (mm);
• aprovação da NASA no TRL 9, indicando confiabilidade comprovada em voo;
• e desempenho comprovado em condições extremas de choque mecânico, vibrações e condições térmicas.

Um exemplo típico é o 4631533093 (Figura 2). Essa placa de circuito impresso flexível é comprimida para unir um conector de empilhamento montado em uma placa de circuito impresso rígida.

Figura 2: É mostrado o jumper flexível para empilhamento de conectores 4631533093 que conecta placas de circuito impresso rígidas. (Fonte da imagem: Cinch Connectivity Solutions)

O 4631533093 tem 25 condutores, 76,2 milímetros (mm) de comprimento, um passo de 0,635 mm e tem extremidades expostas medindo 3,327 mm.

Conectores micro-D com blindagem espacial

Para equipamentos eletrônicos miniaturizados aerotransportados e equipamentos de processamento de dados, e onde são necessários caminhos de sinal mais curtos em projetos de satélites compactos, a Cinch fornece os conectores Dura-Con micro-D com blindagem espacial. Entre os recursos mais importantes estão os contatos trançados do pino e soquetes usinados para sete pontos de contatos duráveis, conformidade com a norma MIL-DTL-M83513 (específica para conectores micro-D), metalização de níquel e fios isolados com etileno tetrafluoroetileno (ETFE). O receptáculo micro-D de 25 pinos DCCM25SCBRPN-X2S é um bom exemplo (Figura 3).

Figura 3: O DCCM25SCBRPN-X2S é um receptáculo micro-D de 25 pinos com blindagem espacial. (Fonte da imagem: Cinch Connectivity Solutions)

Esse receptáculo tem duas fileiras com um passo de 1,27 mm e espaçamento entre fileiras de 1,09 mm. Ele tem um acabamento em ouro do contato, pode suportar até 3 amperes (A) e excede os requisitos de desgaseificação da LEO de ≤ 1,0% TML e ≤ 0,1% CVCM.

Atenuadores

Os atenuadores QPS (Qualified Part for Space) da Cinch são projetados especificamente para aplicações espaciais. Eles atendem aos padrões de desgaseificação ASTM E595 e MIL-DTL-3993 e vêm com valores padrão de 1, 2, 3, 6, 10 e 20 decibéis (dB). Estão disponíveis valores personalizados de 0 a 20 dB. Um exemplo típico é o SQA-0182-01-SMA-02 (Figura 4). Esse atenuador de 1 dB apresenta desempenho desde CC a 18 gigahertz (GHz), capacidade de lidar com potência média de 2 W (500 W, pico) e uma faixa de temperatura operacional de -55°C a +125°C.

Figura 4: O SQA-0182-01-SMA-02 é um atenuador de 1 dB projetado especificamente para missões espaciais. (Fonte da imagem: Cinch Connectivity Solutions)

Conclusão

Os projetistas de missões espaciais LEO precisam de conectores que funcionem de forma confiável diante de desafios como desgaseificação, temperatura, radiação UV e ionizante, além de vibração e choque. Ao confiar em fornecedores comprovados, como a Cinch Connectivity Solutions, eles podem se beneficiar de uma variedade de soluções projetadas de acordo com os mais altos padrões para missões espaciais, a fim de garantir o sucesso do projeto.