בחירת מחברים בדירוג-חלל עבור יישומי לווייני LEO

תעשיית הלוויינים חווה צמיחה מהירה, במיוחד בתחום הלוויינים במסלול נמוך מעל כדור הארץ (Low Earth Orbit, LEO‏). עם זאת, סביבת LEO הקשה מציבה אתגרים משמעותיים עבור המתכננים. חשיפה לוואקום, חמצן אטומי, קרינת אור אולטרה-סגול (UV) עזה ותנודות טמפרטורה קיצוניות עלולות להוביל לפליטת גזים, דגרדציה של חומרים ותקלות במחברים העלולים לסכן מערכות קריטיות-למשימה.

כדי להבטיח את הצלחת המשימה, על המתכננים להבין את האתגרים של פעולה בחלל ולבחור מחברים ממקורות אמינים המשלבים את החומרים והטכנולוגיות המתקדמים הנחוצים כדי לעמוד בדרישות של תנאי LEO.

מאמר זה סוקר בקצרה את האתגרים של תכנון עבור יישומי LEO ודן באסטרטגיות להפחתת השפעות הסביבה. לאחר מכן הוא מציג מחברים מתאימים מ-Cinch Connectivity Solutions‏ היכולים לעזור לעמוד באתגרים הללו.

אתגרי הסביבה ב-LEO והשפעותיהם על המחברים

מתכנני לווייני LEO מתמודדים עם אתגרי סביבה ייחודיים. בעוד שהסביבה אינה קשה כמו חלל עמוק, מחברי לוויין LEO ורכיבים אחרים חייבים לעמוד בפני פליטת גזים, קרינה וקורוזיה, טמפרטורות קיצוניות, רעידות וזעזועים.

1. פליטת גזים

פליטת גזים מתארת שחרור של גזים מחומרים לא-מתכתיים כאשר הם נתונים לחום או לוואקום. זהו שיקול משמעותי בסביבות LEO. פלסטיק נמצא בשימוש נרחב במחברים בשל תכונות הבידוד המצוינות שלהם, וחלק מהמתכות המשמשות במחברים עשויות להכיל בועות גז מיקרוסקופיות שנלכדו במהלך הייצור. כאשר מחברים מיוצרים בגובה פני הים, בועות גז אלו אינן כפופות לכוחות המופעלים עקב הפרשי לחץ בתוך ומחוץ לחומר.

עם זאת, בוואקום של החלל, הפרשי לחץ אלו גדלים באופן משמעותי, ומשחררים את הגזים הכלואים הללו. פליטת גזים זו יכולה להוביל לסדקים וקרעים קטנים המשפיעים על החוזק המכני של המחבר (איור 1).

איור 1‏: פליטת גזים מובילה לסדקים וקרעים קטנים המשפיעים על החוזק המכני של המחבר. (מקור התמונה: Cinch Connectivity Solutions‏)

פליטת גזים עלולה לפגוע בחיישנים כגון מצלמות עקב יצירת שכבת ציפוי. זה עלול אפילו להוביל לקצר חשמלי בין מחברים ורכיבים, ולסכן את המשימה.

בעוד שהוואקום של החלל מניע בעיקר את פליטת הגזים, גורמי סביבה אחרים יכולים להגביר את הסבירות שלו. לדוגמה, היחלשות הפולימרים הנגרמת מקרינת UV וחשיפה לחמצן אטומי מקלים על בריחת גזים כלואים.

2. חשיפה לקרינה וחמצן אטומי

חשיפה מתמדת לקרינת UV של השמש עלולה לפגוע בפלסטיק המשמש במחברים. קרינה מייננת עלולה להוביל להצטברות מטען על המחברים, העלול לגרום לאירועי פריקה אלקטרוסטטית. חמצן אטומי, הנמצא בשפע בסביבת LEO ונוצר כאשר קרינת UV מגיבה עם חמצן, הוא ראקטיבי ביותר ויכול לשחוק חומרי מחברים, במיוחד פולימרים ומתכות מסוימות. לדוגמה, פולי-טטרא-פלואורו-אתילן (PTFE), חומר בידוד פלסטי נפוץ במחברים, מגיב כאשר הוא נחשף לחמצן אטומי ולקרינת UV וגורם לבלאי. חמצן אטומי הוא ראקטיבי במיוחד עם כסף, גורם לחמצון ומשפיע על המוליכות החשמלית והתנגדות המגעים.

3. תנודות טמפרטורה קיצוניות

לווייני LEO חשופים לתנודות טמפרטורה מ-C‏ִ°‏125‏+ באור השמש עד C‏°‏65‏+ בצל כדור הארץ, כאשר חלק מהרכיבים החיצוניים עשויים להתמודד עם טמפרטורות מ-C‏ִ°‏270‏- עד C‏ִ°‏200‏+. זה מוביל למחזורים תרמיים הגורמים למאמצים תרמיים היכולים להחמיר פגמים קלים במחברים. ההבדלים במקדם ההתפשטות התרמית (CTE) בין חומרי המחברים לבין הרכיבים הקשורים יכולים לגרום למחזורים תרמיים לא אחידים הגורמים לצירופים לא-תואמים ולכשל פוטנציאלי.

4. רעידות וזעזועים

רעידות חזקות במהלך השיגור יכולות לפגוע בתקינות המחברים. תנועות מצד-לצד (ציר רוחבי) ותנועות קדימה-ואחורה (ציר דחף) עלולות להוביל לסטיות-יישור או שבירה באזורי מגעי המחברים. זעזועים הנגרמים בעת השיגור כאשר המטען נפרד מרכב השיגור עלולים לשחרר מחברים וליצור נקודות עייפות חומר.

אסטרטגיות להפחתת השפעות הסביבה של LEO

איטום הרמטי הוא מומלץ כדי להפחית רבים מהסיכונים הללו. איטום הרמטי מגן על רכיבים פנימיים מפני ואקום החלל ומונע בריחת גזים פנימיים. הוא גם מונע מאוויר, גז ורטיבות לחדור למכלל.

כדי לסייע להבטיח הצלחה בתכנון, ישנם מספר תקנים הרלוונטיים עבור יישומי חלל:

• שיטת בדיקת פליטת גזים ASTM E595‏ עבור חומרים בסביבות ואקום מודדת איבוד מסה כולל (TML‏) וחומרים ניתנים-לעיבוי נדיפים נאספים (CVCM‏) ב-C‏ִ°‏125‏+ ו-C‏°‏25‏+. קריטריוני קבלה טיפוסיים הם: TML‏ ≤ %‏1.00‏, CVCM‏ ≤‏ %‏0.10.
• הוראות NASA EEE-INST-002‏ עבור בחירה, מיון, הרשאה וירידת הערך הנומינלי (Derating‏) של חלקים חשמליים, אלקטרוניים ואלקטרומכניים (EEE‏) הקובעים רמות אמינות עבור חלקי EEE‏ על בסיס צורכי המשימה.
• NASA SSP 30426‏ קובע את דרישות בקרת זיהום חיצוני של תחנת החלל הבינלאומית (ISS).
• NASA SP-R-0022A‏ מגדיר את דרישות יציבות ואקום עבור חומרים פולימריים.

יש לבחור את המחברים לפי תקנים אלה כדי להבטיח שהם עומדים בדרישות המחמירות של משימות חלל.

Technology Readiness Levels‏ (TRL‏), אשר פותחו על ידי נאס"א בשנות ה-70, מעניקות שיטות סטנדרטיזציה עבור הערכת בשלות טכנולוגיות בסולם מ-1 (עקרונות בסיסיים שהוכרו ודווחו) עד 9‏ (הוכחו בטיסה). ל-TRLs‏ יש תפקיד חיוני בבחירת רכיבים עבור החלל ממספר סיבות:

• הפחתת סיכונים: רכיבים בעלי TRL גבוה יותר הוכחו בסביבות רלוונטיות או במשימות חלל בפועל.
• ניהול עלויות: שימוש ברכיבי TRL גבוה יותר יכול להפחית את דרישות הפיתוח והבדיקות.
• מעקב אחר ההתקדמות: TRL מאפשר מעקב אחר התפתחות הטכנולוגיה מהרעיון ועד לסטטוס מוכן-לטיסה, המסייע בתכנון וקבלת החלטות במהלך פיתוח רכבי חלל.
• שפה משותפת: TRLs מאפשרים דיון על הבשלות של טכנולוגיות חלל שונות.
• קלות האינטגרציה: רכיבי TRL גבוה יותר קלים בדרך כלל לשילוב במערכות קיימות, ומשפיעים על החלטות הבחירה.

פתרונות מחברים עבור LEO‏

כדי לתת מענה לדרישות התכנון של יישומי LEO‏, Cinch Connectivity Solutions‏ מציעה את פורטפוליו המחברים של פתרונות משימות חלל של Cinch‏. אלו מתוכננים לעמוד באתגרים הקשורים ללווייני LEO כגון CubeSats ו-NanoSats, המוגבלים בתחום צר של גודל ומשקל.

מגשרי מחברים בגיבוב

מגשרי מחברים בגיבוב CIN::APSE‏ של Cinch מספקים חיבורים מותאמים-במיוחד בצפיפות גבוהה ללא הלחמה עבור יישומים כגון חיבורי לוח-ללוח, לוח-גמיש-ללוח, ורכיב-לללוח בלווייני LEO. המאפיינים העיקריים כוללים:

• חיבורי לוח-ללוח קופלאנאריים עם ובזווית ישרה עבור גמישות בתכנון ובפריסה בלווין;
• שילוב של RF, הספקת-כוח, אותות ונתונים במהירות גבוהה במארז של 1 מילימטר (מ"מ);
• אישור נאס"א ב-TRL 9, המעיד על אמינות מוכחת-בטיסה;
• וביצועים מוכחים תחת זעזועים מכניים, רעידות ותנאים תרמיים, כולם קיצוניים.

דוגמה טיפוסית היא ה-4631533093‏ (איור 2). לוח מעגלים מודפסים (לוח PCB‏) גמיש זה נדחס כדי להצטרף לחיבור בגיבוב המורכב על לוח PCB‏ קשיח.

איור 2‏: מוצג מגשר גמיש למחברים בגיבוב 4631533093 המחבר לוחות PCB‏ קשיחים. (מקור התמונה: Cinch Connectivity Solutions‏)

ל-4631533093 יש 25 מוליכים, אורכו 3 אינץ', יש לו פסיעה של 0.025 אינץ' וקצוות חשופים בגודל 0.131 אינץ'.

מחברי Micro-D‏ ממוינים עבור יישומי חלל

עבור אלקטרוניקה מוטסת ממוזערת וציוד עיבוד נתונים, ובמקומות שבהם יש צורך במסלולי אותות קצרים יותר בתכני לווין קומפקטיים, Cinch‏ מספקת את מחברי Dura-Con micro-D‏ הנבדקים עבור יישומי חלל. המאפיינים הבולטים כוללים מגעי פינים מפותלים ותושבות מעובדות במכונה עבור שבע נקודות מגעים עמידות, תאימות MIL-DTL-M83513‏ (ספציפית עבור מחברי Micro-D‏), ציפוי ניקל וחוטים עם בידוד אתילן טטרה-פלואורו-אתילן (ETFE‏). שקע Micro-D‏ עם 25 פינים DCCM25SCBRPN-X2S‏ הוא דוגמה טובה (איור 3‏).

איור 3: ה-DCCM25SCBRPN-X2S הוא שקע Micro-D‏ בעל 25 פינים הנבדק עבור יישומי חלל. (מקור התמונה: Cinch Connectivity Solutions‏)

לשקע זה יש שתי שורות עם פסיעה של 0.050 אינץ' ומרווח בין שורה לשורה של 0.043 אינץ'. יש לו גימור מגעי זהב, יכול להתמודד עם עד 3 אמפר (A), והוא עולה על דרישות פליטת גזים של LEO של ≤ 1.0% TML ו-≤ 0.1% CVCM‏.

מנחתים

המנחתים בעלי הרשאת חלקים עבור חלל (QPS‏) של Cinch‏ מתוכננים במיוחד עבור יישומי חלל. הם עומדים בתקני פליטת גזים ASTM E595‏ ו-MIL-DTL-3993‏ ומגיעים עם ערכים סטנדרטיים של 1, 2, 3, 6, 10 ו-20 דציבלים (dB). קיימים גם ערכים בהתאמה-מיוחדת מ-0 עד dB‏ 20‏. דוגמה טיפוסית היא ה-‎SQA-0182-01-SMA-02‏(איור 4). מנחת dB‏ 1‏ זה הוא בעל ביצועי DC עד 18 גיגה-הרץ (GHz), יכולת טיפול בהספק ממוצע של W‏ 2‏ (W‏ 500‏, שיא), ותחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏55‏- עד C‏ִ°‏125‏+.

איור 4‏: ה-‎SQA-0182-01-SMA-02‏ הוא מנחת dB‏ 1‏ המתוכנן-במיוחד עבור משימות חלל. (מקור התמונה: Cinch Connectivity Solutions‏)

סיכום

המתכננים של משימות חלל LEO זקוקים למחברים הפועלים בצורה מהימנה מול אתגרים כמו פליטות גזים, טמפרטורה, UV וקרינה מייננת, רעידות וזעזועים. ההסתמכות על ספקים מוכחים כמו Cinch Connectivity Solutions, מאפשרת להם ליהנות ממגוון של פתרונות שתוכננו לפי הסטנדרטים הגבוהים ביותר למשימות חלל כדי להבטיח את הצלחת התכן.