Entenda a seleção de conectores e cabeamento para aplicações espaciais

Durante a última década, as naves espaciais de órbita terrestre se tornaram grandes indústrias com aplicações no mercado de massa. Isto resultou na implantação de um grande número de satélites com uma ampla variedade de missões que operam em órbitas terrestres baixas, médias e geoestacionárias (LEO, MEO, GEO). Independentemente de seu tamanho, fonte ou missão, todos estes satélites têm um fator comum em sua lista de materiais (BOM): a necessidade de muitos conectores elétricos e cabeamento para sinal e energia.

Embora estes possam não ter o fator glamour da eletrônica ativa na placa ou da missão mais ampla do satélite, seu desempenho, confiabilidade e constância são vitais para o projeto, a implantação e a longevidade do satélite. Como resultado, a seleção e aplicação de interconexões adequadas é um fator importante para o sucesso da missão. Eles devem fornecer funcionalidade básica enquanto minimizam tamanho e peso e, ao mesmo tempo, devem atender aos mandatos únicos de confiabilidade e robustez necessários para lançamento e vôo espacial.

Felizmente, devido à necessidade do^{século 21} de um volume relativamente alto de interconexões, conectores e cabeamento qualificados para espaço são agora componentes padrão disponíveis de fornecedores através de distribuidores, uma grande mudança de apenas uma década ou duas atrás quando eram especializados, muitas vezes itens de pedidos personalizados.

Este artigo analisa os requisitos de conectores e cabos qualificados para o espaço e sua seleção apropriada. Em seguida, apresenta soluções do mundo real da Harwin que podem ajudar a garantir o sucesso da missão.

Requisitos de cabos e conectores para o espaço

Uma vez que, principalmente no domínio das missões da NASA com naves espaciais esotéricas ou satélites de comunicação/navegação, os lançamentos dos satélites LEO, MEO, GEO se tornaram eventos quase rotineiros. Alguns desses lançamentos resultam na implantação de uma dúzia ou mais de satélites, incluindo as pequenas e populares unidades CubeSat desenvolvidas em universidades, algumas escolas de ensino médio e, até mesmo, grupos científicos amadores.

No entanto, o espaço é um ambiente severo para componentes eletrônicos de todos os tipos. As áreas potencialmente problemáticas incluem conexões intermitentes, desempenho de sub-especificação e até mesmo falha total. Estes problemas começam com a vibração do lançamento e se estendem através do frio e do vácuo do uso orbital e além.

Estas questões colocam muitas exigências no desempenho do conector, bem como restrições no projeto e implementação do conector. Todos eles estão unidos pelo amplo termo de prioridades de confiabilidade e pela impraticabilidade ou impossibilidade de reparo ou substituição em vôo. Junto com o tamanho, peso, choque e vibração, outros problemas incluem a desgaseificação, magnetismo residual, temperaturas extremas e ciclos térmicos, radiação cósmica, descargas e orientação do conector:

• Peso e tamanho (volume): Um veículo espacial e seu satélite estão severamente limitados em ambos os fatores de eficiência de combustível e no fato de que cada centímetro cúbico de volume é precioso em um projeto espacial com volume limitado.
• Aceleração, vibração e choque: A dura fase de lançamento resulta em dezenas de gem uma ampla gama de frequências. Por este motivo, os conectores com dimensionamento espacial normalmente especificam os macacos de parafuso ou projetos de travamento, sempre que possível, para garantir uma conexão segura.
• Desgaseificação: As condições de calor e vácuo do espaço aumentam a taxa de desgaseificação dos conectores. Materiais como elastômeros e plásticos podem liberar lentamente compostos orgânicos voláteis (VOCs) que foram dissolvidos, presos, congelados ou absorvidos no material na forma de gás ou vapor. Mesmo epóxis e outros adesivos de rotina podem liberar esses VOCs, exigindo adesivos especiais. Os VOCs podem resultar em contaminação que pode afetar seriamente o desempenho de equipamentos de missão crítica ao interferir com instrumentos delicados e superfícies ópticas. Para um conector com dimensionamento espacial, os VOCs são "expulsos" do material aquecendo os conectores a uma temperatura elevada em um forno selado a vácuo.
• Magnetismo residual: Isto pode interferir no desempenho de circuitos e subsistemas próximos, causando leituras enganosas dos sensores de precisão. A minimização disto pode exigir o uso de materiais não magnéticos, sempre que possível, tais como ligas de cobre.
• Faixa de temperatura: A faixa estendida para conectores com dimensionamento espacial é normalmente de -65⁰C a +150⁰C. Entretanto, o ciclo térmico também é uma preocupação: os estresses repetidos que resultam de tal ciclo podem induzir microfissuras e eventualmente fraturas por fadiga. Alguns satélites são projetados para girar e, assim, uniformizar sua temperatura média entre os lados voltados para o sol e sombreados pelo sol. Esta é uma solução inadequada para satélites maiores, já que a superfície acima e abaixo ainda podem estar sujeitas a ciclos térmicos significativos em comparação com suas partes internas mais profundas. Em pequenos satélites, como o CubeSats, quase todos os componentes estão relativamente próximos à superfície.
• Radiação cósmica: Isto aumenta à medida que a altitude operacional do satélite aumenta e a atmosfera protetora da Terra torna-se fina. Os efeitos desta radiação inevitável são, de certa forma, semelhantes aos efeitos da interferência eletromagnética (EMI). Embora o invólucro metálico da espaçonave proporcione algum nível de proteção, pode ser necessário incluir uma blindagem adicional em placas de circuito ou cabos que são suscetíveis a impactos de radiações.
• Descarga: Esta é uma descarga elétrica contínua de alta corrente de um condutor para a superfície metálica mais próxima. A descarga ocorrerá em diferentes valores de tensão dependendo da densidade das moléculas do ar com o vácuo do espaço como caso extremo, portanto, os conectores devem ter uma tensão nominal adequada para a altitude.
• Considerações físicas: A orientação do conector e de seu cabo é crítica. Os satélites são obviamente densamente encapsulados, e os populares mas minúsculos CubeSats estão levando esta densidade a um novo nível (Figura 1). Uma única unidade CubeSat (U) é padronizada em 10 × 10 × 10 centímetros (cm), e um satélite CubeSat completo pode ser 1U, 2U, 3U, 6U ou 12U em tamanho.

Figura 1: O popular projeto do satélite CubeSat é baseado em um formato de módulo padrão pequeno que permite o empilhamento em vários comprimentos incrementais. (Fonte da imagem: Harwin)

Se o conector for projetado de modo que os cabos sejam orientados verticalmente em ângulo reto com a placa de circuito, as placas dentro do CubeSat não podem ser mal espaçadas, pois o conector e o cabo interferirão. Entretanto, os conectores horizontais e os cabos de conexão de acoplamento resolvem este problema roteando os cabos a partir da borda da placa de circuito impresso lateralmente ao redor da borda da pilha, reduzindo assim a folga necessária acima da placa de circuito impresso.

Um tamanho não cabe em todos – e provavelmente nunca caberá

As diferentes tensões, correntes, frequências e outros requisitos de desempenho dos vários caminhos de interconexão significam que uma única família de conectores estaria especificada severamente abaixo ou acima em muitas situações, e nenhuma dessas condições é aceitável, embora por diferentes razões. Além disso, não há um único "padrão" que defina um conector com dimensionamento espacial. Em vez disso, existem normas para atributos específicos de desempenho, tais como a desgaseificação. A Lista de Seleção de Peças da NASA (NPSL) é usada como um guia para a especificação de componentes para tecnologias espaciais, e os componentes nestas listas de peças qualificadas (QPLs) são específicos para aplicações espaciais. Na Europa, os conectores de grau espacial possuem a qualificação da Agência Espacial Européia (ESA/ESCC).

Um projetista que seleciona conectores deve encontrar um equilíbrio entre o dimensionamento dos conectores e a criticidade da missão. A super-especificação de conectores pode levar a sérios problemas de custo e disponibilidade/tempo de espera. Ao mesmo tempo, seria lamentável e frustrante se um CubeSat falhasse prematuramente devido a problemas de conectores inadequados ou mal compreendidos. Portanto, é importante fornecer uma perspectiva realista dos requisitos do projeto versus as opções de conectores e cabos.

Muitas opções disponíveis para atender às exigências

Para permitir que os projetistas adaptem de forma ideal suas seleções em relação aos mandatos de dimensionamento espacial, fornecedores como a Harwin oferecem múltiplas famílias de conectores. Cada família, por sua vez, tem múltiplas variações no tipo e quantidade de contato, arranjo de acoplamento, opções de retenção e outras características. Entre as famílias relevantes de conectores Harwin estão:

• A linha Mix-Tek Datamate oferece uma ampla gama de configurações para conectores de sinal, potência e coaxiais, permitindo que os engenheiros selecionem os arranjos de conectores que estejam bem ajustados às suas aplicações (Figura 2). Os contatos de potência são dimensionados em até 20 ampères (A), os contatos de sinal suportam 3 A, e os contatos coaxiais proporcionam um desempenho de 6 gigahertz (GHz) com uma impedância de 50 ohm (Ω).

Figura 2: A série Mix-Tek Datamate suporta combinações de sinal (3 A), potência (20 A) e conectores coaxiais (6 GHz). (Fonte da imagem: Harwin)

A alta confiabilidade se deve ao uso de contatos torneados em conjunto com os clipes de contato de cobre-berílio de quatro pinos da Harwin. Os conectores Mix-Tek estão disponíveis em uma variedade de configurações prontas para cabos e placas com um máximo de 50 contatos de baixa frequência ou 12 contatos especiais (coaxiais e de potência). Os conectores, com passo de 2 mm, podem ser misturados e acoplados com quase qualquer combinação de contatos de sinal, potência e coaxiais.

• A família de conectores de alta confiabilidade Kona de passo de 8,5 mm proporciona uma conexão de alta qualidade e alta corrente para ambientes exigentes (Figura 3). Os contatos encobertos individualmente atingem corrente contínua de 60 A a 3.000 volts por contato, com um dimensionamento de durabilidade de 250 ciclos de acoplamento. O projeto do contato de seis pinos é de cobre-berílio e revestido a ouro para manter a continuidade elétrica sob fortes choques e vibrações, e está disponível em um invólucro compacto de uma fileira em configurações de cabo-placa.

Figura 3: A série Kona de conectores de passo de 8,5 mm suporta até 60 A de corrente contínua e 3.000 volts por contato. (Fonte da imagem: Harwin)

• Os conectores de potência M300 oferecem uma gama de alta confiabilidade e dimensionamentos de potência do desempenho, e alcançam uma conexão compacta de potência com até 10 A por contato, proporcionando assim uma solução leve e robusta com um histórico comprovado em condições extremas (Figura 4). Os conectores protegem contra vibrações e choques equipados com macacos de parafuso em aço inoxidável.

Figura 4: Os conectores de potência M300 fornecem uma conexão compacta de potência de até 10 A por contato. (Fonte da imagem: Harwin)

O projeto comprovado de contato de quatro pinos mantém a continuidade elétrica apesar dos ambientes de alta vibração e choque. Estes conectores de placa de circuito impresso com passo de 3 mm, conectores de cabos crimpados e cabos de conexão montados são capazes de resistir a -65°C a +175°C e são duráveis por 1.000 ciclos de acoplamento.

CubeSat leva a uma família especial

A família Gecko de conectores e cabos de conexão é projetada para atender aos requisitos de volume relativamente alto e menos rigorosos ao longo de algumas dimensões para aplicações CubeSat (Figura 5). Estes conectores fornecem uma solução de interconexão de baixo perfil, cabo a cabo e placa a placa, e são especialmente adequados para empilhamento e acoplamento de cabos em áreas onde o espaço da PCI é valioso.

Figura 5: A família Gecko de conectores de baixo perfil está disponível em uma ampla gama de estilos, configurações e quantidades de contato. (Fonte da imagem: Harwin)

Os conectores Gecko são de passo de 1,25 mm, conectores retangulares de alta confiabilidade, e são fornecidos como capas de conectores com contatos substituíveis encomendados separadamente. Os conectores utilizam contatos crimpados de cabo e capas e estão disponíveis nas versões macho e fêmea; os conectores verticais e horizontais da placa de circuito impresso com furo passante e os conectores verticais de montagem em superfície destinam-se à interconexão cabo a cabo, cabo a placa e placa a placa.

Os conectores Gecko são até 45% menores e até 75% mais leves do que os equivalentes existentes no padrão industrial e Micro-D, com um peso típico de cerca de 1 grama (g). Eles são oferecidos em três variantes que não são intercambiáveis:

• Série de conectores Gecko-SL (Screw-Lok): Um conector tem parafusos flutuantes para uma interconexão segura e robusta com sua contraparte (Figura 6). Os Screw-Loks também podem ter prisioneiros de montagem em placa ou painel para retenção segura da placa de circuito ou do gabinete. Os contatos são dimensionados em 2,8 A por contato isoladamente e 2,0 A para todos os contatos simultaneamente. Estes conectores são oferecidos tanto como conectores horizontais quanto como cabos de conexão para empilhamento de placas de alta densidade.

Figura 6: Os contatos da série Gecko-SL são dimensionados em 2,8 A por contato isolado e 2,0 A para todos os contatos simultaneamente. (Fonte da imagem: Harwin)

Por exemplo, o G125-3241696M2 é um conector Gecko-SL retangular de 16 contatos, de montagem em painel, com um passo de 1,25 mm (Figura 7).

Figura 7: O Gecko-SL G125-3241696M2 é um conector Gecko-SL retangular de 16 contatos, de montagem em painel, com passo de 1,25 mm. (Fonte da imagem: Harwin)

• Gecko-MT (Tecnologia mista): Estes conectores são versões de layout misto da série Gecko-SL (Figura 8). Ao complementar os contatos de dados com dois ou quatro contatos de potência de 10 A em configurações de potência/dados de 1 + 8 + 1 ou 2 + 8 + 2, os produtos Gecko-MT permitem reduções significativas de espaço e peso em hardware eletrônico.

Figura 8: O Gecko-MT é similar à série Gecko-SL, mas suporta sinais mistos e contatos de potência em uma única capa do conector. (Fonte da imagem: Harwin)

Eles estão disponíveis em configurações de cabo ou de furo passante, com as mesmas variações de fixação Screw-Lok que os conectores Gecko-SL, e em uma variedade de configurações de contato de sinal (fileira dupla) e de potência (fileira única).

O G125-FV10805F1-1AB1ABP é um conector de receptáculo Gecko-MT de 10 posições com oito sinais mais dois contatos de potência, permitindo que um único conector sirva para ambas as funções (Figura 9).

Figura 9: O conector G125-FV10805F1-1AB1ABP da série Gecko-MT abriga oito sinais e dois contatos de potência. (Fonte da imagem: Harwin)

• Gecko Latch (desenho original): Os conectores macho desta família podem ser equipados com trincos de travamento de fácil liberação para interconexão segura com o conector fêmea de acoplamento (Figura 10).

Figura 10: Os conectores Gecko Latch oferecem trincos fáceis de soltar entre os pares macho e fêmea. (Fonte da imagem: Harwin)

O G125-FS12005LOR, um conector receptáculo de 20 posições, de montagem em superfície, é um exemplo de projeto do Gecko Latch (Figura 11).

Figura 11: O conector receptáculo G125-FS12005L0R de 20 posições, de montagem em superfície é um dos membros da família Gecko Latch. (Fonte da imagem: Harwin)

As séries Gecko-SL e Latch oferecem entre 6 e 50 contatos em uma configuração de duas fileiras. As capas do conector são polarizadas para evitar o acoplamento errado e têm o contato número um indicado na parte externa das capas.

As opções de carcaças superiores de metal, que são compatíveis com os conectores Gecko-SL e Gecko-MT, estão disponíveis para fornecer proteção mecânica, de radiofrequência (RF) e EMI, tais como a carcaça superior (capô) G125-9702002 para conectores Gecko-SL de 20 posições (Figura 12).

Figura 12: As carcaças superiores de metal como este G125-9702002 para conectores Gecko-SL de 20 pinos oferecem aos usuários a opção de adicionar proteção mecânica e EMI aprimorada a seus conectores Gecko-SL e Gecko-MT. (Fonte da imagem: Harwin)

Ao tornar as carcaças superiores opcionais, os projetos que não requerem tal proteção não são sobrecarregados com o peso de um conector com um gabinete metálico. Para maior flexibilidade, as carcaças superiores se prendem à placa de circuito em vez do conector.

Não esqueça o cabo e a montagem

É fácil gastar tempo e energia na seleção de conectores, mas isso é apenas parte da história da conectividade, pois o cabeamento associado a um conector é igualmente importante. Entre as opções de interconexão ditadas pelo tipo de sinal e instalação estão fios básicos, pares trançados, fios blindados e cabos coaxiais. Os projetistas têm cinco opções quando se trata de obter uma montagem de cabos:

1. Faça você mesmo (fabricação própria)
2. Usar contatos e fios pré-crimpados
3. Usar cabos de conexão prontos para uso
4. Especificar um cabo de conexão completo, sob medida, que é uma variação dos produtos padrões
5. Especificar um cabo de conexão totalmente personalizado feito especificamente para as exigências

Devido ao amplo uso de conectores Gecko, muitos dos cabos de conexão necessários estão disponíveis como itens padrões, prontos para uso, reduzindo assim o tempo de espera e a incerteza. Por exemplo, o

G125-FC11205F0-0150F0 é um cabo de conexão de 12 posições com 150 mm de comprimento e é projetado para interconexões retangulares de soquete para soquete (Figura 13).

Figura 13: O cabo e a montagem geral compreendem a interconexão completa; este G125-FC11205F0-0150F0 é um cabo de conexão de 12 posições e 150 mm de comprimento para interconexões retangulares de soquete para soquete e está disponível como um componente padrão. (Fonte da imagem: Harwin)

Conclusão

É importante procurar conectores que sejam os menores e mais leves possíveis para o suporte de desempenho necessário e não exagerar onde números ou objetivos mais estreitos são desnecessários.

Isto é especialmente verdade no mercado CubeSat, pois estes satélites em miniatura são projetados para serem multi-empilhados em um foguete, onde tanto o espaço quanto o peso são muito valorizados.

Para estes satélites populares, quase "mercado de massa", os conectores Gecko e os cabos de conexão permitem que os projetistas gerenciem as realidades de desempenho e custo enquanto se esforçam para equilibrar as várias, às vezes conflitantes, compensações na seleção de componentes.