Selección de conectores espaciales para aplicaciones de satélites LEO

La industria de los satélites está experimentando un rápido crecimiento, especialmente en el ámbito de los satélites de órbita terrestre baja (LEO). Sin embargo, la dureza del entorno LEO plantea importantes retos a los diseñadores. La exposición al vacío, al oxígeno atómico, a la radiación ultravioleta (UV) intensa y a las fluctuaciones extremas de temperatura pueden provocar la desgasificación, la degradación de los materiales y el fallo de los conectores, lo que puede poner en peligro los sistemas de misión crítica.

Para garantizar el éxito de la misión, los diseñadores deben comprender los retos que supone operar en el espacio y seleccionar conectores de fuentes fiables que incorporen los materiales y tecnologías avanzados necesarios para satisfacer las exigencias de las condiciones LEO.

En este artículo se repasan brevemente los retos que plantea el diseño para aplicaciones LEO y se analizan estrategias para mitigar los efectos medioambientales. A continuación, presenta los conectores adecuados de Cinch Connectivity Solutions que pueden ayudar a superar estos retos.

Desafíos medioambientales en LEO y su impacto en los conectores

Los diseñadores de satélites LEO se enfrentan a retos medioambientales únicos. Aunque el entorno no es tan duro como el del espacio profundo, los conectores y otros componentes de los satélites LEO deben resistir la desgasificación, la radiación y la corrosión, las temperaturas extremas y las vibraciones y golpes.

1) Desgasificación

La desgasificación describe la liberación de gases de materiales no metálicos cuando se someten al calor o al vacío. Es una preocupación importante en los entornos LEO. Los plásticos se utilizan mucho en los conectores por sus excelentes propiedades aislantes y algunos metales utilizados en los conectores pueden contener burbujas microscópicas de gas atrapadas durante la fabricación. Cuando los conectores se fabrican a nivel del mar, estas burbujas de gas no están sometidas a las fuerzas aplicadas por las diferencias de presión dentro y fuera del material.

Sin embargo, en el vacío del espacio, los diferenciales de presión aumentan significativamente, liberando estos gases atrapados. Esta desgasificación puede provocar pequeñas grietas y fisuras que afectan a la resistencia mecánica del conector (Figura 1).

Figura 1: La desgasificación provoca pequeñas grietas y fisuras que afectan a la resistencia mecánica de los conectores. (Fuente de la imagen: Cinch Connectivity Solutions)

La desgasificación también puede dañar sensores como las cámaras al formar una capa de recubrimiento. Puede incluso provocar cortocircuitos entre conectores y componentes, poniendo en peligro una misión.

Aunque el vacío del espacio es el principal causante de la desgasificación, hay otros factores ambientales que pueden aumentar su probabilidad. Por ejemplo, el debilitamiento de los polímeros causado por la radiación UV y la exposición al oxígeno atómico facilitan la salida de los gases atrapados.

2. Radiación y exposición al oxígeno atómico

La exposición constante a la radiación UV del sol puede dañar los plásticos utilizados en los conectores. La radiación ionizante puede provocar la acumulación de carga en los conectores, causando potencialmente descargas electrostáticas. El oxígeno atómico, abundante en el entorno LEO y formado cuando la radiación UV reacciona con el oxígeno, es altamente reactivo y puede erosionar los materiales de los conectores, especialmente los polímeros y algunos metales. Por ejemplo, el politetrafluoroetileno (PTFE), un material plástico aislante habitual en los conectores, reacciona cuando se expone al oxígeno atómico y a la radiación UV, lo que provoca su desgaste. El oxígeno atómico es especialmente reactivo con la plata, provocando su oxidación y afectando a la conductividad eléctrica y a la resistencia de contacto.

3. Fluctuaciones extremas de temperatura

Los satélites LEO experimentan oscilaciones de temperatura de +125 °C a la luz del sol a -65 °C a la sombra de la Tierra, y algunos componentes externos pueden sufrir temperaturas de -270 °C a +200 °C. Esto provoca ciclos térmicos, que estresan y pueden exacerbar pequeñas imperfecciones en los conectores. Las diferencias en el coeficiente de expansión térmica (CET) entre los materiales de los conectores y los componentes asociados pueden dar lugar a ciclos térmicos desiguales, lo que provoca combinaciones incompatibles y posibles fallos.

4. Vibraciones y choques

Las vibraciones intensas durante el lanzamiento pueden comprometer la integridad de los conectores. Los movimientos de lado a lado (eje lateral) y de adelante hacia atrás (eje de empuje) pueden provocar desalineaciones o roturas en las zonas de contacto de los conectores. Los choques generados en el lanzamiento cuando la carga útil se separa del vehículo de lanzamiento pueden aflojar los conectores y crear puntos de fatiga.

Estrategias para mitigar los efectos medioambientales de la LEO

Se recomienda el cierre hermético para mitigar muchos de estos riesgos. El sellado hermético protege los componentes internos del vacío del espacio y evita que se escapen los gases internos. También impide que el aire, el gas y la humedad penetren en el ensamble.

Para garantizar el éxito del diseño, existen varias normas aplicables a las aplicaciones espaciales:

• El método de ensayo de desgasificación ASTM E595 para materiales en entornos de vacío mide la pérdida de masa total (TML) y los materiales condensables volátiles recogidos (CVCM) a +125 °C y +25 °C, respectivamente. Los criterios de aceptación típicos son: TML ≤ 1.00%, CVCM ≤ 0.10%.
• Las instrucciones de NASA EEE-INST-002 para la selección de piezas eléctricas, electrónicas y electromecánicas (EEE), cribado, calificación y disminución de potencia establecen los niveles para las piezas EEE basadas en necesidades de misión.
• El SSP 30426 de la NASA establece los requisitos de control de la contaminación externa de la Estación Espacial Internacional (ISS).
• NASA SP-R-0022A define los requisitos de estabilidad en vacío para materiales poliméricos.

Los conectores deben seleccionarse según estas normas para garantizar que cumplen los rigurosos requisitos de las misiones espaciales.

Los niveles de preparación tecnológica (TRL), desarrollados por la NASA en la década de 1970, proporcionan un método estandarizado para estimar la madurez de las tecnologías en una escala de 1 (principios básicos observados y comunicados) a 9 (probada en vuelo). Los TRL desempeñan un papel crucial en la selección de componentes espaciales por varias razones:

• Reducción de riesgos: Los componentes de mayor TRL han sido probados en entornos relevantes o en misiones espaciales reales.
• Gestión de costos: El uso de componentes de mayor TRL puede reducir los requisitos de desarrollo y pruebas.
• Seguimiento del progreso: El TRL permite supervisar el desarrollo de la tecnología desde el concepto hasta el estado listo para el vuelo, lo que ayuda en la planificación y la toma de decisiones durante el desarrollo de la nave espacial.
• Lenguaje común: Los TRL facilitan el debate sobre la madurez de las distintas tecnologías espaciales.
• Facilidad de integración: Los componentes de mayor nivel suelen ser más fáciles de integrar en los sistemas existentes, lo que influye en las decisiones de selección.

Soluciones de conectores para LEO

Para dar respuesta a los requisitos de diseño de las aplicaciones LEO, Cinch Connectivity Solutions ofrece su cartera de conectores de Cinch Space Mission Solutions. Están diseñados para responder a los retos que plantean los satélites LEO, como los CubeSats y los NanoSats, cuyo tamaño y peso están muy limitados.

Puentes de conectores apilables

Los puentes de conectores apilables CIN::APSE de Cinch proporcionan interconexiones personalizadas de alta densidad sin soldadura para aplicaciones como conexiones placa a placa, flex a placa y componente a placa en satélites LEO. Entre sus principales características se incluyen:

• Conexiones coplanares y en ángulo recto placa a placa para una mayor flexibilidad en el diseño y la disposición de los satélites;
• combinación de RF, potencia, señal y datos de alta velocidad en un encapsulado de 1 milímetro (mm);
• Aprobación de la NASA en TRL 9, lo que indica una fiabilidad probada en vuelo
• y un rendimiento demostrado en condiciones extremas de choque mecánico, vibraciones y temperatura.

Un ejemplo típico es 4631533093 (Figura 2). Esta placa de circuito impreso flexible (placa PC) se comprime para unir un conector apilable montado en una placa PC rígida.

Figura 2: Se muestra el puente conector de apilamiento flexible 4631533093 que conecta placas de PC rígidas. (Fuente de la imagen: Cinch Connectivity Solutions)

4631533093 tiene 25 conductores, una longitud de 3 pulgadas (pulg.), un paso de 0.025 in y extremos expuestos de 0.131 in

Conectores micro D apantallados en el espacio

Cinch ofrece conectores Dura-Con micro-D apantallados para equipos electrónicos y de procesamiento de datos aerotransportados miniaturizados, y para aquellos casos en los que se necesitan rutas de señal más cortas en diseños de satélites compactos. Entre las características destacables se incluyen contactos de pin trenzados y tomas mecanizadas para siete puntos de contacto duraderos, conformidad con MIL-DTL-M83513 (específica para conectores micro-D), niquelado y cables aislados con etileno-tetrafluoroetileno (ETFE). El receptáculo micro-D de 25 pines DCCM25SCBRPN-X2S es un buen ejemplo (figura 3).

Figura 3: El DCCM25SCBRPN-X2S es un receptáculo micro-D de 25 clavijas con pantalla espaciadora. (Fuente de la imagen: Cinch Connectivity Solutions)

Este receptáculo tiene dos filas con un paso de 0.050 in y una separación entre filas de 0.043 in. Tiene un acabado de contacto dorado, puede manejar hasta 3 amperios (A) y supera los requisitos de desgasificación LEO de ≤ 1.0% TML y ≤ 0.1% CVCM.

Atenuadores

Los atenuadores Cinch Qualified Part for Space (QPS) están diseñados específicamente para aplicaciones espaciales. Cumplen las normas de desgasificación ASTM E595 y MIL-DTL-3993 y vienen con valores estándar de 1, 2, 3, 6, 10 y 20 decibelios (dB). Están disponibles valores personalizados de 0 a 20 dB. Un ejemplo típico es el SQA-0182-01-SMA-02 (figura 4). Este atenuador de 1 dB ofrece un rendimiento de CC a 18 gigahercios (GHz), una capacidad de manejo de potencia media de 2 W (500 W, pico) y un rango de temperatura de funcionamiento de -55 °C a +125 °C.

Figura 4: El SQA-0182-01-SMA-02 es un atenuador de 1 dB diseñado específicamente para misiones espaciales. (Fuente de la imagen: Cinch Connectivity Solutions)

Conclusión:

Los diseñadores de misiones espaciales LEO necesitan conectores que funcionen de forma fiable frente a retos como la desgasificación, la temperatura, la radiación UV e ionizante, y las vibraciones y los choques. Al confiar en proveedores de eficacia probada como Cinch Connectivity Solutions, pueden beneficiarse de una gama de soluciones diseñadas con los más altos estándares para misiones espaciales que garantizan el éxito del diseño.