Niveles de preparación tecnológica de los componentes calificados para uso espacial

Lanzar un producto al espacio es más complejo que comercializarlo en la Tierra. En el espacio, los componentes deben resistir los desafíos del entorno espacial, funcionar con fiabilidad durante su vida útil prevista sin mantenimiento y soportar los límites de peso y tamaño del lanzamiento.

En este entorno, los diseñadores de productos recurren a las piezas cualificadas para el espacio (QPS), que ya han sido diseñadas, probadas y verificadas para su uso con éxito en aplicaciones espaciales. Los QPS han alcanzado el nivel más alto de preparación tecnológica (TRL) definido por la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA).

Los TRL, que van del 1 al 9, reflejan el recorrido de un producto desde su concepción hasta su funcionamiento satisfactorio (Figura 1). Las TRL 1 a 3 se centran en el desarrollo de una idea básica para convertirla en una prueba de concepto que demuestre cómo funcionaría teóricamente el artículo. Del TRL 4 al TRL 6, las piezas se someten a pruebas iniciales y simulaciones. Los TRL 7 y 8 llevan el concepto a buen puerto con la prueba real de un prototipo y la demostración final de la tecnología.

Figura 1: Los TRL de la NASA denotan el recorrido de un producto espacial desde su concepción inicial hasta su rendimiento probado. Solo una pieza con un TRL de 9 puede considerarse un QPS cuando se fabrica y prueba de acuerdo con normas aceptadas. (Fuente de la imagen: Cinch Connectivity Solutions)

Los productos que alcanzan un TRL de 9 han demostrado un rendimiento satisfactorio en aplicaciones espaciales reales. Además de alcanzar este elevado nivel de TRL, las piezas deben superar regímenes de ensayo específicos para ser consideradas QPS. Las normas que regulan estos requisitos varían en función del tipo de pieza. Por ejemplo, los atenuadores QPS deben someterse a ensayos MIL-DTL-3933, nivel T, y los conectores electrónicos QPS se rigen por la norma EEE-INST-002 de la NASA.

Entender los desafíos específicos de las aplicaciones espaciales puede ayudar a los diseñadores a elegir los QPS existentes que cumplan sus requisitos, acortar el camino entre el concepto y la implementación, y llevar el producto al mercado a tiempo y dentro del presupuesto.

Superar la desgasificación

La capacidad de funcionar en el vacío y a temperaturas extremas es uno de los mayores obstáculos que deben superar los componentes espaciales. Los vacíos en la órbita terrestre media (MEO), de 1,234 a 22,234 millas de la Tierra, donde operan los satélites del Sistema de Posicionamiento Global (GPS), tienen un promedio de 1 mTorr a 1 µTorr. Al mismo tiempo, los componentes de estas y otras aplicaciones están sometidos a temperaturas de hasta -270 °C a la sombra y hasta +121 °C a la luz directa del sol.

Cuando se exponen al vacío y al calor, las piezas no metálicas pueden sufrir desgasificación, un fenómeno en el que los gases atrapados en el interior del material durante la fabricación migran a la superficie. Esta migración puede provocar fracturas en el material, debilitándolo. Los gases liberados también pueden condensarse y congelarse en otras partes de los componentes, causando daños como ópticas borrosas y sensores sucios.

La gravedad de la desgasificación se mide por la pérdida total de masa (TML) de un componente cuando se somete al vacío y al calor, expresada como porcentaje de la masa original. Los fabricantes también miden el porcentaje de materiales volátiles condensables coleccionables (CVCM), la cantidad de materia desgasificada que se condensa en una superficie más fría. Ambas pruebas se realizan según el protocolo ASTM E595, en el que la muestra se mantiene a +125 °C y a menos de 5 x^10-5 Torr durante 24 horas.

La mayoría de los componentes electrónicos deben superar pruebas de desgasificación para ser designados QPS porque utilizan materiales de aislamiento y blindaje no metálicos. Este es el caso de las clavijas y tomas micro-D apantalladas Cinch Dura-Con™ (figura 2) de Cinch Connectivity Solutions. Los no metales de los conectores Dura-Con, el aislante termoestable alrededor de las clavijas y el aislamiento del cable de etileno tetrafluoroetileno (ETFE) pierden menos de 1% de su masa total en las pruebas y tienen menos de 0.01% CVCM.

Figura 2: Los conectores Dura-Con utilizan materiales aislantes de baja emisión de gases para superar la norma EEE-INST-002 de la NASA sobre selección de conectores electrónicos para aplicaciones LEO. (Fuente de la imagen: Cinch Connectivity Solutions)

Estos conectores niquelados cumplen la norma MIL-DTL-83513 para conectores eléctricos rectangulares microminiatura. Permiten de 9 a 100 posiciones de patillas en espacios de 0.775" a 2.160" de ancho, por 0.298" a 0.384" de alto.

Su diseño y bajo nivel de desgasificación los posicionan para aplicaciones en órbita terrestre baja (LEO) hasta 1,200 millas de altitud según la norma EEE-INST-002 de la NASA para la selección de conectores electrónicos. El telescopio espacial Hubble, la Estación Espacial Internacional y las constelaciones de microsatélites que hacen posible la telecomunicación mundial orbitan en esta zona.

La norma EEE-INST-002 también reconoce tres niveles de criticidad para los conectores electrónicos. Los conectores de nivel 1 son de misión crítica, los de nivel 2 requieren alta fiabilidad y los de nivel 3 tienen una fiabilidad estándar. Los conectores Dura-Con están apantallados hasta el nivel 2.

Reducir las interferencias de la radiación

Además de los peligros del vacío y las temperaturas extremas, los componentes espaciales también tienen que hacer frente a mayores niveles de radiación. Sin la protección de la atmósfera terrestre, estos componentes se enfrentan a todo el espectro de la radiación ultravioleta (UV). Fuera de la LEO, los rayos gamma y otras radiaciones ionizantes también son preocupantes. La radiación puede acortar la vida útil de los componentes no metálicos y puede degradar las señales electromagnéticas con interferencias de radiofrecuencia (RFI) e interferencias electromagnéticas (EMI) en general.

Los conectores eléctricos que combaten esta situación, como los conectores eléctricos Trompeter QPS de Cinch Connectivity Solutions, cuentan con un sólido blindaje RFI y EMI, lo que les permite cumplir la especificación de bus de datos MIL-STD-1553B.

También están construidos principalmente en metal, con contactos de cobre berilio chapados en oro y un cuerpo de níquel. Un material dieléctrico de politetrafluoroetileno (PTFE) de baja desgasificación consigue TML inferiores a 1.0% y CVCM inferiores a 0.10%.

La serie Trompeter para espacios reducidos incluye conectores en miniatura en dos estilos de conexión. Los conectores TRB son un bloqueo tipo bayoneta (figura 3) mientras que los conectores TRT se fijan con una rosca de tornillo (figura 4). Cada tipo se presenta en varios diseños que permiten su conexión a través de cabezales, en el extremo de los cables o mediante placas de circuito impreso (placa CI).

Figura 3: Los conectores de bayoneta en miniatura TRB tienen un excelente blindaje RFI y EMI y una baja desgasificación. (Fuente de la imagen: Cinch Connectivity Solutions)

Figura 4: Los conectores roscados en miniatura TRT con clasificación espacial pueden fijarse a través de conectores pasantes, cables o placas de circuito impreso. (Fuente de la imagen: Cinch Connectivity Solutions)

Los conectores de bayoneta subminiatura TRS (figura 5) y los conectores roscados subminiatura TTS (figura 6) comparten la resistente transmisión de señal de sus homólogos de mayor tamaño. Su menor tamaño permite un uso más eficiente del limitado espacio disponible en los satélites y otros vehículos orbitales.

Las piezas subminiatura también resuelven otra dificultad de diseño de las aplicaciones espaciales: el costo de ponerlas en órbita. En 2025, el costo de lanzar un kilogramo de masa a la LEO era de $3,000. Si bien es una orden de magnitud más asequible que los 50,000 dólares/kg de la época del transbordador espacial, el peso sigue siendo muy elevado. Los conectores QPS en subminiatura pueden ayudar a reducir el peso y ahorrar dinero.

Figura 5: Los conectores de bayoneta en subminiatura TRS para uso espacial reducen el peso y el costo de lanzamiento, y, a su vez, mantienen un excelente rendimiento de transmisión de señales. (Fuente de la imagen: Cinch Connectivity Solutions)

Figura 6: Los conectores roscados en subminiatura para aplicaciones espaciales TTS utilizan materiales aislantes de baja emisión de gases para superar la norma EEE-INST-002 de la NASA sobre selección de conectores electrónicos para aplicaciones LEO. (Fuente de la imagen: Cinch Connectivity Solutions)

La baja desgasificación, ligereza y alta calidad de transmisión de señal de los conectores Trompeter han llevado a su uso en satélites de comunicaciones en LEO, satélites GPS en MEO y en Marte en los vehículos exploradores de la NASA.

Componentes diseñados para lanzarse y durar

Las consideraciones de costo no son los únicos desafíos de diseño relacionados con el lanzamiento de componentes al espacio. Las piezas deben ser capaces de soportar la aceleración y las vibraciones del despegue, así como los choques térmicos, rindiendo tan bien después de estos choques como lo hicieron en el banco de pruebas.

La norma MIL-DTL-3933 establece los requisitos de cualificación y apantallamiento de los atenuadores fijos de radio y microondas, que reducen la potencia de las señales sin distorsionar sus formas de onda. La norma proporciona orientaciones específicas, etiquetadas como nivel T.

Los atenuadores QPS (figura 7) se prueban y cumplen los requisitos MIL-DTL-3933 de nivel T, ofreciendo valores de atenuación de 0 dB a 20 dB con precisiones que oscilan entre ±0.3 dB y ±0.7 dB. Construidos en acero inoxidable y cobre berilio con un dieléctrico de PTFE y una junta de fluoroelastómero, cumplen o superan los requisitos de desgasificación.

Figura 7: Los atenuadores QPS reducen la potencia de las señales de radio o microondas de 0 dB a 20 dB. Se han utilizado en satélites GPS y misiones interplanetarias. (Fuente de la imagen: Cinch Connectivity Solutions)

Estos atenuadores están disponibles en tres niveles de blindaje que reflejan la aplicación final del atenuador. El nivel A comprueba el rendimiento de atenuación de todas las piezas antes y después de la aplicación de la potencia máxima y es para aplicaciones que no son de vuelo. El nivel B, el control mínimo previo al vuelo espacial, añade a la evaluación factores de estrés en el lanzamiento, como el choque térmico y el acondicionamiento al vacío, y se utiliza para las piezas de los satélites que entran en la órbita terrestre baja. El nivel C aporta ciclos térmicos y vibraciones al proceso de selección y se recomienda para cualquier pieza destinada al espacio, incluidas las que se dirigen a órbitas geoestacionarias (a 22,234 millas de la Tierra) y más allá.

Conclusión

Los componentes QPS que han alcanzado un TRL de 9 al funcionar con éxito en anteriores misiones de vuelos espaciales han demostrado tener una larga vida útil sin mantenimiento y soportar temperaturas extremas, golpes, vibraciones, vacío y radiación. Los fabricantes de QPS han desarrollado protocolos de selección que garantizan que 100% de sus piezas espaciales están a la altura de los desafíos que plantea operar en órbita o en el espacio profundo hoy y en el futuro.