Verkabelung für die letzte Grenze: Ein Leitfaden für die Gestaltung von Weltraumtauglichen Kabelbäumen

Weltraummissionen erfordern höchste Zuverlässigkeitsstufen aufgrund der feindlichen Umgebung des Weltraums und der Unmöglichkeit, Reparaturen durchzuführen, sobald ein Raumfahrzeug gestartet ist. Kabelbäume sind kritische Komponenten, die verschiedene Systeme miteinander verbinden, und ihr Design und ihre Herstellung müssen eine fehlerfreie Leistung während der gesamten Lebensdauer der Mission gewährleisten. Um dies zu erreichen, haben die Europäische Kooperation für Raumfahrtstandardisierung (ECSS) und die NASA strenge Standards festgelegt, die das Design, die Montage und die Qualitätskontrolle von Kabelbäumen leiten. Zwei wichtige Standards in diesem Bereich sind ECSS-Q-ST-70-61C und NASA-STD-8739.4A. Diese Standards bieten detaillierte Richtlinien, um hochzuverlässige Kabelbäume für Weltraumanwendungen zu gewährleisten.

Dieser Artikel bietet einen Überblick über die wichtigsten Prinzipien und Anforderungen, die in diesen Standards festgelegt sind, mit einem Schwerpunkt auf Design, Materialauswahl und Qualitätssicherung für in Weltraumanwendungen verwendete Kabelbäume. Als Beispiel wird ein grundlegendes Kabelbaumdesign unter Verwendung von Koaxialkabeln verwendet.

Wichtige Aspekte des Designs von hochzuverlässigen Kabelbäumen

Hauptziel in diesem Beispiel ist es, zwei Signale von zwei verschiedenen PCBs zu M1,5-Schraubklemmen zu verbinden. Zu diesem Zweck werden zwei Koaxialkabel mit Lötösen verwendet. Der Schirm beider Kabel verbindet sich mit einer weiteren zusätzlichen Öse.

Die rechte Seite wird direkt an die PCBs gelötet, wie Abbildung 2 zeigt:

Materialauswahl

Beide Standards betonen die Wichtigkeit der Verwendung von Materialien, die den harten Bedingungen im Weltraum standhalten können, einschließlich Strahlung, extremen Temperaturen, Vakuum und mechanischen Belastungen wie Vibrationen. Die Auswahl von Leitern, Isolatoren, Abschirmmaterialien und Verbindern muss strenge Kriterien erfüllen, um eine Degradation über die Zeit zu verhindern:

• Leitermaterialien: Die am häufigsten verwendeten Materialien umfassen versilbertes oder vernickeltes Kupfer oder Messing, welche eine ausgezeichnete Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit bieten.
• Isolierung: Die Isolierung muss basierend auf ihrer Fähigkeit, hohe Spannungslasten zu handhaben und einem Durchbruch zu widerstehen, ausgewählt werden. Häufig verwendete Materialien sind Polyimid und PTFE (Teflon) aufgrund ihrer Hitzebeständigkeit, mechanischen Stärke und minimalen Ausgasung in Vakuumumgebungen. Überprüfen Sie Vor- und Nachteile verschiedener Isolationsmaterialien auf https://nepp.nasa.gov/npsl/wire/insulation_guide.htm
• Abschirmung: Effektive Abschirmung ist entscheidend, um elektromagnetische Interferenzen (EMI) zu minimieren. Dies beinhaltet oft die Verwendung von geflochtenen Kupfer- oder Aluminiumschirmen.

ECSS-Q-ST-70-61C und NASA-STD-8739.4A betonen beide die Verwendung von qualifizierten Materialien, die spezifischen Tests für den Weltraumeinsatz unterzogen wurden, um ihre Leistung in der Betriebsumgebung sicherzustellen.

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Mit diesen Anforderungen im Hinterkopf wird das Habia RG-178BU Koaxialkabel mit PTFE-Isolierung und der AXON ZLA 2419 Einzeldraht (Erdung) mit ETFE-Isoliermaterial verwendet.

Kabelbaumdesign und -layout

Das Design und Layout des Kabelbaums sind entscheidend, um elektrisches Rauschen, mechanischen Stress und das Potenzial für Kabelausfälle zu reduzieren. Wichtige Prinzipien umfassen:

• Verlegung: Kabel sollten so verlegt werden, dass Bewegungen minimiert, Scheuern verhindert und der Kontakt mit scharfen Kanten oder Wärmequellen vermieden wird. Ein angemessener Abstand zwischen Kabeln und empfindlichen Komponenten ist entscheidend, um EMI zu verhindern.
• Biegeradius: Beide Standards schreiben einen minimalen Biegeradius für verschiedene Arten von Drähten und Kabeln vor, um übermäßigen Stress zu vermeiden, der mit der Zeit zu Brüchen oder Isolationsausfällen führen kann.

• Zugentlastung: Techniken zur Zugentlastung, wie die Verwendung von Tüllen und Kabelklemmen, sind notwendig, um Drähte und Steckverbinder vor mechanischen Belastungen zu schützen, insbesondere während des Starts und der Wiedereintritts.

Montageprozess

Der Montageprozess ist ein kritischer Schritt, um die Zuverlässigkeit von Kabelbäumen zu gewährleisten. Sowohl ECSS-Q-ST-70-61C als auch NASA-STD-8739.4A bieten umfassende Richtlinien zu den Montagemethoden, die umfassen:

• Crimpen: Gecrimpte Verbindungen müssen mit qualifizierten Werkzeugen ausgeführt werden und spezifische Zugfestigkeitsanforderungen erfüllen, um zuverlässige elektrische Verbindungen zu gewährleisten. Über-Crimpen oder Unter-Crimpen kann zu schwachen oder offenen Schaltkreisen führen, was in Raumfahrtanwendungen inakzeptabel ist.
• Löten: Für gelötete Verbindungen ist die Verwendung von hochwertigem Lötzinn und Flussmittel erforderlich, um starke, leitfähige und korrosionsbeständige Verbindungen zu gewährleisten. NASA-STD-8739.4A legt insbesondere strenge handwerkliche Standards für das Löten fest, einschließlich Inspektionskriterien für Lötstellen.
• Kabelbaumflechtung: Um Drähte vor mechanischen Schäden zu schützen und die Handhabung zu verbessern, werden Kabelbäume oft geflochten. Dieser Prozess muss durchgeführt werden, um Lücken oder Überlappungen zu vermeiden, die die Integrität des Kabelbaums beeinträchtigen könnten.

Für den Montageprozess können Sie so viele Detaildiagramme vorbereiten, wie der Techniker benötigt.

Kontaminationskontrolle

Kontamination ist ein kritisches Anliegen für Raumfahrtsysteme, da Partikel oder Rückstände auf Kabelbäumen die elektrische Leistung beeinträchtigen oder empfindliche Ausrüstung stören können. Beide Standards betonen strenge Praktiken zur Kontaminationskontrolle:

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• Reinraumumgebung: Die Montage von Kabelbäumen muss in einer Reinraumumgebung erfolgen, um eine Kontamination durch Staub, Öle und andere Fremdmaterialien zu verhindern. ECSS-Q-ST-70-61C legt besonderen Wert darauf und spezifiziert Reinraumklassen sowie Protokolle für das Personal, das diese kontrollierten Bereiche betritt.
• Handhabungspraktiken: Operatoren müssen Handschuhe tragen und geeignete Handhabungswerkzeuge verwenden, um eine Kontamination durch Hautöle und andere Substanzen zu vermeiden. Regelmäßige Reinigung und Inspektionen sind während des gesamten Montageprozesses erforderlich.

Prüfung und Verifizierung

Um sicherzustellen, dass die Kabelbäume die Zuverlässigkeitsanforderungen erfüllen, ist eine umfassende Prüfung in jedem Produktionsstadium erforderlich, von der Materialauswahl bis zur Endmontage. Wichtige Prüfmethoden umfassen:

• Elektrische Prüfung: Kontinuität, Isolationswiderstand und Hochspannungs-Dielektrikumprüfung sind wesentlich, um die elektrische Integrität des Kabelbaums zu verifizieren. Beide Standards spezifizieren die Spannungsniveaus und Akzeptanzkriterien für diese Tests.
• Thermische Zyklen: Um sicherzustellen, dass die Kabelbäume die extremen Temperaturschwankungen im Weltraum aushalten können, werden thermische Zyklustests durchgeführt. Diese Tests beinhalten die Exposition des Kabelbaums gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen, um seine mechanische und elektrische Leistung unter Belastung zu bewerten.
• Vibration- und Schocktests: Um die mechanischen Belastungen von Start und Landung zu simulieren, werden Kabelbäume Vibration- und Schocktests unterzogen. Dies stellt sicher, dass die Baugruppe während ihrer gesamten Betriebsdauer intakt und funktionsfähig bleibt.

Qualitätssicherung und Verarbeitungsqualität

Sowohl ECSS-Q-ST-70-61C als auch NASA-STD-8739.4A betonen die Bedeutung der Qualitätssicherung und der strengen Einhaltung von Verarbeitungsstandards, um die Zuverlässigkeit von Kabelbäumen zu gewährleisten. Jeder Schritt des Design-, Montage- und Testprozesses muss sorgfältig dokumentiert werden, und das Personal muss geschult und zertifiziert sein, um seine Aufgaben auszuführen:

• Inspektion: Visuelle und funktionale Inspektionen werden während des Herstellungsprozesses durchgeführt, um potenzielle Mängel, wie Isolationsschäden, unsachgemäße Verlegung oder schlechte Lötstellen, zu identifizieren. Diese Inspektionen folgen detaillierten Kriterien, die in beiden Standards festgelegt sind.
• Zertifizierung von Bedienern: Techniker, die Kabelbäume montieren, müssen zertifiziert sein, um sicherzustellen, dass sie die Standards verstehen und anwenden können. Sowohl die NASA als auch das ECSS bieten hierfür Zertifizierungsprogramme an.

Schlussfolgerung

Hochzuverlässiges Kabelbaumdesign ist ein Grundpfeiler, um den Erfolg von Missionen in der Raumfahrt sicherzustellen. Indem sie Standards wie ECSS-Q-ST-70-61C und NASA-STD-8739.4A befolgen, können Ingenieure Kabelbäume entwerfen und zusammenbauen, die den extremen Bedingungen des Weltraums standhalten und während des gesamten Missionszyklus eine zuverlässige elektrische Leistung bieten. Diese Standards leiten jeden Aspekt des Kabelbaumdesigns, von der Materialauswahl und Montagetechniken bis hin zu rigorosen Tests und Kontaminationsschutz, um sicherzustellen, dass Raumfahrtsysteme in den anspruchsvollsten Umgebungen funktionsfähig bleiben.

Da Raummissionen immer komplexer und ambitionierter werden, wird die Rolle von gut entworfenen, zuverlässigen Kabelbäumen immer kritischer. Das Verständnis und die Implementierung der in diesen Standards beschriebenen Best Practices sind entscheidende Schritte beim Bau von Raumfahrtsystemen, die über lange Missionsdauern hinweg fehlerfrei funktionieren.