Cableado para la Última Frontera: Una Guía para el Diseño de Arnés de Calidad Espacial

Las misiones espaciales exigen los más altos niveles de fiabilidad debido al ambiente hostil del espacio y la imposibilidad de realizar reparaciones una vez que se lanza una nave espacial. Los arneses de cableado son componentes críticos que interconectan varios sistemas, y su diseño y fabricación deben asegurar un rendimiento libre de fallos a lo largo de la vida útil de la misión. Para lograr esto, la Cooperación Europea para la Normalización Espacial (ECSS) y la NASA han establecido estándares estrictos que guían el diseño, ensamblaje y control de calidad de los arneses de cableado. Dos estándares importantes en este dominio son ECSS-Q-ST-70-61C y NASA-STD-8739.4A. Estos estándares proporcionan pautas detalladas para asegurar arneses de alta fiabilidad para aplicaciones espaciales.

Este artículo ofrece una visión general de los principios clave y requisitos descritos en estos estándares, con un enfoque en diseño, selección de materiales y aseguramiento de calidad para arneses utilizados en aplicaciones espaciales. Como ejemplo, se utilizará un diseño básico de arnés utilizando cables coaxiales.

Aspectos Clave del Diseño de Arneses de Alta Fiabilidad

El objetivo principal en este ejemplo es conectar dos señales de dos PCBs diferentes a terminales de tornillo M1.5. Para este propósito, se utilizarán dos cables coaxiales con terminales de soldadura. El blindaje de ambos cables se conecta con un terminal adicional más.

El lado derecho se soldará directamente a los PCBs como muestra la figura 2:

Selección de Materiales

Ambos estándares enfatizan la importancia de utilizar materiales que puedan resistir las duras condiciones del espacio, incluyendo radiación, temperaturas extremas, vacío y estrés mecánico como vibraciones. La selección de conductores, aislantes, materiales de blindaje y conectores debe cumplir criterios estrictos para prevenir la degradación con el tiempo:

• Materiales Conductores: Los materiales más comúnmente utilizados incluyen cobre o latón plateado con plata o níquel, que ofrecen excelente conductividad y resistencia a la corrosión.
• Aislamiento: El aislamiento debe ser elegido basándose en su capacidad para manejar cargas de alto voltaje y resistir la ruptura. Los materiales comunes incluyen poliimida y PTFE (Teflón) debido a su resistencia al calor, fuerza mecánica y mínima liberación de gases en ambientes de vacío. Consulta los pros y contras de diferentes materiales aislantes en https://nepp.nasa.gov/npsl/wire/insulation_guide.htm
• Blindaje: Un blindaje efectivo es crucial para minimizar la interferencia electromagnética (EMI). Esto a menudo implica el uso de blindajes de cobre o aluminio trenzado.

ECSS-Q-ST-70-61C y NASA-STD-8739.4A ambos enfatizan el uso de materiales calificados que han sido sometidos a pruebas específicas para el espacio para asegurar su rendimiento en el entorno operacional.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Con estos requisitos en mente, se utilizará el cable coaxial Habia RG-178BU con aislamiento de PTFE y el cable único AXON ZLA 2419 (para tierra) con material de aislamiento ETFE.

Diseño y Disposición del Arnés

El diseño y la disposición del arnés son críticos para reducir el ruido eléctrico, el estrés mecánico y el potencial de fallo de los cables. Los principios clave incluyen:

• Enrutamiento: Los cables deben ser enrutados para minimizar el movimiento, prevenir la abrasión y evitar el contacto con bordes afilados o fuentes de calor. Es crucial mantener una distancia adecuada entre los cables y los componentes sensibles para prevenir la EMI.
• Radio de Curvatura: Ambos estándares estipulan un radio de curvatura mínimo para diferentes tipos de cables y alambres para prevenir el estrés indebido que puede causar fracturas o la degradación del aislamiento con el tiempo.

• Alivio de Tensión: Las técnicas de alivio de tensión, como el uso de ojales y abrazaderas de cable, son necesarias para proteger los cables y conectores de los esfuerzos mecánicos, particularmente durante el lanzamiento y la reentrada.

Proceso de Ensamblaje

El proceso de ensamblaje es un paso crítico para asegurar la fiabilidad de los arneses. Tanto ECSS-Q-ST-70-61C como NASA-STD-8739.4A proporcionan pautas completas sobre los métodos de ensamblaje, que incluyen:

• Crimpado: Las conexiones prensadas deben realizarse con herramientas calificadas y cumplir con requisitos específicos de resistencia a la tracción para asegurar conexiones eléctricas confiables. El prensado excesivo o insuficiente puede llevar a circuitos débiles o abiertos, lo cual es inaceptable en aplicaciones espaciales.
• Soldadura: Para las uniones soldadas, se requiere el uso de soldadura y flux de alta calidad para asegurar conexiones fuertes, conductoras y resistentes a la corrosión. NASA-STD-8739.4A, en particular, establece estándares de trabajo rigurosos para la soldadura, incluyendo criterios de inspección para las uniones soldadas.
• Trenzado de Arnés: Para proteger los cables de daños mecánicos y mejorar el manejo, los arneses a menudo se trenzan. Este proceso debe realizarse para evitar huecos o solapamientos que podrían comprometer la integridad del arnés.

Para el proceso de ensamblaje, puedes preparar tantos diagramas detallados como el técnico necesite.

Control de Contaminación

La contaminación es una preocupación crítica para los sistemas espaciales, ya que partículas o residuos en los arneses pueden degradar el rendimiento eléctrico o interferir con equipos sensibles. Ambos estándares enfatizan prácticas estrictas de control de contaminación:

Intuitive Multi-Board System Design

The easiest way to create complex designs and error-free system interconnections.

Explore Solutions

• Entorno de Sala Limpia: El ensamblaje de arneses debe ocurrir en un entorno de sala limpia para prevenir la contaminación por polvo, aceites y otros materiales extraños. ECSS-Q-ST-70-61C pone énfasis particular en esto, especificando clases de sala limpia y protocolos para el personal que ingresa a estas áreas controladas.
• Prácticas de Manejo: Los operadores deben usar guantes y utilizar herramientas de manejo adecuadas para evitar la contaminación por aceites de la piel y otras sustancias. Se requieren limpiezas e inspecciones regulares a lo largo del proceso de ensamblaje.

Pruebas y Verificación

Para asegurar que los arneses cumplan con los requisitos de fiabilidad, se requieren pruebas exhaustivas en cada etapa de producción, desde la selección de materiales hasta el ensamblaje final. Las metodologías de prueba clave incluyen:

• Pruebas Eléctricas: Las pruebas de continuidad, resistencia de aislamiento y pruebas dieléctricas de alto voltaje son esenciales para verificar la integridad eléctrica del arnés. Ambos estándares especifican los niveles de voltaje y los criterios de aceptación para estas pruebas.
• Ciclado Térmico: Para asegurar que los arneses puedan resistir las fluctuaciones extremas de temperatura encontradas en el espacio, se realizan pruebas de ciclado térmico. Estas pruebas implican exponer el arnés a temperaturas altas y bajas para evaluar su rendimiento mecánico y eléctrico bajo estrés.
• Pruebas de Vibración y Choque: Para simular las tensiones mecánicas del lanzamiento y aterrizaje, los arneses son sometidos a pruebas de vibración y choque. Esto asegura que el ensamblaje permanezca intacto y funcional a lo largo de su vida operativa.

Aseguramiento de la Calidad y Trabajo

Tanto ECSS-Q-ST-70-61C como NASA-STD-8739.4A enfatizan la importancia del aseguramiento de la calidad y la estricta adherencia a los estándares de trabajo para garantizar la fiabilidad de los arneses. Cada paso del proceso de diseño, ensamblaje y prueba debe ser meticulosamente documentado, y el personal debe ser entrenado y certificado para realizar sus tareas:

• Inspección: Las inspecciones visuales y funcionales se realizan a lo largo del proceso de fabricación para identificar defectos potenciales, como daños en el aislamiento, enrutamiento inadecuado o soldaduras deficientes. Estas inspecciones siguen criterios detallados descritos en ambos estándares.
• Certificación de Operadores: Los técnicos que ensamblan arneses deben estar certificados para asegurar que entienden y pueden aplicar los estándares. Tanto la NASA como la ECSS ofrecen programas de certificación para este propósito.

Conclusión

El diseño de arneses de alta fiabilidad es una piedra angular para asegurar el éxito de las misiones espaciales. Al adherirse a estándares como ECSS-Q-ST-70-61C y NASA-STD-8739.4A, los ingenieros pueden diseñar y ensamblar arneses de cableado que resisten las condiciones extremas del espacio mientras proporcionan un rendimiento eléctrico confiable a lo largo del ciclo de vida de la misión. Estos estándares guían cada aspecto del diseño de arneses, desde la selección de materiales y técnicas de ensamblaje hasta pruebas rigurosas y control de contaminación, asegurando que los sistemas espaciales permanezcan operativos en los entornos más exigentes.

A medida que las misiones espaciales se vuelven más complejas y ambiciosas, el papel de los arneses de cableado bien diseñados y fiables se vuelve aún más crítico. Comprender e implementar las mejores prácticas descritas en estos estándares son pasos vitales en la construcción de sistemas espaciales que funcionen impecablemente en misiones de larga duración.