Lancement de la Capsule SpaceX Dragon vers la station spatiale

Ne vous arrive-t-il jamais de contempler la lune en vous demandant quels mystères se cachent là-haut ? Parfois, lorsque je regarde la lune, une étoile en mouvement attire mon attention. La Station spatiale internationale (ISS) est quelquefois visible depuis la terre et nous rappelle constamment les exploits de l’humanité dans l’espace. SpaceX a récemment ajouté un nouvel exploit à la liste, en ravitaillant l’ISS avec une capsule qui avait déjà été utilisée. Grâce aux progrès de SpaceX en matière de vaisseaux spatiaux réutilisables, l'espace devient un marché plus accessible. Les lancements spatiaux devenant plus fréquents, les concepteurs vont devoir préparer leurs circuits imprimés afin d'affronter les rigueurs de l’espace et du décollage. Les brusques changements de température et l'accélération rapide obligeront les concepteurs à réfléchir davantage aux propriétés mécaniques et matérielles de leurs circuits imprimés.

Amarrage de la capsule Dragon : Épisode 2

Vous vous souvenez peut-être qu'en 2012, SpaceX devint la première société privée à amarrer à l'ISS. Ce premier amarrage fut une réussite pour SpaceX, mais la société ne s'en tint pas là. En juin 2017, SpaceX a ravitaillé la station une nouvelle fois, mais cette fois-ci avec une capsule Dragon qui avait déjà servi. SpaceX était en mission de recyclage et faisait déjà atterrir des fusées recyclées, mais c'était la première fois que la société réutilisait une capsule. La prochaine étape sera de réutiliser à la fois une fusée et une capsule lors d'une mission de ravitaillement.

La raison pour laquelle SpaceX fait tant d'efforts pour créer des engins spatiaux réutilisables est simple : le coût. Son objectif est de rendre les vols spatiaux plus abordables. Reconditionner une fusée ou une capsule coûte bien moins cher que d'en fabriquer une nouvelle. Si leur coût baisse, les lancements devraient se faire plus fréquents. L'objectif à long terme de SpaceX, à savoir atterrir sur Mars, impliquera également la multiplication des missions spatiales. La société prévoit d'envoyer des fusées à usages multiples faire des aller-retour entre la Terre et Mars. Le concepteur de circuits imprimés lambda ne pense généralement pas vraiment à l'espace, mais en ce début de colonisation interplanétaire, il est temps de s'y mettre.

Un cycle thermique rapide peut s'avérer catastrophique pour votre circuit imprimé

Considérations relatives à la température

En principe, quand je pense à la température dans l’espace, je pense au froid. Pourtant, l’espace peut être très étonnamment chaud. L'exposition directe aux rayons solaires peut faire grimper la température en flèche en l'absence d'atmosphère pour absorber leur énergie. Étant donné que les vaisseaux spatiaux sont en orbite autour des planètes ou tournent autour d'elles, ils sont tour à tour dans l'ombre puis exposés au soleil, ce qui représente d'énormes différences de température. Ce cycle thermique peut modifier les caractéristiques électriques d’un circuit imprimé et réduire sa durée de vie.

Lorsque vous concevez une carte haute performance, je sais que vous réfléchissez aux matériaux à utiliser et à leurs constantes diélectriques (Dk). Le problème dans l’espace c'est que les variations de température peuvent modifier les Dk de vos matériaux. Ceci s'explique par le fait que la température réoriente les molécules polarisées qui constituent un milieu diélectrique. La température de vos substrats diélectriques peut monter en flèche ou s'effondrer. Évidemment, cela va perturber votre circuit imprimé. Par conséquent, si vous concevez un circuit imprimé pour une fusée, vous devez vous assurer qu'il pourra maintenir ses constantes diélectriques quelle que soit la température.

La température a également d'autres effets notoires. Lorsque vous concevez vos circuits, vous pensez probablement au coefficient de dilatation thermique de vos matériaux. Étant donné que votre carte va se trouver tantôt exposée directement aux rayons solaires, tantôt dans l'ombre la plus totale, elle subira d'énormes variations de température, entraînant l'expansion puis la contraction des matériaux. Cet effet « accordéon » endommagera votre carte et mènera votre travail à l'échec si vous ne choisissez pas les bons matériaux. L'espace est un environnement hostile, c'est pourquoi vos matériaux doivent être suffisamment flexibles pour résister à n'importe quelle température.

Aussi loin qu'iront vos matériaux, leurs constantes diélectriques et leur coefficient de dilatation thermique vont devenir vos deux principales préoccupations. En ce qui concerne la température, il vous faut des matériaux capables de supporter la chaleur sans se briser.

Les vibrations de lancement sont perturbantes.

Crédit éditorial : Nadezda Murmakova / Shutterstock.com
 

Vibrations

Concernant la flexibilité, vos cartes devront également être mécaniquement flexibles. Le moment le plus dangereux d'une mission spatiale pour un circuit imprimé, c'est le lancement. Au cours du lancement, l'engin spatial subit des forces colossales. L'accélération et les vibrations que cela implique secouent les astronautes, et il en est certainement de même pour vos circuits imprimés.

Au moment de l'explosion, les moteurs principaux produisent des ondes susceptibles d'engendrer des problèmes dans différentes parties de l'appareil. Ces secousses peuvent s'avérer particulièrement destructives pour les circuits imprimés. La flexibilité est une bonne solution pour résister aux vibrations. Les circuits imprimés flex-rigides sont généralement plus légers que les circuits traditionnels, ce qui les rend moins sensibles aux vibrations. Les circuits légers représentent un atout considérable, car ils contribuent à réduire le poids de l'engin spatial. Par nature, les circuits flexibles n'aiment pas les chocs, mais il faut les  concevoir pour des catégories de vibrations spécifiques. S'ils sont bien conçus, les circuits imprimés flexibles et flex-rigides fonctionnent parfaitement. Ce type de cartes est déjà utilisé dans les domaines de l'aérospatial, dans les hélicoptères comme dans les satellites.

La conquête de l'espace n'étant plus un phénomène rare de nos jours, les activités spatiales vont sans aucun doute se multiplier au fil du temps. Certaines entreprises comme SpaceX ont effectué un pas de géant dans l’industrie spatiale commerciale. SpaceX continue de franchir les étapes, et nous allons commencer à concevoir beaucoup plus de circuits imprimés pour l’exploration de l'espace. Deux choses importantes sont à prendre en compte lors de la conception de circuits imprimés destinés à la conquête de l’espace : les cycles thermiques et les vibrations. Les fortes variations de température dans l’espace peuvent entrainer la défaillance de votre circuit imprimé à cause de la dilatation thermique, ou réduire ses fonctionnalités en changeant vos substrats diélectriques. Les vibrations vont tout simplement détruire votre carte. Toutefois, si vous commencez à utiliser des circuits imprimés flex-rigides, vous pouvez atténuer les effets de la vibration et être sûr que votre carte affrontera l'inconnu avec succès.

Les circuits futuristes nécessitent l'utilisation d'un logiciel de conception tout aussi futuriste. Altium Designer est à la pointe de la technologie de la conception de circuits imprimés, et vous permettra de créer des cartes hors du commun. Ce logiciel vous offre toute une gamme de fonctionnalités avec lesquelles vous pourrez créer des circuits prêts à explorer l'espace.

Vous avez des questions sur la conception de circuits imprimés pour l'espace ? Contactez un expert Altium.