Câblage pour la dernière frontière : Un guide de conception de harnais de qualité spatiale

Les missions spatiales exigent les plus hauts niveaux de fiabilité en raison de l'environnement hostile de l'espace et de l'impossibilité d'effectuer des réparations une fois qu'un engin spatial est lancé. Les faisceaux de câblage sont des composants critiques qui interconnectent divers systèmes, et leur conception et fabrication doivent garantir une performance sans défaut tout au long de la durée de vie de la mission. Pour atteindre cet objectif, la Coopération Européenne pour la Normalisation Spatiale (ECSS) et la NASA ont établi des normes strictes qui guident la conception, l'assemblage et le contrôle de qualité des faisceaux de câblage. Deux normes importantes dans ce domaine sont ECSS-Q-ST-70-61C et NASA-STD-8739.4A. Ces normes fournissent des directives détaillées pour assurer des faisceaux de haute fiabilité pour les applications spatiales.

Cet article fournit un aperçu des principes clés et des exigences décrits dans ces normes, en mettant l'accent sur la conception, la sélection des matériaux et l'assurance qualité pour les faisceaux utilisés dans les applications spatiales. À titre d'exemple, une conception de base de faisceau utilisant des câbles coaxiaux sera utilisée.

Aspects clés de la conception de faisceaux de haute fiabilité

L'objectif principal dans cet exemple est de connecter deux signaux provenant de deux PCB différents aux bornes à vis M1.5. À cette fin, deux câbles coaxiaux seront utilisés avec des cosses à souder. Le blindage des deux câbles se connecte avec une cosse supplémentaire.

Le côté droit sera soudé directement aux PCB comme le montre la figure 2 :

Sélection des matériaux

Les deux normes soulignent l'importance d'utiliser des matériaux capables de résister aux conditions difficiles de l'espace, y compris les radiations, les températures extrêmes, le vide et les contraintes mécaniques telles que les vibrations. La sélection des conducteurs, isolants, matériaux de blindage et connecteurs doit répondre à des critères stricts pour prévenir la dégradation dans le temps :

• Matériaux conducteurs : Les matériaux les plus couramment utilisés incluent le cuivre ou le laiton plaqué argent ou nickel, qui offrent une excellente conductivité et résistance à la corrosion.
• Isolation : L'isolation doit être choisie en fonction de sa capacité à gérer des charges à haute tension et à résister à la dégradation. Les matériaux courants incluent le polyimide et le PTFE (Teflon) en raison de leur résistance à la chaleur, leur force mécanique et leur faible dégazage dans les environnements sous vide. Consultez les avantages et inconvénients des différents matériaux d'isolation sur https://nepp.nasa.gov/npsl/wire/insulation_guide.htm
• Blindage : Un blindage efficace est crucial pour minimiser les interférences électromagnétiques (EMI). Cela implique souvent l'utilisation de blindages en cuivre ou en aluminium tressés.

ECSS-Q-ST-70-61C et NASA-STD-8739.4A insistent tous deux sur l'utilisation de matériaux qualifiés qui ont subi des tests spécifiques à l'espace pour garantir leur performance dans l'environnement opérationnel.

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Avec ces exigences en tête, il sera utilisé un câble coaxial Habia RG-178BU avec isolation en PTFE et un fil unique AXON ZLA 2419 (mise à la terre) avec un matériau d'isolation ETFE.

Conception et agencement du faisceau

La conception et l'agencement du faisceau sont cruciaux pour réduire le bruit électrique, le stress mécanique et le potentiel de défaillance des fils. Les principes clés incluent :

• Cheminement : Les câbles doivent être acheminés pour minimiser les mouvements, prévenir l'abrasion et éviter le contact avec des arêtes vives ou des sources de chaleur. Un dégagement adéquat entre les câbles et les composants sensibles est crucial pour prévenir les interférences électromagnétiques (EMI).
• Rayon de courbure : Les normes stipulent un rayon de courbure minimal pour différents types de fils et de câbles afin de prévenir le stress excessif pouvant causer des fractures ou une dégradation de l'isolation avec le temps.

• Soulagement de tension : Les techniques de soulagement de tension, telles que l'utilisation de passe-fils et de serre-câbles, sont nécessaires pour protéger les fils et les connecteurs des contraintes mécaniques, particulièrement lors du lancement et de la rentrée.

Processus d'assemblage

Le processus d'assemblage est une étape critique pour assurer la fiabilité des faisceaux. Les directives ECSS-Q-ST-70-61C et NASA-STD-8739.4A fournissent des lignes directrices complètes sur les méthodes d'assemblage, qui incluent :

• Sertissage : Les connexions serties doivent être réalisées avec des outils qualifiés et répondre à des exigences spécifiques de résistance à la traction pour garantir des connexions électriques fiables. Le sertissage excessif ou insuffisant peut conduire à des circuits faibles ou ouverts, ce qui est inacceptable dans les applications spatiales.
• Soudage : Pour les joints soudés, l'utilisation de soudure et de flux de haute qualité est requise pour assurer des connexions solides, conductrices et résistantes à la corrosion. La norme NASA-STD-8739.4A, en particulier, définit des normes de travail rigoureuses pour le soudage, y compris des critères d'inspection pour les joints de soudure.
• Tressage de harnais : Pour protéger les fils contre les dommages mécaniques et améliorer la manipulation, les harnais sont souvent tressés. Ce processus doit être effectué pour éviter les écarts ou les chevauchements qui pourraient compromettre l'intégrité du harnais.

Pour le processus d'assemblage, vous pouvez préparer autant de schémas détaillés que nécessaire pour le technicien.

Contrôle de la contamination

La contamination est une préoccupation critique pour les systèmes spatiaux, car les particules ou résidus sur les harnais peuvent dégrader la performance électrique ou interférer avec l'équipement sensible. Les deux normes mettent l'accent sur des pratiques strictes de contrôle de la contamination :

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• Environnement en salle blanche : L'assemblage des harnais doit se dérouler dans un environnement de salle blanche pour éviter la contamination par la poussière, les huiles et autres matériaux étrangers. L'ECSS-Q-ST-70-61C met un accent particulier sur ce point, en spécifiant les classes de salles blanches et les protocoles pour le personnel entrant dans ces zones contrôlées.
• Pratiques de manipulation : Les opérateurs doivent porter des gants et utiliser des outils de manipulation appropriés pour éviter la contamination par les huiles de la peau et autres substances. Un nettoyage et des inspections réguliers sont requis tout au long du processus d'assemblage.

Tests et vérification

Pour garantir que les harnais répondent aux exigences de fiabilité, des tests complets sont nécessaires à chaque étape de la production, de la sélection des matériaux à l'assemblage final. Les méthodologies de test clés incluent :

• Tests électriques : Les tests de continuité, de résistance d'isolation et de diélectrique haute tension sont essentiels pour vérifier l'intégrité électrique du harnais. Les deux normes spécifient les niveaux de tension et les critères d'acceptation pour ces tests.
• Cyclage thermique : Pour garantir que les harnais peuvent résister aux fluctuations de température extrêmes rencontrées dans l'espace, des tests de cyclage thermique sont effectués. Ces tests impliquent d'exposer le harnais à des températures élevées et basses pour évaluer sa performance mécanique et électrique sous contrainte.
• Tests de vibration et de choc : Pour simuler les contraintes mécaniques du lancement et de l'atterrissage, les harnais sont soumis à des tests de vibration et de choc. Cela garantit que l'assemblage reste intact et fonctionnel tout au long de sa durée de vie opérationnelle.

Assurance qualité et travail soigné

Les normes ECSS-Q-ST-70-61C et NASA-STD-8739.4A soulignent l'importance de l'assurance qualité et du strict respect des normes de travail soigné pour garantir la fiabilité des harnais. Chaque étape du processus de conception, d'assemblage et de test doit être minutieusement documentée, et le personnel doit être formé et certifié pour effectuer ses tâches :

• Inspection : Des inspections visuelles et fonctionnelles sont effectuées tout au long du processus de fabrication pour identifier les défauts potentiels, tels que des dommages à l'isolation, un cheminement inapproprié ou de mauvaises soudures. Ces inspections suivent des critères détaillés décrits dans les deux normes.
• Certification des opérateurs : Les techniciens assemblant les harnais doivent être certifiés pour garantir qu'ils comprennent et peuvent appliquer les normes. La NASA et l'ECSS proposent tous deux des programmes de certification à cet effet.

Conclusion

La conception de harnais de haute fiabilité est une pierre angulaire pour assurer le succès des missions spatiales. En adhérant à des normes telles que ECSS-Q-ST-70-61C et NASA-STD-8739.4A, les ingénieurs peuvent concevoir et assembler des harnais de câblage qui résistent aux conditions extrêmes de l'espace tout en fournissant une performance électrique fiable tout au long du cycle de vie de la mission. Ces normes guident chaque aspect de la conception des harnais, de la sélection des matériaux et des techniques d'assemblage aux tests rigoureux et au contrôle de la contamination, assurant que les systèmes spatiaux restent opérationnels dans les environnements les plus exigeants.

À mesure que les missions spatiales deviennent plus complexes et ambitieuses, le rôle des harnais de câblage bien conçus et fiables devient de plus en plus critique. Comprendre et mettre en œuvre les meilleures pratiques décrites dans ces normes sont des étapes vitales dans la construction de systèmes spatiaux qui fonctionnent sans faille sur des missions de longue durée.