最終フロンティアのための配線：宇宙グレードのハーネス設計ガイド

宇宙ミッションでは、宇宙の敵対的な環境と、宇宙船が打ち上げられた後の修理が不可能であるため、最高レベルの信頼性が求められます。配線ハーネスは、さまざまなシステムを相互接続する重要なコンポーネントであり、その設計と製造は、ミッションの寿命全体を通じて無故障の性能を保証する必要があります。これを達成するために、欧州宇宙標準化協力機構（ECSS）とNASAは、配線ハーネスの設計、組み立て、品質管理を指導する厳格な基準を設定しています。この分野で重要な基準の2つは、ECSS-Q-ST-70-61CとNASA-STD-8739.4Aです。これらの基準は、宇宙アプリケーション用の高信頼性ハーネスを確保するための詳細なガイドラインを提供します。

この記事では、これらの基準で概説されている主要な原則と要件の概要を提供し、宇宙アプリケーションで使用されるハーネスの設計、材料選択、品質保証に焦点を当てます。例として、同軸ケーブルを使用した基本的なハーネス設計が使用されます。

高信頼性ハーネス設計の主要な側面

この例での主な目的は、2つの異なるPCBからの2つの信号をM1.5の端子に接続することです。この目的のために、はんだ付け用のラグが付いた2本の同軸ケーブルが使用されます。両方のケーブルのシールドは、もう1つの追加のラグで接続されます。

右側は図2が示すようにPCBに直接はんだ付けされます：

材料選択

両基準とも、放射線、極端な温度、真空、振動などの機械的ストレスなど、宇宙の厳しい条件に耐えることができる材料の使用の重要性を強調しています。導体、絶縁体、遮蔽材、コネクタの選択は、時間の経過による劣化を防ぐために厳格な基準を満たさなければなりません：

• 導体材料： 最も一般的に使用される材料には、優れた導電性と耐食性を提供する銀メッキまたはニッケルメッキの銅や真鍮が含まれます。
• 絶縁： 絶縁は、高電圧負荷を処理し、故障に耐える能力に基づいて選択されなければなりません。一般的な材料には、耐熱性、機械的強度、および真空環境での最小限のガス放出のために、ポリイミドおよびPTFE（テフロン）が含まれます。異なる材料の絶縁の長所と短所については、https://nepp.nasa.gov/npsl/wire/insulation_guide.htm
• で確認してください。遮蔽： 電磁干渉（EMI）を最小限に抑えるためには、効果的な遮蔽が重要です。これには、しばしば編組銅またはアルミニウムシールドの使用が含まれます。

ECSS-Q-ST-70-61CおよびNASA-STD-8739.4Aは、運用環境での性能を保証するために、宇宙特有のテストを受けた資格のある材料の使用を強調しています。

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この要件を念頭に置いて、PTFE絶縁体を備えたHabia RG-178BU同軸ケーブルと、ETFE絶縁材料を備えたAXON ZLA 2419単線（接地）が使用されます。

ハーネス設計とレイアウト

ハーネスの設計とレイアウトは、電気ノイズ、機械的ストレス、およびワイヤー故障の可能性を減らす上で重要です。主な原則には以下が含まれます：

• 配線： ケーブルは、動きを最小限に抑え、摩耗を防ぎ、鋭利なエッジや熱源との接触を避けるように配線する必要があります。ケーブルと敏感なコンポーネントとの適切なクリアランスは、EMIを防ぐために重要です。
• 曲げ半径： 両方の基準は、時間の経過とともに亀裂や絶縁体の破損を引き起こす可能性のある過度のストレスを防ぐために、異なるタイプのワイヤーとケーブルに対する最小曲げ半径を規定しています。

• ストレインリリーフ： グロメットやケーブルクランプの使用などのストレインリリーフ技術は、特に打ち上げや再突入時に、機械的ストレスからワイヤーとコネクタを保護するために必要です。

組み立てプロセス

組み立てプロセスは、ハーネスの信頼性を確保する上で重要なステップです。ECSS-Q-ST-70-61CおよびNASA-STD-8739.4Aの両方が、組み立て方法に関する包括的なガイドラインを提供しており、これには以下が含まれます：

• クリンピング：クリンピング接続は、資格を持った工具を使用して行われ、信頼性の高い電気接続を保証するために特定の引張強度要件を満たさなければなりません。過度のクリンピングや不十分なクリンピングは、宇宙アプリケーションでは許容できない弱い回路や開いた回路につながる可能性があります。
• はんだ付け：はんだ付けされた接合部には、強力で導電性が高く、耐食性のある接続を保証するために、高品質のはんだとフラックスの使用が必要です。特にNASA-STD-8739.4Aは、はんだ接合部の検査基準を含む、はんだ付けに関する厳格な作業基準を概説しています。
• ハーネスの編み込み：ワイヤーを機械的損傷から保護し、取り扱いを改善するために、ハーネスはしばしば編み込まれます。このプロセスは、ハーネスの完全性を損なう可能性のある隙間や重なりを避けるように行わなければなりません。

組み立てプロセスでは、技術者が必要とする詳細な図面をできるだけ多く準備できます。

汚染制御

汚染は、ハーネス上の粒子や残留物が電気性能を低下させたり、敏感な機器に干渉したりする可能性があるため、宇宙システムにとって重大な懸念事項です。両方の基準は、厳格な汚染制御実践を強調しています：

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• クリーンルーム環境：ハーネスの組み立ては、ほこり、油、その他の異物からの汚染を防ぐためにクリーンルーム環境で行わなければなりません。ECSS-Q-ST-70-61Cは、この点に特に重点を置いており、クリーンルームのクラスと、これらの管理されたエリアに入る人員のプロトコルを指定しています。
• 取り扱い実践：オペレーターは手袋を着用し、皮膚の油やその他の物質からの汚染を避けるために適切な取り扱いツールを使用しなければなりません。組み立てプロセス全体を通じて、定期的な清掃と検査が必要です。

テストと検証

ハーネスが信頼性要件を満たしていることを確認するためには、材料選定から最終組み立てに至るまでの生産の各段階で包括的なテストが必要です。主要なテスト方法論には以下が含まれます：

• 電気テスト：連続性、絶縁抵抗、および高電圧絶縁テストは、ハーネスの電気的完全性を検証するために不可欠です。両方の基準は、これらのテストの電圧レベルと受け入れ基準を指定しています。
• 熱サイクル：ハーネスが宇宙で遭遇する極端な温度変動に耐えられるようにするため、熱サイクルテストが実施されます。これらのテストでは、ハーネスを高温および低温にさらして、ストレス下での機械的および電気的性能を評価します。
• 振動および衝撃試験：打ち上げと着陸の機械的ストレスをシミュレートするために、ハーネスは振動および衝撃試験を受けます。これにより、組み立てがその運用寿命を通じて完全かつ機能的に保たれることを保証します。

品質保証および作業品質

ECSS-Q-ST-70-61CおよびNASA-STD-8739.4Aは、ハーネスの信頼性を保証するために品質保証と作業基準への厳格な遵守の重要性を強調しています。設計、組み立て、およびテストプロセスの各ステップは、入念に文書化され、作業を行うために訓練され、認定された人員でなければなりません：

• 検査：製造プロセス全体を通じて、絶縁損傷、不適切なルーティング、または不良なはんだ接合など、潜在的な欠陥を特定するために視覚および機能検査が行われます。これらの検査は、両方の基準で概説された詳細な基準に従います。
• オペレーターの認証：ハーネスを組み立てる技術者は、基準を理解し適用できることを保証するために認証されなければなりません。NASAとECSSは、この目的のための認証プログラムを提供しています。

結論

高信頼性ハーネス設計は、宇宙探査のミッション成功を保証するための基石です。ECSS-Q-ST-70-61CやNASA-STD-8739.4Aのような基準に従うことで、エンジニアは宇宙の極限条件に耐え、ミッションのライフサイクル全体を通じて信頼性の高い電気性能を提供する配線ハーネスを設計し、組み立てることができます。これらの基準は、材料選択や組み立て技術から厳格なテストや汚染制御に至るまで、ハーネス設計のあらゆる側面を指導し、宇宙システムが最も要求の厳しい環境で稼働し続けることを保証します。

宇宙ミッションがより複雑で野心的になるにつれて、よく設計された信頼性の高い配線ハーネスの役割はますます重要になります。これらの基準で概説されているベストプラクティスを理解し、実装することは、長期間のミッションで完璧に機能する宇宙システムを構築するための重要なステップです。