우주를 위한 배선: 우주 등급 하네스 설계 가이드

Kamil Jasiński
|  작성 날짜: 2025/01/30 목요일  |  업데이트 날짜: 2025/01/31 금요일

우주 임무는 우주의 적대적 환경과 우주선이 발사된 후 수리를 수행할 수 없다는 점 때문에 최고 수준의 신뢰성을 요구합니다. 배선 하네스는 다양한 시스템을 상호 연결하는 중요한 구성 요소이며, 설계 및 제조는 임무 수명 동안 무결점 성능을 보장해야 합니다. 이를 달성하기 위해 유럽 우주 표준화 협력(ECSS)과 NASA는 배선 하네스의 설계, 조립 및 품질 관리를 안내하는 엄격한 표준을 설정했습니다. 이 분야에서 중요한 두 가지 표준은 ECSS-Q-ST-70-61C와 NASA-STD-8739.4A입니다. 이 표준들은 우주 응용 분야에서 고신뢰성 하네스를 보장하기 위한 자세한 지침을 제공합니다.

이 기사는 이러한 표준에서 개요된 주요 원칙과 요구 사항에 대한 개요를 제공하며, 우주 응용 분야에서 사용되는 하네스의 설계, 재료 선택 및 품질 보증에 중점을 둡니다. 예로, 동축 케이블을 사용한 기본 하네스 설계가 사용될 것입니다.

고신뢰성 하네스 설계의 주요 측면

이 예제에서의 주요 목표는 두 개의 다른 PCB에서 M1.5 나사 단자로 두 신호를 연결하는 것입니다. 이 목적을 위해 두 개의 동축 케이블이 납땜 러그와 함께 사용될 것입니다. 두 케이블의 실드는 하나의 추가적인 러그와 연결됩니다.

Basic harness design

오른쪽은 그림 2가 보여주는 것처럼 PCB에 직접 납땜될 것입니다:

Connection of coaxial cables to PCBs

재료 선택

두 기준 모두 방사선, 극한 온도, 진공, 진동과 같은 기계적 스트레스 등 우주의 가혹한 조건을 견딜 수 있는 재료 사용의 중요성을 강조합니다. 도체, 절연체, 차폐 재료 및 커넥터의 선택은 시간이 지나도 성능 저하를 방지하기 위해 엄격한 기준을 충족해야 합니다:

  • 도체 재료: 가장 일반적으로 사용되는 재료는 우수한 전도성과 내식성을 제공하는 은도금 또는 니켈도금 구리 또는 황동입니다.
  • 절연: 절연은 고전압 부하를 처리할 수 있는 능력과 분해 저항성을 기반으로 선택해야 합니다. 열 저항, 기계적 강도 및 진공 환경에서의 최소 가스 방출로 인해 폴리이미드와 PTFE(테플론)가 일반적인 재료입니다. 다양한 재료 절연의 장단점을 확인하려면 https://nepp.nasa.gov/npsl/wire/insulation_guide.htm
  • 에서 확인하세요.
  • 차폐: 전자기 간섭(EMI)을 최소화하기 위해 효과적인 차폐가 필수적입니다. 이는 종종 구리 또는 알루미늄의 땋은 차폐를 사용하는 것을 포함합니다.
Example of individual shield termination

 

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ECSS-Q-ST-70-61C 및 NASA-STD-8739.4A는 운영 환경에서의 성능을 보장하기 위해 우주 특정 테스트를 거친 자격을 갖춘 재료 사용을 강조합니다.

이 요구 사항을 염두에 두고 PTFE 절연체가 있는 Habia RG-178BU 동축 케이블과 ETFE 절연 재료가 있는 AXON ZLA 2419 단일 와이어(접지)를 사용할 것입니다.

하네스 디자인 및 레이아웃

하네스의 디자인과 레이아웃은 전기적 잡음, 기계적 스트레스 및 와이어 실패 가능성을 줄이는 데 중요합니다. 주요 원칙은 다음과 같습니다:

  • 배선: 케이블은 움직임을 최소화하고 마모를 방지하며 날카로운 가장자리나 열원과의 접촉을 피하기 위해 배선해야 합니다. 케이블과 민감한 구성 요소 사이에 적절한 여유 공간이 있어야 EMI를 방지할 수 있습니다.
  • 굽힘 반경: 모든 표준은 시간이 지남에 따라 골절이나 절연 파괴를 일으킬 수 있는 과도한 스트레스를 방지하기 위해 다양한 유형의 와이어와 케이블에 대한 최소 굽힘 반경을 규정합니다.
Bend Radius for completed Interconnecting Cable or Harness

 

  • 스트레인 릴리프: 스트레인 릴리프 기술, 예를 들어 그로멧과 케이블 클램프의 사용은 특히 발사와 재진입 중에 기계적 스트레스로부터 와이어와 커넥터를 보호하는 데 필요합니다.

조립 과정

조립 과정은 하네스의 신뢰성을 보장하는 데 중요한 단계입니다. ECSS-Q-ST-70-61C와 NASA-STD-8739.4A 모두 조립 방법에 대한 포괄적인 지침을 제공하며, 이는 다음을 포함합니다:

Intuitive Multi-Board System Design

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  • 크림핑: 크림프 연결은 자격을 갖춘 도구를 사용하여 수행되어야 하며, 신뢰할 수 있는 전기 연결을 보장하기 위해 특정 인장 강도 요구 사항을 충족해야 합니다. 과도한 크림핑이나 부족한 크림핑은 약한 회로나 개방 회로로 이어질 수 있으며, 이는 우주 응용 분야에서는 받아들일 수 없습니다.
  • 솔더링: 솔더링된 조인트의 경우, 강력하고 전도성이 좋으며 부식에 강한 연결을 보장하기 위해 고품질의 솔더와 플럭스 사용이 필요합니다. 특히 NASA-STD-8739.4A는 솔더링에 대한 엄격한 작업 기준을 개요하며, 솔더 조인트에 대한 검사 기준을 포함합니다.
  • 하네스 브레이딩: 기계적 손상으로부터 전선을 보호하고 취급을 개선하기 위해 하네스는 종종 브레이딩됩니다. 이 과정은 하네스의 무결성을 손상시킬 수 있는 간격이나 중복을 피하면서 수행되어야 합니다.

조립 과정에서는 기술자가 필요로 하는 만큼의 상세한 다이어그램을 준비할 수 있습니다.

Assembly drawing

 

오염 제어

오염은 우주 시스템에 대한 중대한 우려 사항으로, 하네스에 있는 입자나 잔류물이 전기 성능을 저하시키거나 민감한 장비에 방해가 될 수 있습니다. 두 기준 모두 엄격한 오염 제어 관행을 강조합니다:

  • 청정실 환경: 하네스 조립은 먼지, 기름, 그리고 기타 이물질로부터 오염을 방지하기 위해 청정실 환경에서 이루어져야 합니다. ECSS-Q-ST-70-61C는 이에 특별히 강조하며, 청정실 등급과 이러한 통제된 영역에 들어가는 인원에 대한 프로토콜을 명시합니다.
  • 취급 관행: 조작자는 피부 기름과 기타 물질로부터 오염을 피하기 위해 장갑을 착용하고 적절한 취급 도구를 사용해야 합니다. 조립 과정 전반에 걸쳐 정기적인 청소와 검사가 필요합니다.

시험 및 검증

하네스가 신뢰성 요구 사항을 충족하는지 확인하기 위해, 재료 선택부터 최종 조립까지 생산의 모든 단계에서 종합적인 시험을 요구합니다. 주요 시험 방법론에는 다음이 포함됩니다:

  • 전기 시험: 연속성, 절연 저항, 고전압 유전 시험은 하네스의 전기적 무결성을 검증하기 위해 필수적입니다. 두 기준 모두 이러한 시험들에 대한 전압 수준과 수용 기준을 명시합니다.
  • 열 순환: 하네스가 우주에서 겪는 극단적인 온도 변화를 견딜 수 있도록 보장하기 위해, 열 순환 시험을 실시합니다. 이 시험은 하네스를 고온과 저온에 노출시켜 스트레스 하에서의 기계적 및 전기적 성능을 평가합니다.
  • 진동 및 충격 시험: 발사 및 착륙의 기계적 스트레스를 모방하기 위해, 하네스는 진동 및 충격 시험을 받습니다. 이는 조립체가 운영 수명 동안 완전하고 기능적으로 유지되도록 보장합니다.

품질 보증 및 작업 품질

ECSS-Q-ST-70-61C 및 NASA-STD-8739.4A는 품질 보증과 작업 표준에 대한 엄격한 준수의 중요성을 강조하여 하네스의 신뢰성을 보장합니다. 설계, 조립, 및 시험 과정의 모든 단계는 면밀히 문서화되어야 하며, 직원은 그들의 작업을 수행하기 위해 훈련되고 인증 받아야 합니다:

  • 검사: 제조 과정 전반에 걸쳐 시각적 및 기능적 검사가 수행되어 절연 손상, 부적절한 배선, 또는 불량한 솔더 조인트와 같은 잠재적 결함을 식별합니다. 이러한 검사는 두 기준에 명시된 상세한 기준을 따릅니다.
  • 운영자 인증: 하네스를 조립하는 기술자는 기준을 이해하고 적용할 수 있음을 보장하기 위해 인증 받아야 합니다. NASA와 ECSS는 이 목적을 위한 인증 프로그램을 제공합니다.

결론

고신뢰성 하네스 설계는 우주 탐사 임무 성공을 보장하는 핵심 요소입니다. ECSS-Q-ST-70-61C 및 NASA-STD-8739.4A와 같은 표준을 준수함으로써, 엔지니어들은 우주의 극한 조건을 견디면서 임무 생애주기 내내 신뢰할 수 있는 전기 성능을 제공하는 배선 하네스를 설계하고 조립할 수 있습니다. 이러한 표준은 재료 선택, 조립 기술, 엄격한 테스트 및 오염 제어에 이르기까지 하네스 설계의 모든 측면을 안내하여, 가장 요구가 많은 환경에서도 우주 시스템이 작동하도록 보장합니다.

우주 임무가 더 복잡하고 야심찬 방향으로 발전함에 따라, 잘 설계된 신뢰할 수 있는 배선 하네스의 역할은 점점 더 중요해집니다. 이러한 표준에서 개요한 최선의 관행을 이해하고 구현하는 것은 장기간 임무에서 흠잡을 데 없이 작동하는 우주 시스템을 구축하는 중요한 단계입니다.

작성자 정보

작성자 정보

카밀은 취미로 시작된 분야에 대한 열정을 가진 전자공학자입니다. 그는 처음에 자동화 및 로봇공학을 공부하면서 전자 애호가로서 과학 클럽에 적극적으로 참여했습니다. 이러한 참여가 그를 유럽 우주국이 주최한 프로그램을 위해 개발된 첫 우주 프로젝트에 기여하게 만들었습니다.

초기 학업을 마친 후, 카밀은 의료 산업과 기술 영업 분야로 진출하여 귀중한 경험을 쌓았습니다. 하지만, 그의 우주에 대한 열정이 그를 다시 기초로 돌아가게 했습니다. 이제 전자공학 석사 학위를 가진 카밀은 우주 산업에 전문적으로 관여하고 있습니다. 그는 로봇 솔루션 프로젝트와 과학 기기에 참여했습니다.

하드웨어 전문 지식뿐만 아니라, 카밀은 소프트웨어 개발 분야에서도 기술을 키워왔습니다. 그는 임베디드 시스템과 파이썬과 같은 고급 스크립팅 언어에 대한 지식을 습득했습니다. 카밀은 모든 워크플로우를 개선할 수 있다고 굳게 믿으며, 전자 시스템의 설계와 테스팅을 자동화하기 위한 혁신적인 솔루션을 지속적으로 모색하고 있습니다

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