우주를 위한 배선: 우주 등급 하네스 설계 가이드

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.

오른쪽은 그림 2가 보여주는 것처럼 PCB에 직접 납땜될 것입니다:

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.

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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.

• 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:

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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.

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.