Okablowanie dla Ostatecznej Granicy: Przewodnik po Projektowaniu Wiązek Kablowych Klasy Kosmicznej

Misje kosmiczne wymagają najwyższych poziomów niezawodności ze względu na wrogie środowisko kosmiczne i niemożność przeprowadzenia napraw po wystrzeleniu statku kosmicznego. Wiązki przewodów są kluczowymi komponentami, które łączą różne systemy, a ich projektowanie i produkcja muszą zapewniać bezawaryjne działanie przez cały okres trwania misji. Aby to osiągnąć, Europejska Współpraca na rzecz Standaryzacji w Przestrzeni Kosmicznej (ECSS) oraz NASA ustaliły rygorystyczne standardy, które kierują projektowaniem, montażem i kontrolą jakości wiązek przewodów. Dwa ważne standardy w tej dziedzinie to ECSS-Q-ST-70-61C i NASA-STD-8739.4A. Te standardy dostarczają szczegółowych wytycznych, aby zapewnić wysoką niezawodność wiązek dla zastosowań kosmicznych.

Ten artykuł dostarcza przeglądu kluczowych zasad i wymagań określonych w tych standardach, ze szczególnym uwzględnieniem projektowania, doboru materiałów i zapewnienia jakości dla wiązek używanych w aplikacjach kosmicznych. Jako przykład zostanie użyte podstawowe projektowanie wiązki z użyciem kabli koncentrycznych.

Kluczowe aspekty projektowania wiązek o wysokiej niezawodności

Głównym celem w tym przykładzie jest połączenie dwóch sygnałów z dwóch różnych PCB do zacisków śrubowych M1.5. W tym celu zostaną użyte dwa kable koncentryczne z końcówkami lutowniczymi. Ekran obu kabli łączy się z jedną dodatkową końcówką.

Prawa strona zostanie przylutowana bezpośrednio do PCB, jak pokazuje rysunek 2:

Dobór Materiałów

Obie normy podkreślają znaczenie stosowania materiałów, które mogą wytrzymać surowe warunki panujące w przestrzeni kosmicznej, w tym promieniowanie, ekstremalne temperatury, próżnię oraz mechaniczne obciążenia takie jak wibracje. Wybór przewodników, izolatorów, materiałów ekranujących i złączy musi spełniać rygorystyczne kryteria, aby zapobiec degradacji w czasie:

• Materiały Przewodzące: Najczęściej używane materiały to miedź lub mosiądz pokryte srebrem lub niklem, które oferują doskonałą przewodność i odporność na korozję.
• Izolacja: Izolacja musi być wybrana na podstawie jej zdolności do radzenia sobie z wysokimi obciążeniami napięciowymi i oporności na przebicie. Powszechnie stosowane materiały to poliimid i PTFE (Teflon) ze względu na ich odporność na ciepło, wytrzymałość mechaniczną i minimalne wygazowanie w środowiskach próżniowych. Sprawdź zalety i wady różnych materiałów izolacyjnych na https://nepp.nasa.gov/npsl/wire/insulation_guide.htm
• Ekranowanie: Skuteczne ekranowanie jest kluczowe, aby zminimalizować zakłócenia elektromagnetyczne (EMI). Często wiąże się to z użyciem plecionych ekranów z miedzi lub aluminium.

ECSS-Q-ST-70-61C i NASA-STD-8739.4A obie podkreślają konieczność stosowania materiałów kwalifikowanych, które przeszły testy specyficzne dla przestrzeni kosmicznej, aby zapewnić ich wydajność w środowisku operacyjnym.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Mając na uwadze te wymagania, zostanie użyty koaksjalny kabel Habia RG-178BU z izolacją PTFE oraz pojedynczy przewód AXON ZLA 2419 (uziemienie) z materiałem izolacyjnym ETFE.

Projektowanie i układ wiązki

Projekt i układ wiązki są kluczowe dla zmniejszenia zakłóceń elektrycznych, naprężeń mechanicznych oraz potencjalnego ryzyka uszkodzenia przewodów. Do zasadniczych zasad należą:

• Trasowanie: Przewody powinny być układane tak, aby zminimalizować ruch, zapobiec ścieraniu i unikać kontaktu z ostrymi krawędziami lub źródłami ciepła. Odpowiednia odległość między kablami a wrażliwymi komponentami jest kluczowa, aby zapobiec EMI.
• Promień Zgięcia: Obie normy określają minimalny promień zgięcia dla różnych typów przewodów i kabli, aby zapobiec nadmiernemu stresowi, który może powodować pęknięcia lub uszkodzenia izolacji z czasem.

• Odciążenie Naprężeń: Techniki odciążenia naprężeń, takie jak użycie uszczelek i zacisków kablowych, są niezbędne do ochrony przewodów i złącz przed naprężeniami mechanicznymi, szczególnie podczas startu i ponownego wejścia.

Proces Montażu

Proces montażu jest kluczowym krokiem w zapewnieniu niezawodności wiązek. Zarówno ECSS-Q-ST-70-61C, jak i NASA-STD-8739.4A dostarczają kompleksowych wytycznych dotyczących metod montażu, które obejmują:

• Crimpowanie: Połączenia zaciskane muszą być wykonywane przy użyciu kwalifikowanych narzędzi i spełniać określone wymagania wytrzymałości na rozciąganie, aby zapewnić niezawodne połączenia elektryczne. Nadmierne lub niewystarczające zaciskanie może prowadzić do słabych lub przerwanych obwodów, co jest niedopuszczalne w aplikacjach kosmicznych.
• Lutowanie: W przypadku połączeń lutowanych wymagane jest użycie wysokiej jakości cyny i topnika, aby zapewnić mocne, przewodzące i odporne na korozję połączenia. NASA-STD-8739.4A w szczególności określa rygorystyczne standardy wykonania dla lutowania, w tym kryteria inspekcji dla połączeń lutowanych.
• Opasanie wiązek: Aby chronić przewody przed uszkodzeniami mechanicznymi i poprawić ich obsługę, wiązki często są opasywane. Proces ten musi być wykonywany w taki sposób, aby unikać luk lub nakładania się, które mogłyby naruszyć integralność wiązki.

W procesie montażu możesz przygotować tak szczegółowe schematy, jakich potrzebuje technik.

Kontrola zanieczyszczeń

Zanieczyszczenie jest krytycznym zagadnieniem dla systemów kosmicznych, ponieważ cząstki lub pozostałości na wiązkach mogą pogarszać wydajność elektryczną lub zakłócać działanie wrażliwego sprzętu. Oba standardy podkreślają rygorystyczne praktyki kontroli zanieczyszczeń:

Intuitive Multi-Board System Design

The easiest way to create complex designs and error-free system interconnections.

Explore Solutions

• Środowisko czystej sali: Montaż wiązek musi odbywać się w środowisku czystej sali, aby zapobiec zanieczyszczeniu przez kurz, oleje i inne obce materiały. ECSS-Q-ST-70-61C kładzie szczególny nacisk na to, określając klasy czystości i protokoły dla personelu wchodzącego do tych kontrolowanych obszarów.
• Praktyki obsługi: Operatorzy muszą nosić rękawice i używać odpowiednich narzędzi do obsługi, aby uniknąć zanieczyszczenia przez oleje skórne i inne substancje. Regularne czyszczenie i inspekcje są wymagane na każdym etapie montażu.

Testowanie i weryfikacja

Aby zapewnić, że wiązki spełniają wymagania niezawodności, wymagane jest kompleksowe testowanie na każdym etapie produkcji, od wyboru materiałów po montaż końcowy. Kluczowe metody testowania obejmują:

• Testowanie elektryczne: Ciągłość, opór izolacji i wysokonapięciowe testowanie dielektryczne są niezbędne do weryfikacji elektrycznej integralności wiązki. Oba standardy określają poziomy napięć i kryteria akceptacji dla tych testów.
• Termiczne cykle: Aby zapewnić, że wiązki mogą wytrzymać ekstremalne wahania temperatury napotykane w przestrzeni, przeprowadzane są testy cykli termicznych. Testy te polegają na ekspozycji wiązki na wysokie i niskie temperatury, aby ocenić jej wydajność mechaniczną i elektryczną pod wpływem stresu.
• Badania wibracji i wstrząsów: Aby symulować mechaniczne obciążenia podczas startu i lądowania, wiązki kablowe są poddawane badaniom wibracji i wstrząsów. Zapewnia to, że zespół pozostaje nienaruszony i funkcjonalny przez cały okres eksploatacji.

Zapewnienie jakości i wykonanie

Zarówno ECSS-Q-ST-70-61C, jak i NASA-STD-8739.4A podkreślają znaczenie zapewnienia jakości i ścisłego przestrzegania standardów wykonania, aby zapewnić niezawodność wiązek. Każdy etap procesu projektowania, montażu i testowania musi być dokładnie udokumentowany, a personel musi być przeszkolony i certyfikowany do wykonywania swoich zadań:

• Inspekcja: Wizualne i funkcjonalne inspekcje są przeprowadzane na każdym etapie procesu produkcyjnego w celu identyfikacji potencjalnych wad, takich jak uszkodzenia izolacji, nieprawidłowe prowadzenie lub słabe połączenia lutownicze. Inspekcje te są przeprowadzane zgodnie ze szczegółowymi kryteriami określonymi w obu standardach.
• Certyfikacja operatorów: Technicy montujący wiązki muszą być certyfikowani, aby zapewnić, że rozumieją i mogą stosować standardy. Zarówno NASA, jak i ECSS oferują programy certyfikacji w tym celu.

Podsumowanie

Projektowanie wiązek przewodów o wysokiej niezawodności jest kamieniem węgielnym zapewnienia sukcesu misji w eksploracji kosmosu. Przestrzegając standardów takich jak ECSS-Q-ST-70-61C i NASA-STD-8739.4A, inżynierowie mogą projektować i montować wiązki przewodów, które wytrzymują ekstremalne warunki panujące w kosmosie, zapewniając niezawodną wydajność elektryczną przez cały cykl życia misji. Te standardy kierują każdym aspektem projektowania wiązek, od wyboru materiałów i technik montażu po rygorystyczne testy i kontrolę zanieczyszczeń, zapewniając, że systemy kosmiczne pozostają operacyjne w najbardziej wymagających środowiskach.

W miarę jak misje kosmiczne stają się bardziej złożone i ambitne, rola dobrze zaprojektowanych, niezawodnych wiązek przewodów staje się coraz bardziej krytyczna. Zrozumienie i wdrażanie najlepszych praktyk opisanych w tych standardach to kluczowe kroki w budowaniu systemów kosmicznych, które działają bez zarzutu podczas długotrwałych misji.