Cabeamento para a Última Fronteira: Um Guia para o Design de Chicotes de Qualidade Espacial

Missões espaciais exigem os mais altos níveis de confiabilidade devido ao ambiente hostil do espaço e à incapacidade de realizar reparos uma vez que uma nave espacial é lançada. Os chicotes de fios são componentes críticos que interconectam vários sistemas, e seu projeto e fabricação devem garantir um desempenho livre de falhas ao longo da vida útil da missão. Para alcançar isso, a Cooperação Europeia para a Normalização Espacial (ECSS) e a NASA estabeleceram padrões rigorosos que orientam o projeto, a montagem e o controle de qualidade dos chicotes de fios. Dois padrões importantes neste domínio são ECSS-Q-ST-70-61C e NASA-STD-8739.4A. Esses padrões fornecem diretrizes detalhadas para garantir chicotes de alta confiabilidade para aplicações espaciais.

Este artigo fornece uma visão geral dos princípios e requisitos chave delineados nestes padrões, com foco no projeto, seleção de materiais e garantia de qualidade para chicotes usados em aplicações espaciais. Como exemplo, será utilizado um projeto básico de chicote usando cabos coaxiais.

Aspectos Chave do Projeto de Chicote de Alta Confiabilidade

O objetivo principal neste exemplo é conectar dois sinais de duas PCBs diferentes a terminais de parafusos M1.5. Para esse propósito, serão usados dois cabos coaxiais com terminais de solda. O escudo de ambos os cabos se conecta com um terminal adicional.

O lado direito será soldado diretamente às PCBs conforme mostra a figura 2:

Seleção de Materiais

Ambos os padrões enfatizam a importância de usar materiais que possam resistir às condições severas do espaço, incluindo radiação, temperaturas extremas, vácuo e estresses mecânicos como vibração. A seleção de condutores, isolantes, materiais de blindagem e conectores deve atender a critérios rigorosos para prevenir a degradação ao longo do tempo:

• Materiais Condutivos: Os materiais mais comumente usados incluem cobre ou latão prateado ou niquelado, que oferecem excelente condutividade e resistência à corrosão.
• Isolamento: O isolamento deve ser escolhido com base em sua capacidade de lidar com cargas de alta tensão e resistir à ruptura. Materiais comuns incluem poliimida e PTFE (Teflon) devido à sua resistência ao calor, força mecânica e mínima liberação de gases em ambientes de vácuo. Confira os prós e contras de diferentes materiais isolantes em https://nepp.nasa.gov/npsl/wire/insulation_guide.htm
• Blindagem: Uma blindagem eficaz é crucial para minimizar a interferência eletromagnética (EMI). Isso geralmente envolve o uso de blindagens de cobre ou alumínio trançado.

A ECSS-Q-ST-70-61C e a NASA-STD-8739.4A ambas enfatizam o uso de materiais qualificados que passaram por testes específicos para o espaço para garantir seu desempenho no ambiente operacional.

Com esses requisitos em mente, será utilizado o cabo coaxial Habia RG-178BU com isolamento em PTFE e o fio único AXON ZLA 2419 (aterramento) com material de isolamento em ETFE.

Projeto e Layout de Chicotes

O projeto e o layout do chicote são críticos para reduzir ruído elétrico, estresse mecânico e o potencial para falha de fios. Princípios chave incluem:

• Roteamento: Os cabos devem ser roteados para minimizar movimento, prevenir abrasão e evitar contato com arestas cortantes ou fontes de calor. Uma distância adequada entre cabos e componentes sensíveis é crucial para prevenir EMI.
• Raio de Curvatura: Ambos os padrões estipulam um raio mínimo de curvatura para diferentes tipos de fios e cabos para prevenir estresse excessivo que pode causar fraturas ou degradação do isolamento ao longo do tempo.

• Alívio de Tensão: Técnicas de alívio de tensão, como o uso de passa-fios e braçadeiras de cabo, são necessárias para proteger fios e conectores de estresses mecânicos, particularmente durante o lançamento e reentrada.

Processo de Montagem

O processo de montagem é um passo crítico para garantir a confiabilidade dos chicotes. Tanto a ECSS-Q-ST-70-61C quanto a NASA-STD-8739.4A fornecem diretrizes abrangentes sobre os métodos de montagem, que incluem:

• Crimpagem: As conexões crimpadas devem ser realizadas com ferramentas qualificadas e atender a requisitos específicos de resistência à tração para garantir conexões elétricas confiáveis. A crimpagem excessiva ou insuficiente pode levar a circuitos fracos ou abertos, o que é inaceitável em aplicações espaciais.
• Soldagem: Para juntas soldadas, é necessário o uso de solda e fluxo de alta qualidade para garantir conexões fortes, condutivas e resistentes à corrosão. A norma NASA-STD-8739.4A, em particular, estabelece padrões rigorosos de trabalho para soldagem, incluindo critérios de inspeção para juntas soldadas.
• Trançado de Chicotes: Para proteger os fios de danos mecânicos e melhorar o manuseio, os chicotes são frequentemente trançados. Este processo deve ser realizado para evitar lacunas ou sobreposições que possam comprometer a integridade do chicote.

Para o processo de montagem, você pode preparar tantos diagramas detalhados quanto o técnico precisar.

Controle de Contaminação

A contaminação é uma preocupação crítica para sistemas espaciais, pois partículas ou resíduos nos chicotes podem degradar o desempenho elétrico ou interferir com equipamentos sensíveis. Ambos os padrões enfatizam práticas rigorosas de controle de contaminação:

• Ambiente de Sala Limpa: A montagem de chicotes deve ocorrer em um ambiente de sala limpa para prevenir a contaminação por poeira, óleos e outros materiais estranhos. A ECSS-Q-ST-70-61C coloca ênfase particular nisso, especificando classes de sala limpa e protocolos para o pessoal que entra nessas áreas controladas.
• Práticas de Manuseio: Os operadores devem usar luvas e ferramentas de manuseio adequadas para evitar contaminação por óleos da pele e outras substâncias. Limpezas regulares e inspeções são necessárias ao longo do processo de montagem.

Testes e Verificação

Para garantir que os chicotes atendam aos requisitos de confiabilidade, testes abrangentes são necessários em cada estágio de produção, desde a seleção de materiais até a montagem final. As principais metodologias de teste incluem:

• Testes Elétricos: Continuidade, resistência de isolamento e testes dielétricos de alta tensão são essenciais para verificar a integridade elétrica do chicote. Ambos os padrões especificam os níveis de tensão e critérios de aceitação para esses testes.
• Ciclagem Térmica: Para garantir que os chicotes possam suportar as flutuações extremas de temperatura encontradas no espaço, testes de ciclagem térmica são conduzidos. Esses testes envolvem expor o chicote a temperaturas altas e baixas para avaliar seu desempenho mecânico e elétrico sob estresse.
• Testes de Vibração e Choque: Para simular as tensões mecânicas de lançamento e aterrissagem, os chicotes são submetidos a testes de vibração e choque. Isso garante que o conjunto permaneça intacto e funcional ao longo de sua vida operacional.

Garantia de Qualidade e Trabalho

Tanto o ECSS-Q-ST-70-61C quanto o NASA-STD-8739.4A enfatizam a importância da garantia de qualidade e da aderência estrita aos padrões de trabalho para assegurar a confiabilidade dos chicotes. Cada etapa do processo de design, montagem e teste deve ser meticulosamente documentada, e o pessoal deve ser treinado e certificado para realizar suas tarefas:

• Inspeção: Inspeções visuais e funcionais são realizadas ao longo do processo de fabricação para identificar defeitos potenciais, como danos à isolamento, roteamento inadequado ou soldas ruins. Essas inspeções seguem critérios detalhados descritos em ambos os padrões.
• Certificação dos Operadores: Técnicos que montam os chicotes devem ser certificados para garantir que eles compreendam e possam aplicar os padrões. Tanto a NASA quanto o ECSS fornecem programas de certificação para esse propósito.

Conclusão

O design de chicotes de alta confiabilidade é um pilar fundamental para garantir o sucesso de missões espaciais. Ao aderir a padrões como ECSS-Q-ST-70-61C e NASA-STD-8739.4A, os engenheiros podem projetar e montar chicotes de fios que resistem às condições extremas do espaço, ao mesmo tempo em que fornecem desempenho elétrico confiável ao longo do ciclo de vida da missão. Esses padrões orientam cada aspecto do design de chicotes, desde a seleção de materiais e técnicas de montagem até testes rigorosos e controle de contaminação, garantindo que os sistemas espaciais permaneçam operacionais nos ambientes mais exigentes.

À medida que as missões espaciais se tornam mais complexas e ambiciosas, o papel de chicotes de fios bem projetados e confiáveis torna-se cada vez mais crítico. Compreender e implementar as melhores práticas descritas nesses padrões são etapas vitais na construção de sistemas espaciais que atuam de forma impecável em missões de longa duração.