Dây điện cho Biên giới Cuối cùng: Hướng dẫn Thiết kế Dây đeo Đạt chuẩn Vũ trụ

Các sứ mệnh không gian đòi hỏi mức độ tin cậy cao nhất do môi trường không gian thù địch và khả năng không thể sửa chữa sau khi một tàu vũ trụ được phóng. Dây dẫn là các thành phần quan trọng kết nối các hệ thống với nhau, và việc thiết kế và sản xuất của chúng phải đảm bảo hoạt động không lỗi trong suốt thời gian nhiệm vụ. Để đạt được điều này, Tổ chức Hợp tác Châu Âu về Tiêu chuẩn Hóa Không gian (ECSS) và NASA đã đặt ra các tiêu chuẩn nghiêm ngặt hướng dẫn thiết kế, lắp ráp và kiểm soát chất lượng của dây dẫn. Hai tiêu chuẩn quan trọng trong lĩnh vực này là ECSS-Q-ST-70-61C và NASA-STD-8739.4A. Những tiêu chuẩn này cung cấp hướng dẫn chi tiết để đảm bảo dây dẫn đáng tin cậy cao cho các ứng dụng không gian.

Bài viết này cung cấp cái nhìn tổng quan về các nguyên tắc và yêu cầu chính được trình bày trong các tiêu chuẩn này, với trọng tâm vào thiết kế, lựa chọn vật liệu, và đảm bảo chất lượng cho dây dẫn được sử dụng trong các ứng dụng không gian. Ví dụ, một số thiết kế dây dẫn cơ bản sử dụng cáp đồng trục sẽ được sử dụng.

Khía cạnh Chính của Thiết kế Dây Dẫn Đáng Tin Cậy Cao

Mục tiêu chính trong ví dụ này là kết nối hai tín hiệu từ hai PCB khác nhau đến các cọc vít M1.5. Để mục đích này, hai cáp đồng trục sẽ được sử dụng với các lug hàn. Vỏ bọc của cả hai cáp kết nối với một lug bổ sung nữa.

Mặt phải sẽ được hàn trực tiếp vào PCB như hình 2 cho thấy:

Lựa Chọn Vật Liệu

Cả hai tiêu chuẩn đều nhấn mạnh tầm quan trọng của việc sử dụng các vật liệu có khả năng chịu đựng được điều kiện khắc nghiệt của không gian, bao gồm bức xạ, nhiệt độ cực đoan, chân không và các áp lực cơ học như rung động. Việc lựa chọn dẫn điện, cách điện, vật liệu chắn và kết nối phải đáp ứng các tiêu chí nghiêm ngặt để ngăn chặn sự suy giảm theo thời gian:

• Vật Liệu Dẫn Điện: Các vật liệu thường được sử dụng bao gồm đồng hoặc đồng thau được phủ bạc hoặc niken, mang lại khả năng dẫn điện xuất sắc và khả năng chống ăn mòn.
• Cách Điện: Cách điện phải được chọn dựa trên khả năng xử lý tải điện áp cao và khả năng chống đứt gãy. Các vật liệu phổ biến bao gồm polyimide và PTFE (Teflon) do khả năng chịu nhiệt, sức mạnh cơ học và sự thoát khí tối thiểu trong môi trường chân không. Kiểm tra ưu và nhược điểm của các vật liệu cách điện khác nhau tại https://nepp.nasa.gov/npsl/wire/insulation_guide.htm
• Chắn: Việc chắn hiệu quả là rất quan trọng để giảm thiểu sự can thiệp từ điện từ (EMI). Điều này thường liên quan đến việc sử dụng các lớp chắn bằng đồng hoặc nhôm dệt.

ECSS-Q-ST-70-61C và NASA-STD-8739.4A đều nhấn mạnh việc sử dụng các vật liệu đã được kiểm định, đã trải qua các bài kiểm tra cụ thể cho không gian để đảm bảo hiệu suất của chúng trong môi trường hoạt động.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Với những yêu cầu này trong tâm trí, sẽ sử dụng cáp đồng trục Habia RG-178BU với cách điện PTFE và dây đơn AXON ZLA 2419 (dùng cho mặt đất) với vật liệu cách điện ETFE.

Thiết kế và Bố trí Dây

Việc thiết kế và bố trí dây là rất quan trọng để giảm tiếng ồn điện, căng thẳng cơ học, và khả năng hỏng dây. Các nguyên tắc chính bao gồm:

• Định tuyến: Các cáp nên được định tuyến để giảm thiểu sự chuyển động, ngăn chặn sự mài mòn, và tránh tiếp xúc với các cạnh sắc hoặc nguồn nhiệt. Khoảng cách thích hợp giữa các cáp và các thành phần nhạy cảm là rất quan trọng để ngăn chặn EMI.
• Bán kính Uốn: Cả hai tiêu chuẩn đều quy định bán kính uốn tối thiểu cho các loại dây và cáp khác nhau để ngăn chặn sự căng thẳng không cần thiết có thể gây ra gãy nứt hoặc hỏng cách điện theo thời gian.

• Giảm Căng: Các kỹ thuật giảm căng, như sử dụng ống co và kẹp cáp, là cần thiết để bảo vệ dây và kết nối khỏi các căng thẳng cơ học, đặc biệt trong quá trình phóng và tái nhập.

Quy trình Lắp ráp

Quy trình lắp ráp là một bước quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của dây. Cả ECSS-Q-ST-70-61C và NASA-STD-8739.4A đều cung cấp hướng dẫn toàn diện về các phương pháp lắp ráp, bao gồm:

• Crimping: Các kết nối ép phải được thực hiện bằng các công cụ đã được kiểm định và phải đáp ứng các yêu cầu về độ bền kéo cụ thể để đảm bảo kết nối điện đáng tin cậy. Ép quá mức hoặc ép không đủ có thể dẫn đến mạch yếu hoặc mạch hở, điều này không được chấp nhận trong ứng dụng vũ trụ.
• Hàn: Đối với các mối hàn, việc sử dụng hàn chì và chất lưu chất lượng cao là cần thiết để đảm bảo kết nối chắc chắn, dẫn điện và chống ăn mòn. Cụ thể, NASA-STD-8739.4A đề ra các tiêu chuẩn làm việc nghiêm ngặt cho việc hàn, bao gồm tiêu chí kiểm tra cho các mối hàn.
• Bện Dây: Để bảo vệ dây khỏi hư hại cơ học và cải thiện khả năng xử lý, các dây dẫn thường được bện. Quá trình này phải được thực hiện để tránh các khoảng trống hoặc chồng chéo có thể làm giảm tính toàn vẹn của dây dẫn.

Đối với quá trình lắp ráp, bạn có thể chuẩn bị các biểu đồ chi tiết càng nhiều càng tốt theo nhu cầu của kỹ thuật viên.

Kiểm Soát Ô Nhiễm

Ô nhiễm là một mối quan tâm quan trọng đối với các hệ thống vũ trụ, vì các hạt hoặc chất cặn trên dây dẫn có thể làm giảm hiệu suất điện hoặc can thiệp vào thiết bị nhạy cảm. Cả hai tiêu chuẩn đều nhấn mạnh vào việc thực hành kiểm soát ô nhiễm nghiêm ngặt:

Intuitive Multi-Board System Design

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

Explore Solutions

• Môi trường phòng sạch: Việc lắp ráp dây điện phải được thực hiện trong môi trường phòng sạch để ngăn chặn sự ô nhiễm từ bụi bẩn, dầu mỡ và các vật liệu lạ khác. ECSS-Q-ST-70-61C đặc biệt nhấn mạnh điều này, quy định các lớp phòng sạch và các quy tắc cho nhân viên khi vào các khu vực kiểm soát này.
• Thực hành xử lý: Người vận hành phải đeo găng tay và sử dụng các công cụ xử lý phù hợp để tránh ô nhiễm từ dầu da và các chất khác. Việc làm sạch và kiểm tra định kỳ là bắt buộc trong suốt quá trình lắp ráp.

Kiểm tra và Xác minh

Để đảm bảo rằng dây điện đáp ứng các yêu cầu về độ tin cậy, việc kiểm tra toàn diện là cần thiết ở mọi giai đoạn sản xuất, từ việc lựa chọn vật liệu đến lắp ráp cuối cùng. Các phương pháp kiểm tra chính bao gồm:

• Kiểm tra Điện: Kiểm tra liên tục, cách điện và kiểm tra điện áp cao là cần thiết để xác minh tính toàn vẹn điện của dây điện. Cả hai tiêu chuẩn đều quy định các mức điện áp và tiêu chí chấp nhận cho các bài kiểm tra này.
• Chu kỳ Nhiệt: Để đảm bảo rằng dây điện có thể chịu đựng được sự biến đổi nhiệt độ cực đoan mà nó gặp phải trong không gian, các bài kiểm tra chu kỳ nhiệt được tiến hành. Các bài kiểm tra này bao gồm việc phơi dây điện dưới nhiệt độ cao và thấp để đánh giá hiệu suất cơ khí và điện của nó dưới áp lực.
• Kiểm tra Rung và Sốc: Để mô phỏng các áp lực cơ học của việc phóng và hạ cánh, các dây nịt được chịu đựng kiểm tra rung và sốc. Điều này đảm bảo rằng bộ phận lắp ráp vẫn nguyên vẹn và hoạt động trong suốt thời gian hoạt động của nó.

Đảm Bảo Chất Lượng và Tính Nghệ Thuật

Cả ECSS-Q-ST-70-61C và NASA-STD-8739.4A đều nhấn mạnh tầm quan trọng của việc đảm bảo chất lượng và tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn về tính nghệ thuật để đảm bảo độ tin cậy của các dây nịt. Mỗi bước của quá trình thiết kế, lắp ráp, và kiểm tra phải được ghi chép cẩn thận, và nhân viên phải được đào tạo và chứng nhận để thực hiện các nhiệm vụ của họ:

• Kiểm Tra: Các kiểm tra về mặt hình ảnh và chức năng được thực hiện xuyên suốt quá trình sản xuất để xác định các khuyết điểm tiềm ẩn, như hư hỏng cách điện, định tuyến không đúng, hoặc mối hàn kém. Những kiểm tra này tuân theo các tiêu chí chi tiết được nêu ra trong cả hai tiêu chuẩn.
• Chứng Nhận của Người Vận Hành: Các kỹ thuật viên lắp ráp dây nịt phải được chứng nhận để đảm bảo rằng họ hiểu và có thể áp dụng các tiêu chuẩn. Cả NASA và ECSS đều cung cấp các chương trình chứng nhận cho mục đích này.

Kết Luận

Thiết kế dây dẫn đáng tin cậy cao là một nền tảng quan trọng để đảm bảo thành công của các sứ mệnh khám phá không gian. Bằng cách tuân thủ các tiêu chuẩn như ECSS-Q-ST-70-61C và NASA-STD-8739.4A, các kỹ sư có thể thiết kế và lắp ráp các dây dẫn chịu được điều kiện khắc nghiệt của không gian đồng thời cung cấp hiệu suất điện tin cậy trong suốt vòng đời của sứ mệnh. Những tiêu chuẩn này hướng dẫn mọi khía cạnh của thiết kế dây dẫn, từ việc lựa chọn vật liệu và kỹ thuật lắp ráp đến việc kiểm tra nghiêm ngặt và kiểm soát ô nhiễm, đảm bảo rằng các hệ thống không gian vẫn hoạt động trong môi trường đòi hỏi khắt khe nhất.

Khi các sứ mệnh không gian trở nên phức tạp và tham vọng hơn, vai trò của các dây dẫn được thiết kế tốt, đáng tin cậy trở nên quan trọng hơn bao giờ hết. Hiểu và áp dụng các phương pháp tốt nhất được trình bày trong những tiêu chuẩn này là các bước quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống không gian hoạt động không lỗi trong các sứ mệnh kéo dài.