การเลือกขั้วต่อระดับอวกาศสำหรับการใช้งานดาวเทียม LEO

อุตสาหกรรมดาวเทียมกำลังเติบโตอย่างรวดเร็ว โดยเฉพาะในพื้นที่ดาวเทียมวงโคจรต่ำ (LEO) อย่างไรก็ตาม สภาพแวดล้อม LEO ที่รุนแรงสร้างความท้าทายที่สำคัญสำหรับนักออกแบบ การสัมผัสกับสุญญากาศ ออกซิเจนอะตอม รังสีอัลตราไวโอเลต (UV) ที่เข้มข้น และความผันผวนของอุณหภูมิที่รุนแรง อาจทำให้เกิดการปล่อยก๊าซ การเสื่อมสภาพของวัสดุ และขั้วต่อล้มเหลว ซึ่งอาจส่งผลกระทบต่อระบบที่สำคัญต่อภารกิจได้

เพื่อให้แน่ใจว่าภารกิจประสบความสำเร็จ นักออกแบบจะต้องเข้าใจถึงความท้าทายในการปฏิบัติการในอวกาศและเลือกตัวเชื่อมต่อจากแหล่งที่เชื่อถือได้ซึ่งรวมวัสดุขั้นสูงและเทคโนโลยีที่จำเป็นเพื่อตอบสนองความต้องการของเงื่อนไข LEO

บทความนี้จะทบทวนโดยย่อเกี่ยวกับความท้าทายในการออกแบบสำหรับการใช้งาน LEO และหารือถึงกลยุทธ์ในการบรรเทาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม จากนั้นจะแนะนำตัวเชื่อมต่อที่เหมาะสมจากCinch Connectivity Solutionsที่สามารถช่วยรับมือกับความท้าทายเหล่านี้ได้

ความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อมในระบบ LEO และผลกระทบต่อขั้วต่อ

นักออกแบบดาวเทียม LEO เผชิญกับความท้าทายด้านสิ่งแวดล้อมที่ไม่ซ้ำใคร แม้ว่าสภาพแวดล้อมจะไม่รุนแรงเท่ากับอวกาศลึก แต่ขั้วต่อดาวเทียม LEO และส่วนประกอบอื่นๆ จะต้องทนต่อการปล่อยก๊าซ การแผ่รังสีและการกัดกร่อน อุณหภูมิที่รุนแรง การสั่นสะเทือนและแรงกระแทก

1. การปล่อยก๊าซ

การปล่อยก๊าซหมายถึงการปล่อยก๊าซออกจากวัสดุที่ไม่ใช่โลหะเมื่อได้รับความร้อนหรือสุญญากาศ ถือเป็นข้อกังวลที่สำคัญในสภาพแวดล้อม LEO พลาสติกถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในขั้วต่อเนื่องจากคุณสมบัติในการเป็นฉนวนที่ยอดเยี่ยม และโลหะบางชนิดที่ใช้ในขั้วต่ออาจมีฟองแก๊สขนาดเล็กที่ติดอยู่ระหว่างการผลิต เมื่อมีการผลิตตัวเชื่อมต่อที่ระดับน้ำทะเล ฟองแก๊สเหล่านี้จะไม่ได้รับผลกระทบจากแรงที่เกิดจากความแตกต่างของแรงดันภายในและภายนอกวัสดุ

อย่างไรก็ตาม ในอวกาศสุญญากาศ ความแตกต่างของแรงดันจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ทำให้ก๊าซที่กักอยู่เหล่านี้ถูกปล่อยออกมา การปล่อยก๊าซดังกล่าวอาจทำให้เกิดรอยแตกและรอยแยกเล็กๆ ซึ่งส่งผลกระทบต่อความแข็งแรงเชิงกลของขั้วต่อ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: การปล่อยก๊าซทำให้เกิดรอยแตกและรอยแยกเล็กๆ ซึ่งส่งผลกระทบต่อความแข็งแรงเชิงกลของขั้วต่อ (ที่มาของภาพ: Cinch Connectivity Solutions)

การปล่อยก๊าซออกมาอาจทำให้เซ็นเซอร์ เช่น กล้องได้รับความเสียหายได้ด้วยการสร้างชั้นเคลือบ อาจทำให้เกิดไฟฟ้าลัดวงจรระหว่างขั้วต่อและส่วนประกอบต่างๆ จนอาจส่งผลต่อภารกิจได้

ในขณะที่สุญญากาศในอวกาศเป็นตัวกระตุ้นให้เกิดการปล่อยก๊าซเป็นหลัก ปัจจัยด้านสิ่งแวดล้อมอื่นๆ อาจเพิ่มความเป็นไปได้ที่ก๊าซดังกล่าวจะเกิดขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น การอ่อนตัวของโพลิเมอร์ที่เกิดจากรังสี UV และการสัมผัสกับออกซิเจนอะตอม ทำให้ก๊าซที่ติดอยู่สามารถหลุดออกได้ง่ายขึ้น

2. การแผ่รังสีและการได้รับออกซิเจนจากอะตอม

การได้รับรังสี UV จากดวงอาทิตย์อย่างต่อเนื่องอาจทำให้พลาสติกที่ใช้ในขั้วต่อเสียหายได้ รังสีไอออไนซ์สามารถนำไปสู่การสะสมประจุบนขั้วต่อ ซึ่งอาจทำให้เกิดเหตุการณ์คายประจุไฟฟ้าสถิตได้ ออกซิเจนอะตอมซึ่งมีอยู่มากในสภาพแวดล้อม LEO และเกิดขึ้นเมื่อรังสี UV ทำปฏิกิริยากับออกซิเจน มีปฏิกิริยาสูงและสามารถกัดกร่อนวัสดุตัวเชื่อมต่อ โดยเฉพาะโพลิเมอร์และโลหะบางชนิดได้ ตัวอย่างเช่น โพลิเตตระฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) ซึ่งเป็นวัสดุฉนวนพลาสติกทั่วไปในขั้วต่อ จะทำปฏิกิริยาเมื่อสัมผัสกับออกซิเจนอะตอมและรังสี UV ทำให้เกิดการสึกหรอ ออกซิเจนอะตอมมีปฏิกิริยากับเงินโดยเฉพาะ ทำให้เกิดออกซิเดชัน และส่งผลกระทบต่อการนำไฟฟ้าและความต้านทานการสัมผัส

3. ความผันผวนของอุณหภูมิที่รุนแรง

ดาวเทียม LEO ประสบกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงจาก +125°C ในแสงแดดเป็น -65°C ในเงาของโลก โดยส่วนประกอบภายนอกบางส่วนอาจเผชิญกับอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงตั้งแต่ -270°C ถึง +200°C ซึ่งจะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ทำให้เกิดความเครียดและทำให้จุดบกพร่องเล็กๆ น้อยๆ ในขั้วต่อแย่ลงได้ ความแตกต่างในค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน (CTE) ระหว่างวัสดุขั้วต่อและส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องอาจส่งผลให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้เกิดการรวมกันที่ไม่เข้ากันและอาจเกิดความล้มเหลวได้

4. แรงสั่นสะเทือนและแรงกระแทก

แรงสั่นสะเทือนรุนแรงระหว่างการเปิดตัวอาจส่งผลต่อความสมบูรณ์ของขั้วต่อได้ การเคลื่อนไหวจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง (แกนด้านข้าง) และจากด้านหน้าไปด้านหลัง (แกนแรงขับ) อาจทำให้เกิดการจัดตำแหน่งที่ไม่ถูกต้องหรือการแตกหักในพื้นที่สัมผัสของขั้วต่อ แรงกระแทกที่เกิดขึ้นในการเปิดตัวเมื่อน้ำหนักบรรทุกแยกออกจากยานปล่อยอาจทำให้ตัวเชื่อมต่อคลายตัวและเกิดจุดล้าได้

กลยุทธ์ในการบรรเทาผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมจาก LEO

ขอแนะนำให้ทำการปิดผนึกแบบสุญญากาศเพื่อลดความเสี่ยงเหล่านี้หลายประการ การปิดผนึกแบบสุญญากาศช่วยปกป้องส่วนประกอบภายในจากสุญญากาศของอวกาศและป้องกันไม่ให้ก๊าซภายในรั่วไหลออก และยังช่วยป้องกันอากาศ แก๊ส และความชื้นไม่ให้แทรกเข้าไปในชิ้นส่วนอีกด้วย

เพื่อช่วยให้แน่ใจว่าการออกแบบจะประสบความสำเร็จ มีมาตรฐานหลายประการที่เกี่ยวข้องกับการใช้งานในอวกาศ:

• วิธีทดสอบการปล่อยก๊าซ ASTM E595 สำหรับวัสดุในสภาพแวดล้อมสุญญากาศวัดการสูญเสียมวลรวม (TML) และวัสดุควบแน่นระเหยที่เก็บรวบรวมได้ (CVCM) ที่อุณหภูมิ +125°C และ +25°C ตามลำดับ เกณฑ์การยอมรับโดยทั่วไป ได้แก่: TML ≤ 1.00%, CVCM ≤ 0.10%
• คำแนะนำ NASA EEE-INST-002 สำหรับการเลือก การคัดกรอง คุณสมบัติ และการลดระดับชิ้นส่วนไฟฟ้า อิเล็กทรอนิกส์ และไฟฟ้ากล (EEE) กำหนดระดับความน่าเชื่อถือสำหรับชิ้นส่วน EEE ตามความต้องการของภารกิจ
• NASA SSP 30426 กำหนดข้อกำหนดการควบคุมการปนเปื้อนภายนอกของสถานีอวกาศนานาชาติ (ISS)
• NASA SP-R-0022A กำหนดข้อกำหนดเสถียรภาพสูญญากาศสำหรับวัสดุโพลีเมอร์

ควรเลือกขั้วต่อตามมาตรฐานเหล่านี้เพื่อให้แน่ใจว่าจะปฏิบัติตามข้อกำหนดที่เข้มงวดของภารกิจอวกาศ

ระดับความพร้อมของเทคโนโลยี (TRL) ที่พัฒนาโดย NASA ในช่วงทศวรรษปี 1970 ถือเป็นวิธีมาตรฐานในการประมาณความพร้อมของเทคโนโลยีในระดับตั้งแต่ 1 (หลักการพื้นฐานที่สังเกตและรายงาน) ถึง 9 (พิสูจน์แล้วในการบิน) TRL มีบทบาทสำคัญในการเลือกส่วนประกอบของพื้นที่ด้วยเหตุผลหลายประการ:

• Risk reduction: ส่วนประกอบ TRL ระดับสูงได้รับการพิสูจน์แล้วในสภาพแวดล้อมที่เกี่ยวข้องหรือภารกิจอวกาศจริง
• Cost management: การใช้ส่วนประกอบ TRL ระดับสูงสามารถลดความต้องการในการพัฒนาและการทดสอบได้
• Progress tracking: TRL ช่วยให้สามารถติดตามการพัฒนาเทคโนโลยีได้ตั้งแต่แนวคิดจนถึงสถานะพร้อมบิน ช่วยในการวางแผนและการตัดสินใจในระหว่างการพัฒนายานอวกาศ
• Common language: TRL อำนวยความสะดวกในการหารือเกี่ยวกับความพร้อมในเทคโนโลยีอวกาศที่แตกต่างกัน
• Integration ease: โดยทั่วไปแล้วส่วนประกอบ TRL ระดับสูงจะรวมเข้ากับระบบที่มีอยู่ได้ง่ายกว่า ซึ่งส่งผลต่อการตัดสินใจเลือก

โซลูชันตัวเชื่อมต่อสำหรับ LEO

เพื่อตอบสนองความต้องการด้านการออกแบบของแอปพลิเคชัน LEO Cinch Connectivity Solutions ขอเสนอCinch Space Mission Solutions พอร์ตโฟลิโอของตัวเชื่อมต่อ สิ่งเหล่านี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อรับมือกับความท้าทายที่เกี่ยวข้องกับดาวเทียม LEO เช่น CubeSats และ NanoSats ซึ่งมีข้อจำกัดอย่างเข้มงวดในเรื่องขนาดและน้ำหนัก

จัมเปอร์เชื่อมต่อแบบซ้อน

Cinch’sCIN::APSE จัมเปอร์เชื่อมต่อแบบซ้อนช่วยให้มีการเชื่อมต่อแบบกำหนดเองโดยไม่ต้องบัดกรีและมีความหนาแน่นสูงสำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น การเชื่อมต่อแบบบอร์ดต่อบอร์ด แบบเฟล็กซ์ต่อบอร์ด และแบบส่วนประกอบต่อบอร์ดในดาวเทียม LEO คุณสมบัติที่สำคัญ ได้แก่:

• การเชื่อมต่อบอร์ดแบบร่วมระนาบและมุมฉากเพื่อความยืดหยุ่นในการออกแบบและเค้าโครงดาวเทียม
• การผสมผสานของ RF, พลังงาน, สัญญาณ และข้อมูลความเร็วสูงในแพ็คเกจขนาด 1 มิลลิเมตร (mm)
• การอนุมัติของ NASA ที่ TRL 9 บ่งชี้ถึงความน่าเชื่อถือที่ได้รับการพิสูจน์ในการบินแล้ว
• และประสิทธิภาพที่ได้รับการพิสูจน์แล้วภายใต้แรงกระแทกทางกล การสั่นสะเทือน และสภาวะความร้อนที่รุนแรง

ตัวอย่างทั่วไปคือ4631533093 (รูปที่ 2) แผงวงจรพิมพ์แบบยืดหยุ่น (แผงพีซี) นี้จะบีบอัดเพื่อเชื่อมต่อขั้วต่อแบบซ้อนที่ติดตั้งอยู่บนแผงพีซีแบบแข็ง

รูปที่ 2: แสดงให้เห็นจัมเปอร์ตัวเชื่อมต่อแบบซ้อนยืดหยุ่น 4631533093 ที่เชื่อมต่อแผงวงจรหลักแบบแข็ง (ที่มาของภาพ: Cinch Connectivity Solutions)

4631533093 มีตัวนำ 25 ตัว ยาว 3 นิ้ว มีระยะห่างระหว่างสาย 0.025 นิ้ว และมีปลายที่เปิดออกวัดได้ 0.131 นิ้ว

ขั้วต่อไมโครดีที่คัดกรองในอวกาศ

สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์บนอากาศขนาดเล็กและอุปกรณ์ประมวลผลข้อมูล และในกรณีที่ต้องใช้เส้นทางสัญญาณที่สั้นกว่าในการออกแบบดาวเทียมขนาดกะทัดรัด Cinch จัดเตรียมระบบคัดกรองในอวกาศDura-Con micro-D connectors - คุณสมบัติที่โดดเด่น ได้แก่ หน้าสัมผัสพินบิดและซ็อกเก็ตที่ผ่านการกลึงเพื่อให้มีจุดสัมผัส 7 จุดที่มีความทนทาน สอดคล้องกับมาตรฐาน MIL-DTL-M83513 (เฉพาะสำหรับขั้วต่อ micro-D) การชุบนิกเกิล และสายไฟที่หุ้มฉนวนเอทิลีนเตตระฟลูออโรเอทิลีน (ETFE) การDCCM25SCBRPN-X2S ช่องเสียบ micro-D 25 พินเป็นตัวอย่างที่ดี (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: DCCM25SCBRPN-X2S เป็นช่องเสียบ micro-D 25 พินที่มีการคัดกรองช่องว่าง (ที่มาของภาพ: Cinch Connectivity Solutions)

เต้ารับนี้มีสองแถว โดยมีระยะห่างระหว่างแถว 0.050 นิ้ว และระยะห่างระหว่างแถว 0.043 นิ้ว มีผิวสัมผัสสีทอง รองรับกระแสได้สูงสุด 3 แอมแปร์ (A) และเกินข้อกำหนดการปล่อยก๊าซ LEO ที่ ≤ 1.0% TML และ ≤ 0.1% CVCM

ตัวลดทอนสัญญาณ

Cinch’sQualified Part for Space (QPS) attenuators ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับการใช้งานในอวกาศ ตรงตามมาตรฐานการปล่อยก๊าซ ASTM E595 และ MIL-DTL-3993 และมีค่ามาตรฐาน 1, 2, 3, 6, 10 และ 20 เดซิเบล (dB) มีค่าที่กำหนดเองได้ตั้งแต่ 0 ถึง 20dB ตัวอย่างทั่วไปคือSQA-0182-01-SMA-02 (รูปที่ 4) ตัวลดทอนสัญญาณ 1dB นี้มีคุณสมบัติการทำงาน DC ถึง 18 กิกะเฮิรตซ์ (GHz) ความสามารถในการจัดการกำลังไฟเฉลี่ย 2W (500W สูงสุด) และช่วงอุณหภูมิในการทำงาน -55°C ถึง +125°C

รูปที่ 4: SQA-0182-01-SMA-02 คือตัวลดทอนสัญญาณ 1dB ที่ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะสำหรับภารกิจในอวกาศ (ที่มาของภาพ: Cinch Connectivity Solutions)

สรุป

นักออกแบบภารกิจอวกาศ LEO ต้องมีตัวเชื่อมต่อที่ทำงานได้อย่างน่าเชื่อถือเมื่อเผชิญกับความท้าทายต่างๆ เช่น การปล่อยก๊าซ อุณหภูมิ รังสียูวีและรังสีไอออไนซ์ การสั่นสะเทือนและแรงกระแทก ด้วยการพึ่งพาซัพพลายเออร์ที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว เช่น Cinch Connectivity Solutions พวกเขาสามารถได้รับประโยชน์จากโซลูชันต่างๆ ที่ได้รับการออกแบบมาตามมาตรฐานสูงสุดสำหรับภารกิจอวกาศเพื่อให้มั่นใจถึงความสำเร็จในการออกแบบ