LEO 위성 응용 분야를 위한 우주 등급 커넥터 선택

위성 산업은 저지구궤도(LEO) 위성 영역에서 빠르게 성장 중입니다. 그러나 열악한 LEO 환경은 설계자에게 상당한 과제를 제기합니다. 진공, 산소 원자, 강한 자외선(UV) 방사, 극한의 온도 변동에 대한 노출은 탈가스, 재료 열화, 커넥터 고장을 일으켜 기능 수행에 중요한 시스템에 손상을 입힐 수 있습니다.

기능을 성공적으로 수행하기 위해 설계자는 우주에서의 작동에 수반되는 과제를 이해하고 LEO 조건의 요구 사항을 충족하는 데 필요한 고급 재료와 기술을 통합하는 신뢰할 수 있는 소스에서 커넥터를 선택해야 합니다.

이 기사에서는 LEO 응용 분야의 설계 과제를 간단히 검토하고 환경적 영향을 완화하는 데 필요한 전략을 논의합니다. 그런 다음 이러한 문제를 해결하는 데 도움이 될 수 있는 Cinch Connectivity Solutions의 적절한 커넥터를 소개합니다.

LEO의 환경 문제 및 커넥터에 대한 영향

LEO 위성 설계자는 특별한 환경 문제를 마주합니다. 환경이 심우주만큼 열악하지는 않지만 LEO 위성 커넥터 및 기타 부품은 탈가스, 방사 및 부식, 온도의 극한, 진동 및 충격을 견뎌야 합니다.

1. 탈가스

탈가스란 열 또는 진공 조건에서 비금속 재료의 가스 방출을 말합니다. 이는 LEO 환경에서 중요한 고려 사항입니다. 플라스틱은 뛰어난 절연 특성으로 커넥터에 널리 사용되며 커넥터에 사용되는 일부 금속에는 제조 중에 갇힌 미세 버블이 포함될 수 있습니다. 커넥터가 해수면에서 제조될 경우 이러한 가스 버블은 재료 내부와 외부의 압력 차에 의해 인가되는 힘의 영향을 받지 않습니다.

그러나, 우주 진공 상태에서는 압력차가 크게 증가하므로 이렇게 갇힌 가스가 방출됩니다. 이 탈가스는 미소균열 및 갈라짐을 일으켜 커넥터의 기계적 강도에 영향을 줄 수 있습니다(그림 1).

그림 1: 탈가스는 미소균열 및 갈라짐을 일으켜 커넥터의 기계적 강도에 영향을 줄 수 있습니다 (이미지 출처: Cinch Connectivity Solutions)

탈가스는 또한 코팅층을 형성하여 카메라와 같은 센서에 손상을 줄 수 있습니다. 심지어 커넥터와 부품 간에 단락을 일으켜 기능 수행을 위태롭게 할 수도 있습니다.

주로 우주의 진공 상태에 의해 탈가스가 진행되지만 다른 환경 요인으로 인해 그 가능성이 높아질 수도 있습니다. 예를 들어, UV 방사로 인해 고분자가 약해지고 원자 산소에 노출되면 가스가 손쉽게 빠져나갈 수 있습니다.

2. 방사선 및 원자 산소 노출

태양의 UV 방사에 지속적으로 노출될 경우 커넥터에 사용된 플라스틱에 손상을 줄 수 있습니다. 전리 방사선은 커넥터에 전하를 누적시켜 정전 방전 이벤트를 발생시킬 수 있습니다. LEO 환경에 풍부하고 UV 방사가 산소에 반응할 때 형성되는 원자 산소는 반응도가 높으며 특히 고분자 및 일부 금속과 같은 커넥터 재료를 침식시킬 수 있습니다. 예를 들어, 커넥터의 일반적인 플라스틱 절연 재료인 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)은 원자 산소 및 UV 방사에 노출될 경우 반응하여 마모를 일으킵니다. 원자 산소는 특히 은과 반응하여, 산화를 초래하고 전기 전도성 및 접점 저항에 영향을 미칩니다.

3. 극도의 온도 변동

LEO 위성이 경험하는 온도는 햇빛이 있을 때의 +125°C와 지구 그림자에서의 -65°C 사이에서 변동하며, 일부 외부 부품은 -270°C에서 +200°C의 온도에 노출될 수 있습니다. 이로 인해 열 순환이 발생하여 커넥터에 스트레스를 주며 사소한 결함을 악화시킬 수 있습니다. 커넥터 재료와 관련 부품 간 열 확장 계수(CTE) 차이는 열 순환을 고르지 않게 하므로 양립이 불가능한 조합 및 잠재적 고장이 발생할 수 있습니다.

4. 진동 및 충격

발사 중의 극심한 진동은 커넥터 무결성을 손상시킬 수 있습니다. 나란한(수평축) 및 순방향-역방향(추력축) 모션은 커넥터 접점 영역의 오정렬이나 파손을 초래할 수 있습니다. 발사 시 페이로드가 발사용 로켓에서 분리될 때 생성되는 충격은 커넥터를 헐겁게 만들고 피로점을 생성할 수 있습니다.

LEO 환경 효과 완화를 위한 전략

밀폐 밀봉은 이러한 여러 위험을 완환하는 데 권장됩니다. 밀폐 밀봉은 우주 진공에서 내부 부품을 보호하고 내부 가스가 빠져나가지 않도록 방지합니다. 또한 공기, 가스, 수분이 조립품에 침투하지 않도록 합니다.

성공적인 설계를 보장하는 데 도움을 주기 위해 우주 응용 분야와 관련된 여러 표준이 있습니다.

• 진공 환경에서의 재료에 대한 ASTM E595 탈가스 테스트 방법은 각각 +125°C 및 +25°C에서 총 질량 손실(TML) 및 수집된 휘발성 응출 재료(CVCM)를 측정합니다. 통상적인 채택 조건은 TML ≤ 1.00%, CVCM ≤ 0.10%입니다.
• 전기, 전자, 전자기계(EEE) 부품 선택, 스크리닝, 검증 및 디레이팅을 위한 NASA EEE-INST-002 지침은 임무 요구 사항에 따라 EEE 부품에 대한 신뢰성 수준을 설정합니다.
• NASA SSP 30426은 국제 우주 정거장(ISS)의 외부 오염 제어 요구 사항을 설정합니다.
• NASA SP-R-0022A는 중합 재료를 위한 진공 안정 요구 사항을 정의합니다.

우주 임무의 엄격한 요구 사항을 충족하려면 커넥터는 이러한 표준에 따라 선택해야 합니다.

1970년대 NASA에서 개발한 기술 성숙도(TRL)는 1(기본 원리 관찰 및 보고)에서 9(비행 입증)까지 기술의 성숙도를 평가하는 표준화된 방법을 제공합니다. TRL은 다음과 같은 여러 가지 이유로 우주 부품 선택에서 중요한 역할을 수행합니다.

• 위험 감소: 상위 TRL 부품은 관련된 환경 또는 실제 우주 임무에서 입증되었습니다.
• 비용 관리: 상위 TRL 부품을 사용하면 개발 및 테스트 요구 사항을 줄일 수 있습니다.
• 진행 상황 추적: TRL을 사용하면 개념부터 비행 준비 상태까지 기술 개발을 모니터링하여 우주선 개발 중 계획 및 의사 결정을 지원할 수 있습니다.
• 공통 언어: TRL은 다양한 우주 기술에 걸쳐 성숙도에 대한 토론을 촉진합니다.
• 통합 용의성: 상위 TRL 부품은 일반적으로 기존 시스템에 통합하기가 더 쉬우므로 선택에 영향을 미칩니다.

LEO를 위한 커넥터 솔루션

LEO 응용 분야를 위한 설계 요구 사항을 처리하기 위해 Cinch Connectivity Solutions는 Cinch Space Mission Solutions 커넥터 포트폴리오를 제공합니다. 이는 크기와 무게가 엄격하게 제한되는 CubeSats 및 NanoSats과 같은 LEO 위성과 관련된 문제를 해결하기 위해 설계되었습니다.

적층 커넥터 점퍼

Cinch의 CIN::APSE 적층 커넥터는 LEO 위성의 기판 간, 플렉스 기판 간, 부품 기판 간 연결과 같은 응용 제품을 위한 무납땜, 고밀도 맞춤형 상호 연결을 제공합니다. 주요 특징에는 다음이 포함됩니다.

• 위성 설계 및 레이아웃의 유연성을 위한 동일 평면 및 직각 기판 간 커넥터
• 1mm 패키지에 RF, 전력, 신호, 고속 데이터 결합
• NASA 승인(TRL 9), 비행 입증 신뢰성을 나타냄
• 극도의 기계적 충격, 진동, 열 조건에서 입증된 성능

일반적인 예로 4631533093을 들 수 있습니다(그림 2). 이 유연한 인쇄 회로 기판(pc 기판)은 경성 pc 기판에 실장된 적층 커넥터와 결합되도록 압축됩니다.

그림 2: 경성 pc 기판에 연결되는 4631533093 연성 적층 커넥터 점퍼. (이미지 출처: Cinch Connectivity Solutions)

4631533093은 25개 컨덕터, 3인치(in)의 길이와 0.025인치의 피치, 0.131인치의 노출형 엔드를 가집니다.

우주 스크린용 micro-D 커넥터

소형화된 항공 전자 장치 및 데이터 처리 장비를 위해 그리고, 콤팩트한 위성 설계에서 더 짧은 신호 경로가 필요한 경우 Cinch는 우주 스크린용 Dura-Con micro-D 커넥터를 제공합니다. 주요 특징에는 트위스트 핀 접점 및 내구성이 뛰어난 7개의 접점을 위한 기계 가공 소켓, MIL-DTL-M83513 준수(micro-D 커넥터에만 해당), 니켈 도금, 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE) 절연 전선이 포함됩니다. DCCM25SCBRPN-X2S 25핀 micro-D 리셉터클은 이에 대한 좋은 예입니다(그림 3).

그림 3: DCCM25SCBRPN-X2S는 25핀 우주 차단용 micro-D 리셉터클입니다. (이미지 출처: Cinch Connectivity Solutions)

이 리셉터클은 0.050인치의 피치와 0.043인치 간격의 2열로 구성되어 있습니다. 금 접촉 마감을 제공하고 최대 3암페어(A)를 처리할 수 있으며 LEO 탈가스 요구 사항인 ≤ 1.0% TML 및 ≤ 0.1% CVCM을 능가합니다.

감쇠기

Cinch의 우주용 인증 부품(QPS) 감쇠기는 우주 응용 분야를 위해 특별히 설계되었습니다. 이 감쇠기는 ASTM E595 및 MIL-DTL-3993 탈가스 표준을 충족하며 표준값 1/2/3/6/10/20dB(데시벨)로 제공됩니다. 0dB ~ 20dB의 맞춤형 값도 사용 가능합니다. 일반적인 예로 SQA-0182-01-SMA-02를 들 수 있습니다(그림 4). 이 1dB 감쇠기는 DC ~ 18GHz 성능, 2W 평균 전력 처리 능력(500W, 피크), -55°C ~ +125°C의 작동 온도 범위를 제공합니다.

그림 4: 우주 임무용으로 특별히 설계된 SQA-0182-01-SMA-02는 1dB 감쇠기입니다. (이미지 출처: Cinch Connectivity Solutions)

결론

LEO 우주 임무 설계자는 탈가스, 온도, UV 및 이온화 방사선, 진동 및 충격과 같은 문제에도 안정적으로 작동하는 커넥터를 필요로 합니다. Cinch Connectivity Solutions와 같은 검증된 제조업체를 이용하면 우주 임무를 위한 최고 표준에 따라 설계된 다양한 솔루션을 활용하여 성공적인 설계를 보장할 수 있습니다.