우주 인증 부품에 대한 기술 준비 레벨

제품을 우주로 보내는 것은 지상 제품을 시장에 제공하는 것보다 복잡합니다. 우주에서 사용되는 부품은 공간 환경의 문제를 견디고, 유지 보수 없이도 예상 수명 동안 안정적으로 작동하고, 발사의 무게 및 크기 제한을 지원할 수 있어야 합니다.

이러한 환경에서, 제품 설계자는 우주 응용 분야에서의 성공적인 사용을 위해 설계, 테스트, 점검된 우주 공간용 인증 부품(QPS)으로 전환합니다. QPS는 미국 항공 우주국(NASA)이 정의한 최고 기술 준비 레벨(TRL)에 도달했습니다.

TRL 1 ~ 9는 개념부터 성공적인 성능에 이르는 제품의 여정을 반영합니다(그림 1). TRL 1 ~ 3은 해당 아이템이 이론적으로 작동하는 방식을 시연하는 개념 증명으로 개발되는 기본 아이디어에 집중합니다. TRL 4 ~ 6의 부품은 초기 테스트 및 시뮬레이션을 거칩니다. TRL 7 및 8은 시제품의 실제 테스트와 기술에 대한 최종 데모를 통해 개념을 실현합니다.

그림 1: NASA의 TRL은 우주용 제품이 초기 개념에서 검증된 성능에 이르기까지의 여정을 나타냅니다. 입증된 표준에 따라 제조 및 테스트된 경우에만, TRL 9을 가진 부품을 QPS로 간주할 수 있습니다(이미지 출처: Cinch Connectivity Solutions).

TRL 9에 도달한 제품은 실제 우주 응용 분야에서 성공적인 성능을 나타냈습니다. 이 높은 TRL 수준에 도달하는 것 이외에, 부품이 QPS로 간주되려면 특정 테스트 체제를 통과해야 합니다. 이러한 요구 사항을 제어하는 표준은 부품 유형에 따라 달라집니다. 예를 들어, QPS 감쇠기는 MIL-DTL-3933, 레벨 T에 따라 테스트되어야 하고 QPS 전자 커넥터는 NASA의 EEE-INST-002에 의해 규제됩니다.

우주 기반 응용 분야의 특정 과제를 이해하면 요구 사항에 맞는 성능을 제공하는 기존 QPS를 선택하고, 개념과 배치 사이의 경로를 단축하며, 스케줄과 예산에 맞게 제품을 시장에 출시하는 데 도움이 될 수 있습니다.

탈가스 극복

진공 상태와 극한 온도에서 작동하는 능력은 우주용 부품이 극복해야 할 가장 큰 장애물 중 하나입니다. 지구로부터 1,234마일 ~ 22,234마일 사이의 중궤도(MEO)는 위성 위치 확인 시스템(GPS) 위성이 작동하는 범위이며 진공도는 평균 1mTorr ~ 1µTorr입니다. 동시에, 이 응용 분야를 비롯하여 그 밖의 응용 분야에 사용되는 부품은 -270°C(그림자 영역)의 낮은 온도 및 최대 +121°C(직사광선 영역)의 온도에 노출됩니다.

진공 및 열에 노출될 경우, 비금속 부품은 제조 동안 재료 내부에 갇힌 가스가 표면으로 이동하는 현상인 탈가스가 발생할 수 있습니다. 이러한 이동은 재료 내에 균열을 일으켜 재료를 약화시킬 수 있습니다. 방출된 가스는 부품의 다른 부분에 응축되고 얼어붙어, 광학 장치가 흐려지거나 센서가 더럽혀지는 등의 손상을 일으킬 수 있습니다.

탈가스의 심각도는 진공 및 열에 노출 시 부품에서 손실된 총 질량(TML)으로 측정되며 원래 질량에 대한 백분율로 표시됩니다. 제조업체는 또한 방출된 물질이 더 차가운 표면에 응축되는 양인, 회수 가능한 휘발성 응축 물질(CVCM)의 백분율을 측정합니다. 두 테스트 모두 +125°C의 온도와 5 x 10^-5Torr 미만에서 24시간 동안 샘플이 유지되는 ASTM E595 프로토콜에 따라 수행됩니다.

QPS로 지정되려면 대부분의 전자 부품이 탈가스 테스트를 통과해야 합니다. 비금속 절연 및 차폐 재료를 사용하기 때문입니다. 이는 Cinch Connectivity Solutions의 Cinch Dura-Con™ 우주용 마이크로-D 플러그와 소켓(그림 2)에 해당합니다. Dura-Con 커넥터의 비금속 재료인, 핀을 둘러싼 열경화성 절연체와 에틸렌 테트라플루오로에틸렌(ETFE) 전선 절연체는 테스트에서 전체 질량의 1% 미만만 손실했으며, CVCM은 0.01% 미만입니다.

그림 2: Dura-Con 커넥터는 저 탈가스 절연 저항을 사용하여 LEO 응용 분야의 전자 커넥터 선택을 위한 NASA의 EEE-INST-002 표준을 능가합니다(이미지 출처: Cinch Connectivity Solutions).

이러한 니켈 도금 커넥터는 마이크로 미니어처 직사각형 전기 커넥터에 대한 MIL-DTL-83513을 준수합니다. 또한 0.775" ~ 2.160" 너비, 0.298" ~ 0.384" 높이의 실장 면적에서 9핀 ~ 100핀 위치를 수용합니다.

이 커넥터는 해당 설계와 낮은 탈가스 덕분에 전자 커넥터 선택을 위한 NASA의 EEE-INST-002 표준에 따라 최대 1,200마일 고도의 저 지구 궤도(LEO)에서의 응용 제품용으로 적합합니다. 허블 우주 망원경, 국제 우주 정거장, 전 세계 이동통신을 가능하게 하는 미세 위성 별자리가 이 영역에서 선회하고 있습니다.

EEE-INST-002 표준은 또한 전자 커넥터의 중요도를 세 가지 수준으로 인지합니다. 레벨 1 커넥터는 작동 수행에 중요하고, 레벨 2 커넥터는 고신뢰성을 필요로 하며, 레벨 3 커넥터는 표준 신뢰성 등급입니다. Dura-Con 커넥터는 레벨 2에 따라 스크리닝됩니다.

방사 간섭 감소

진공 및 극한 온도의 위험에 더해, 우주 분야에 사용되는 부품은 증가된 수준의 방사선과도 씨름을 벌여야 합니다. 지구 대기의 보호가 없다면 이러한 부품은 전 스펙트럼의 자외선(UV) 방사를 접하게 됩니다. LEO 외부에서는 감마선 및 다른 전리 방사선도 고려해야 합니다. 방사선은 비금속 부품의 수명을 단축시킬 수 있으며, 일반적으로 무선 주파수 간섭(RFI) 및 전자기 간섭(EMI)으로 전자기 신호의 품질을 저하시킬 수 있습니다.

Cinch Connectivity Solutions의 Trompeter QPS 전기 커넥터처럼, 이를 방지하는 전기 커넥터는 강력한 RFI 및 EMI 차폐 성능을 갖추고 있어, MIL-STD-1553B 데이터 버스 사양을 충족합니다.

또한, 금 도금 베릴륨 구리 접점 및 니켈 본체를 포함하여 주로 금속으로 구성되어 있습니다. 저 탈가스 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 유전체 금속은 1.0% 미만의 TML 및 0.10% 미만의 CVCM을 달성합니다.

우주 공간 등급의 Trompeter 계열에는 두 가지 연결 스타일의 미니어처 커넥터가 포함됩니다. TRB 커넥터는 베이요넷 스타일 잠금 장치이고(그림 3), TRT 커넥터는 나사산으로 부착됩니다(그림 4). 각 유형은 벌크 헤드, 케이블 끝 또는 인쇄 회로 기판(PCB)를 통해 연결할 수 있도록 여러 설계로 제공됩니다.

그림 3: TRB 우주 공간 등급 미니어처 베이요넷 커넥터는 뛰어난 RFI 및 EMI 차폐 기능과 낮은 수준의 탈가스를 제공합니다(이미지 출처: Cinch Connectivity Solutions).

그림 4: TRT 우주 공간 등급 미니어처 나사형 커넥터는 벌크헤드, 케이블 또는 PCB를 통해 연결할 수 있습니다(이미지 출처: Cinch Connectivity Solutions).

TRS 서브미니어처 베이요넷 커넥터(그림 5) 및 TTS 서브미니어처 나사형 커넥터(그림 6)는 대형 커넥터의 강력한 신호 전송 기능을 공유합니다. 이러한 커넥터의 작은 크기는 위성 및 기타 비행체에 사용 가능한 제한된 공간의 더욱 효율적인 사용을 가능하게 합니다.

서브미니어처 부품은 또한 우주 응용 분야의 또 다른 설계 문제인 궤도 진입 비용도 해결합니다. 2025년, 1kg의 질량을 LEO에 진입시키는 비용은 3,000달러였습니다. 이는 우주 왕복선 시대의 50,000달러/kg에 비해 훨씬 저렴해진 것이지만, 여전히 무게는 매우 중요합니다. 서브미니어처 QPS 커넥터는 무게를 줄이고 비용을 절약하는 데 도움을 줄일 수 있습니다.

그림 5: TRS 우주 공간 등급 서브미니어처 베이요넷 커넥터는 발사 무게와 비용을 줄이면서 뛰어난 신호 전송 성능을 유지합니다(이미지 출처: Cinch Connectivity Solutions).

그림 6: TTS 우주 공간 등급 서브미니어처 나사형 커넥터는 저 탈가스 절연 재료를 사용하여 LEO 응용 분야의 전자 커넥터 선택을 위한 NASA의 EEE-INST-002 표준을 능가합니다(이미지 출처: Cinch Connectivity Solutions).

Trompeter 커넥터는 저 탈가스, 경량, 고품질 신호 전송 덕분에 LEO의 통신 위성, MEO의 GPS 위성, NASA의 화성 탐사 로버에 사용되고 있습니다.

시작 및 지속을 위해 구축된 부품

비용 고려 사항은 단지 우주 공간에 부품을 발사하는 것과 관련된 설계 문제가 아닙니다. 부품은 발사 가속 및 진동뿐만 아니라 열적 충격도 견뎌야 하며, 이러한 충격 이후에도 테스트 스탠드에서처럼 성능을 발휘해야 합니다.

MIL-DTL-3933 표준은 파형 왜곡 없이 신호의 전력을 감소시키는 무선 및 극초단파 고정 감쇠기에 대한 인증 및 스크리닝 요구 사항을 규정하고 있습니다. 이 표준은 레벨 T라고 레이블이 지정된 특정 지침을 제공합니다.

QPS 감쇠기(그림 7)는 MIL-DTL-3933 레벨 T 요구 사항을 충족하도록 테스트되어 ±0.3dB ~ ±0.7dB의 정확도로 0dB ~ 20dB의 감쇠 값을 제공합니다. PTFE 유전체 및 불소엘라스토머 개스킷을 사용하고 스테인리스강 및 베릴륨 구리로 구성된 이 부품은 탈가스 요구 사항을 충족하거나 능가합니다.

그림 7: QPS 감쇠기는 0dB ~ 20dB의 무선 또는 극초단파 신호의 전력을 줄여주며 GPS 위성 및 행성간 임무에 사용되고 있습니다(이미지 출처: Cinch Connectivity Solutions).

이러한 감쇠기는 감쇠기의 최종 응용 분야를 반영하는 세 가지 스크리닝 레벨로 제공됩니다. 레벨 A는 피크 전력 인가 전후에 모든 부품의 감쇠 성능을 확인하며, 비-비행 응용 분야에 사용됩니다. 레벨 B는 최소한의 우주 비행 전 스크리닝으로, 평가 과정에 열 충격과 진공 컨디셔닝과 같은 발사 스트레스 요인을 추가하며, LEO에 진입하는 위성에 탑재되는 부품에 사용됩니다. 레벨 C는 스크리닝 프로세스에 열 순환 및 진동을 추가하며, 정지 궤도(지구에서 22,234마일 떨어짐) 및 그 너머로 향하는 부품을 포함한 모든 우주용 부품에 권장됩니다.

결론

이전 우주 비행 임무에서 성공적으로 성능을 발휘하여 TRL 9를 달성한 QPS 부품은 유지 보수 없이도 오랫동안 사용할 수 있음을 입증했으며 극한의 온도, 충격, 진동, 진공 및 방사선도 견딜 수 있습니다. QPS 제조업체는 우주 등급을 받은 모든 우주용 부품이 현재와 미래에 궤도 및 심우주에서 작동 시 발생하는 문제에 대응할 수 있도록 보장하는 선별 프로토콜을 개발했습니다.