우주 응용 분야를 위한 커넥터 및 케이블 선택 이해

지난 10년 동안 지구 궤도 우주선은 대중 시장 응용 분야에서 주요 산업으로 자리잡았습니다. 그 결과 다양한 임무를 가진 많은 위성이 지구의 저궤도, 중궤도 및 정지 궤도(LEO, MEO, GEO)에 배치되어 운영되고 있습니다. 크기, 출처, 임무에 상관없이 모든 위성은 부품 명세서(BOM)에 한 가지 공통된 요소가 있습니다. 즉, 신호 및 전력을 위한 많은 전기 커넥터와 케이블이 필요하다는 것입니다.

이러한 부품은 광범위한 위성 임무나 능동적인 온보드 전자 부품의 매력적인 요소는 없더라도, 성능, 신뢰성 및 항상성은 위성 설계, 배포, 목표 수명에 필수적입니다. 따라서 임무의 성공을 위해 적합한 상호 연결을 선택하고 적용하는 것이 중요합니다. 이러한 부품은 크기와 무게를 최소화하면서 기본 기능을 제공하는 동시에, 우주 발사와 비행에 필수적인 고유한 신뢰성 및 견고성 요구 사항을 충족해야 합니다.

다행히도, 21세기에는 상대적으로^ 많은 양의 상호 연결이 필요하므로, 이제 우주용 커넥터와 케이블이 다양한 벤더와 유통업체를 통해 표준 부품으로 제공됩니다. 이러한 부품이 특수 맞춤 주문 품목이었던 10년 ~ 20년 이전과는 크게 달라졌습니다.

이 기사에서는 우주용 커넥터 및 케이블의 요구 사항과 적절한 선택 방법에 대해 살펴봅니다. 그런 다음 임무를 성공하는 데 도움이 되는 Harwin의 실제 솔루션을 소개합니다.

우주용 케이블 및 커넥터 요구 사항

한때는 주로 난해한 우주선 또는 통신/항법 위성을 운용하는 NASA의 임무 영역이었던 LEO, MEO, GEO 위성 발사가 지금은 거의 일상적인 일이 되었습니다. 이러한 발사를 통해 대학교, 일부 고등학교, 심지어 아마추어 과학 단체에서 개발한 인기 있는 소형 CubeSat 장치를 비롯한 10여 개 이상의 위성이 배치되었습니다.

하지만 우주는 모든 유형의 전자 부품에 열악한 환경입니다. 잠재적 문제 영역으로는 간헐적 연결, 사양 미달 성능, 완전한 실패 등이 있습니다. 이러한 문제는 발사 진동에서 시작하여 궤도 이용의 추위와 진공 등을 통해 확장됩니다.

따라서 많은 커넥터 성능 요구 사항과 커넥터 설계 및 구현 제약이 수반됩니다. 이러한 요소는 광범위한 신뢰성 우선사항과 비실용적이거나 불가능한 비행 중 수리 또는 교체와 결합됩니다. 크기, 무게, 충격, 진동과 함께 가스 방출, 잔류 자기, 극한 온도, 열 순환, 우주 방사선, 플래시오버, 커넥터 방향 등도 문제가 됩니다.

• 무게 및 크기(부피): 우주선과 위성에서는 부피가 제약된 우주 설계에서 아무리 작은 공간도 소중하다는 사실과 연료 효율을 위해 이 두 요소가 심각하게 제약됩니다.
• 가속, 진동, 충격: 가혹한 발사 단계에서 광범위한 주파수에 걸쳐 수십 gs를 발생합니다. 따라서 우주용 커넥터는 일반적으로 안전한 연결을 보장하기 위해 가능하면 잭스크루 또는 래칭 설계를 지정합니다.
• 가스 방출: 우주의 열 및 진공 조건은 커넥터의 가스 방출 속도를 증가시킵니다. 탄성 중합체, 플라스틱과 같은 소재는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 느리게 방출할 수 있습니다. VOC는 용해되거나, 갇히거나, 동결되거나, 기체 또는 증기로 소재에 흡수됩니다. 에폭시와 기타 일반 접착제도 이러한 VOC를 방출할 수 있으므로 특수 접착제가 필요합니다. VOC는 섬세한 기기 및 광학 표면과 간섭하여 핵심 장비의 성능에 심각한 영향을 줄 수 있는 오염을 일으킬 수 있습니다. 우주용 커넥터의 경우 VOC는 진공 밀폐 오븐에서 고온으로 커넥터를 베이킹하여 소재를 '드러나게' 합니다.
• 잔류 자기: 주변 회로 및 서브 시스템의 성능과 간섭하여 정밀 센서의 판독 오류로 이어질 수 있습니다. 잔류 자기를 최소화하려면 가능하면 구리 합금과 같은 자성이 없는 소재를 사용해야 합니다.
• 온도 범위: 우주용 커넥터의 확장 범위는 일반적으로 -65⁰C ~ +150⁰C입니다. 하지만 열 순환도 중요합니다. 열 순환에서 발생하는 반복된 응력은 미세 균열과 피로 골절을 유발할 수 있습니다. 일부 위성은 회전하여 태양을 향하는 면과 태양이 차단된 면 사이의 평균 온도를 안정되게 하도록 설계되었습니다. 이는 표면과 표면 하부에서 더 깊은 내부에 비해 여전히 상당한 열 순환이 발생할 수 있으므로 대형 위성에는 적합하지 않은 솔루션입니다. CubeSats와 같은 소형 위성에서는 거의 모든 부품이 표면에 상대적으로 가깝습니다.
• 우주 방사선: 위성의 작동 고도가 높아지고 지구의 보호 대기가 얇아질수록 우주 방사선은 증가합니다. 이 불가피한 방사선의 효과는 어떤 면에서 전자파 장해(EMI) 효과와 비슷합니다. 우주선의 금속 인클로저는 일정 수준의 보호를 제공하지만, 방사선의 영향을 받기 쉬운 회로 기판 또는 케이블을 추가적으로 차폐해야 할 수 있습니다.
• 플래시오버: 도체에서 가장 가까운 금속 표면으로 높은 전류가 지속적으로 방전되는 것입니다. 플래시오버는 공기 분자의 밀도와 우주 진공(극단적인 경우)에 따라 다른 전압 값에서 발생하므로, 커넥터의 정격 전압이 고도에 적합해야 합니다.
• 물리적 고려 사항: 커넥터와 케이블의 방향이 중요합니다. 위성은 매우 높은 밀도로 장착되며, 인기 있는 소형 CubeSats는 이 밀도를 한 차원 높이고 있습니다(그림 1). 단일 CubeSat 장치(U)는 10cm × 10cm × 10cm로 표준화되고, 전체 CubeSat 위성은 1U, 2U, 3U, 6U 또는 12U 크기일 수 있습니다.

그림 1: 널리 사용되고 있는 CubeSat 위성 설계는 다양한 증분 길이로 쌓을 수 있는 표준 소형 모듈 형식을 기반으로 합니다. (이미지 출처: Harwin)

케이블이 회로 기판에 세로로 직각으로 배치되도록 커넥터를 설계한 경우 커넥터와 케이블이 간섭하므로 CubeSat 내부 기판의 간격을 좁힐 수 없습니다. 하지만 가로 방향 커넥터와 결합 케이블 조립품은 pc 기판의 가장자리에서 스택 가장자리를 따라 측면으로 케이블을 연결하여 회로 기판 위에 필요한 간극을 줄임으로써 이 문제를 해결합니다.

모든 경우에 맞는 한 가지 해결책이란 지금도, 앞으로도 없습니다

다양한 상호 연결 경로의 전압, 전류, 주파수 및 성능 요구 사항이 서로 다르므로, 비록 이유는 다르지만 단일 커넥터 제품군이 대부분의 경우 심각하게 부족하거나 과할 수 있으며, 어느 경우든 허용되지 않습니다. 또한 우주용 커넥터를 정의하는 단일 '표준'이 없습니다. 대신 가스 방출과 같은 특정 성능 속성을 위한 표준이 있습니다. NASA 부품 선택 목록(NPSL)은 우주 기술용 부품 사양에 대한 지침으로 사용되며, 이러한 인증 부품 목록(QPL)에 등록된 부품은 우주 응용 분야에 적합합니다. 유럽에서 우주용 커넥터는 유럽 우주청(ESA/ESCC) 자격을 취득합니다.

커넥터를 선택하는 설계자는 커넥터 등급과 업무 핵심성을 조율해야 합니다. 과다 지정된 커넥터는 심각한 비용 및 가용성/리드 타임 문제로 이어질 수 있습니다. 동시에 부적절하거나 잘못 이해된 커넥터 문제로 인해 CubeSat이 조기에 실패할 경우 안타깝고 당혹스러울 수 있습니다. 따라서 커넥터 및 케이블 옵션과 비교하여 현실적인 관점에서 프로젝트 요구 사항을 제공해야 합니다.

요구 사항을 충족하는 많은 사용 가능한 선택 옵션

설계자가 선택과 우주용 요구 사항을 최적의 상태로 조율할 수 있도록 Harwin과 같은 벤더가 여러 커넥터 제품군을 제공합니다. 각 제품군은 접점 유형과 수, 정합 배열, 보존 옵션 및 기타 특징의 측면에서 여러 가지 변형이 있습니다. 관련 Harwin 커넥터 제품군 중에

• Mix-Tek Datamate 제품군은 광범위한 신호, 저력 및 동축 커넥터 구성을 제공하므로, 엔지니어가 응용 분야에 적합한 커넥터 배열을 선택할 수 있습니다(그림 2). 전력 접점은 최대 20A로 정격화되고 신호 접점은 3A를 처리하며 동축 접점은 50Ω 임피던스에서 6GHz의 성능을 제공합니다.

그림 2: Mix-Tek Datamate 계열은 신호(3A), 전력(20A) 및 동축 커넥터(6GHz) 조합을 지원합니다. (이미지 출처: Harwin)

Harwin의 네 가닥 베릴륨 구리 접점 클립과 함께 통전 접점을 사용하여 높은 안정성을 보장합니다. Mix-Tek 커넥터는 최대 50가지 저주파 접점 또는 12가지 특수(동축 또는 전력) 접점을 가진 다양한 기성 권선 및 기판 사양으로 제작됩니다. 2mm 피치 커넥터는 거의 모든 신호, 전력 및 동축 접점 조합과 결합될 수 있습니다.

• Kona 8.5mm 피치 고신뢰성 커넥터 제품군은 까다로운 환경을 위한 고품질 및 고전류 연결을 제공합니다(그림 3). 개별적으로 덮개가 있는 접점은 250회 결합 주기의 내구성 등급으로 접점당 3,000V에서 60A 연속 전류를 달성합니다. 6가닥 접점 설계는 베릴륨 구리 및 금도금으로 되어 있어 심한 충격과 진동에서도 전기적 연속성을 유지하며 케이블 대 기판 구성의 소형 단일 행 패키지로 제공됩니다.

그림 3: Kona 계열 8.5mm 피치 커넥터는 최대 60A 연속 전류와 접점당 3,000V를 지원합니다. (이미지 출처: Harwin)

• M300 전력 커넥터는 광범위한 고신뢰성 및 성능 전력 정격을 제공하며, 접점당 최대 10A의 콤팩트한 전원 연결을 달성하여 극한 조건에서 입증된 실적과 함께 가볍고 강력한 솔루션을 제공합니다(그림 4). 커넥터는 장착된 스테인리스강 잭 나사로 진동 및 충격으로부터 보호합니다.

그림 4: M300 전력 커넥터는 접점당 최대 10A에서 콤팩트한 전원 연결을 제공합니다. (이미지 출처: Harwin)

입증된 네 가닥 접촉 설계는 높은 진동 및 충격 환경에서도 전기적 연속성을 유지합니다. 이 3mm 피치 pc 기판 커넥터, 크림프 케이블 커넥터 및 기성품 케이블 조립품은 -65°C ~ +175°C를 견딜 수 있으며 1,000회 결합 주기 동안 내구성을 유지합니다.

특수 제품군을 구동하는 CubeSat

Gecko 커넥터 및 케이블 조립품 제품군은 CubeSat 응용 분야의 일부 차원을 따라 상대적으로 높은 볼륨 및 완화된 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다(그림 5). 이 커넥터는 로우 프로파일, 케이블 대 기판 및 기판 대 기판 상호 연결 솔루션을 제공하며, PCB 공간이 대단히 중요한 분야의 스택 및 케이블 정합에 특히 적합합니다.

그림 5: Gecko 로우 프로파일 커넥터 제품군은 광범위한 스타일, 구성 및 접점 수로 제공됩니다. (이미지 출처: Harwin)

Gecko 커넥터는 1.25mm 피치 고신뢰성 직사각형 커넥터이며, 교체 가능한 접점(별도 구매)과 함께 커넥터 하우징으로 공급됩니다. 이 커넥터는 케이블-배럴 크림프 접점 및 하우징을 사용하며 암/수 버전으로 제공됩니다. 세로 및 가로 스루홀 pc 기판 테일 커넥터와 세로 표면 실장 커넥터는 케이블 간, 케이블 대 기판 및 기판 간 상호 연결을 위한 것입니다.

Gecko 커넥터는 기존 산업 표준 제품 및 Micro-D보다 최대 45% 작고 최대 75% 가벼우며, 일반적인 무게는 약 1g입니다. 이 커넥터는 세 가지 버전으로 제공되며 상호 호환되지 않습니다.

• Gecko-SL(Screw-Lok) 커넥터 계열: 한 커넥터에 다른 커넥터에 안전하고 강력하게 상호 연결되는 부동 나사가 있습니다(그림 6). 또한 Screw-Loks에는 안전한 회로 기판 또는 인클로저 보존을 위한 기판 또는 패널 실장 스터드가 있습니다. 접점의 정력 전류는 분리된 접점당 2.8A 및 모든 접점 동시에 2.0A입니다. 이러한 커넥터는 기판을 고밀도로 쌓기 위해 가로 방향 커넥터와 정합 케이블 조립품 모두로 제공됩니다.

그림 6: Gecko-SL 계열 접점의 정력 전류는 분리된 접점당 2.8A이고 모든 접점 동시에 2.0A입니다. (이미지 출처: Harwin)

예를 들어 G125-3241696M2는 피치가 1.25mm인 16접점 패널 실장 직사각형 Gecko-SL 커넥터입니다(그림 7).

그림 7: Gecko-SL G125-3241696M2는 피치가 1.25mm인 16접점 패널 실장 직사각형 Gecko-SL 커넥터입니다. (이미지 출처: Harwin)

• Gecko-MT(혼합 기술): 이 커넥터는 Gecko-SL 계열의 혼합 레이아웃 버전입니다(그림 8). 1 + 8 + 1 또는 2 + 8 + 2 전력/데이터 구성에서 2개 ~ 4개의 10A 전력 접점으로 데이터 접점을 보완하여 Gecko-MT 제품은 전자 장비의 무게를 줄이고 충분한 공간을 확보합니다.

그림 8: Gecko-MT는 Gecko-SL 계열과 비슷하지만, 단일 커넥터 하우징에서 혼합 신호 및 전력 접점을 지원합니다. (이미지 출처: Harwin)

이 커넥터는 Gecko-SL 커넥터와 동일한 Screw-Lok 수정 버전의 케이블 또는 스루홀 구성과 다양한 신호(이중 행) 및 전력(단일 행) 접점 구성으로 제공됩니다.

G125-FV10805F1-1AB1ABP는 8개 신호 접점과 2개 전력 접점을 포함하는 10접점 Gecko-MT 리셉터클 커넥터이며, 단일 커넥터에서 여러 기능을 제공할 수 있습니다(그림 9).

그림 9: Gecko-MT 계열 G125-FV10805F1-1AB1ABP 커넥터는 8개 신호 접점과 2개 전력 접점을 실장합니다. (이미지 출처: Harwin)

• Gecko Latch(원래 설계): 이 제품군의 수 커넥터에는 암 정합 커넥터에 안전하게 연결할 수 있도록 해제하기 쉬운 잠금 래치가 장착되어 있습니다(그림 10).

그림 10: Gecko Latch 커넥터는 암/수 쌍 사이에 해제하기 쉬운 래치를 제공합니다. (이미지 출처: Harwin)

G125-FS12005LOR 20접점 표면 실장 리셉터클 커넥터는 Gecko Latch 설계의 한 예입니다(그림 11).

그림 11: G125-FS12005L0R 20접점 표면 실장 리셉터클 커넥터는 Gecko Latch 제품군 중 하나입니다. (이미지 출처: Harwin)

Gecko-SL 및 Latch 계열은 이중 행 구성에서 6개 ~ 50개 사이의 접점을 제공합니다. 커넥터 하우징은 잘못된 결합을 방지하기 위해 극성을 띠고 하우징 외부에 접점 번호 1이 표시되어 있습니다.

Gecko-SL 및 Gecko-MT 커넥터와 모두 호환되는 선택적 금속 백셸을 사용하면 기계, 무선 주파수(RF) 및 EMI 보호를 제공할 수 있습니다. 예를 들어 G125-9702002 백셸(후드)은 20접점 Gecko-SL 커넥터용으로 제공됩니다(그림 12).

그림 12: 20핀 Gecko-SL 커넥터용 G125-9702002와 같은 금속 백셸은 Gecko-SL 및 Gecko-MT 커넥터에 향상된 기계 및 EMI 보호를 추가할 수 있는 옵션을 제공합니다. (이미지 출처: Harwin)

백셸을 옵션을 제공함으로써 그러한 보호가 필요하지 않은 설계에서는 금속 인클로저로 커넥터 무게에 부담을 주지 않습니다. 유연성 강화를 위해 백셸은 커넥터가 아닌 회로 기판에 부착됩니다.

케이블 및 조립품을 잊지 마세요.

커넥터 선택에 시간과 에너지를 소비하기 쉽지만 이는 연결 과정의 일부일 뿐이며, 커넥터와 연결되는 케이블도 마찬가지로 중요합니다. 신호 유형과 설치에 따라 달라지는 상호 연결 옵션에는 기본 전선, 트위스티드 페어, 차폐 전선 및 동축 케이블이 있습니다. 설계자는 케이블 조립품을 선택할 때 5가지 옵션이 있습니다.

1. DIY(사내 제조)
2. 프리 크림프 접점 및 전선 사용
3. 기성 케이블 조립품 사용
4. 표준 제품을 변형한 완성된 주문 제작 케이블 조립품 지정
5. 요구 사항에 맞게 특별 제작되는 완전 맞춤형 케이블 조립품 지정

Gecko 커넥터의 광범위한 사용으로 많은 필요한 케이블 조립품이 표준 기성품으로 제공되므로 리드 타임과 불확실성이 감소됩니다.

예를 들어 G125-FC11205F0-0150F0는 길이가 150mm이고 직사각형 소켓 간 상호 연결을 위해 설계된 12접점 케이블 조립품입니다(그림 13).

그림 13: 케이블 및 전체 조립품은 완벽한 상호 연결을 구성합니다. 이 G125-FC11205F0-0150F0은 직사각형 소켓 간 상호 연결을 위한 12접점 150mm 길이 케이블 조립품이며 표준 부품으로 제공됩니다. (이미지 출처: Harwin)

결론

필요한 성능 브라켓에 대해 가능한 가장 작고 가장 가벼운 커넥터를 찾는 것이 중요하며 엄격한 개수 또는 목표가 필요하지 않은 경우 과도하게 지정해서는 안 됩니다.

공간과 무게가 모두 매우 중요하여 소형 위성을 로켓에 여러 층으로 쌓도록 설계하는 CubeSat 시장에서는 특히 그렇습니다.

널리 사용되고 있는 '대량 판매용' 위성의 경우 설계자가 Gecko 커넥터와 케이블 조립품을 사용하여 부품을 선택하는 과정에서 상충하는 여러 트레이드 오프를 조율하면서 성능과 비용을 관리할 수 있습니다.