So với việc đẩy sản phẩm từ Trái đất ra thị trường, việc phóng sản phẩm lên vũ trụ phức tạp hơn nhiều. Các thành phần trong không gian phải có khả năng chịu được những thách thức của môi trường không gian, hoạt động đáng tin cậy và không cần bảo trì trong thời gian sử dụng dự kiến, đồng thời hỗ trợ các giới hạn về trọng lượng và kích thước của việc phóng.
Trong môi trường này, các nhà thiết kế sản phẩm chuyển sang sử dụng các bộ phận đạt tiêu chuẩn hàng không vũ trụ (QPS) đã được thiết kế, thử nghiệm và đánh giá để sử dụng thành công trong các ứng dụng không gian. QPS đã đạt đến mức trưởng thành công nghệ tối đa (TRL) do Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia (NASA) của Hoa Kỳ đặt ra.
TRL được chia thành các cấp độ từ 1 đến 9, phản ánh quá trình sản phẩm từ giai đoạn ý tưởng đến hoạt động hoàn thiện (Hình 1). TRL 1 đến 3 trình bày cách thức hoạt động của sản phẩm về mặt lý thuyết, từ các khái niệm cơ bản đến xác nhận khái niệm. TRL 4 đến TRL 6 bao gồm thử nghiệm và mô phỏng sơ bộ. TRL 7 và 8 đã vượt qua thử nghiệm nguyên mẫu và trình diễn kỹ thuật cuối cùng, biến các ý tưởng thành hiện thực.
Hình ảnh quá trình TRL của NASA
Hình 1: NASA TRL thể hiện quy trình sản xuất các sản phẩm hàng không vũ trụ từ ý tưởng ban đầu đến giai đoạn hoàn thiện về hiệu suất. Chỉ các bộ phận có TRL bằng 9 mới có thể được coi là bộ phận QPS sau khi được sản xuất và thử nghiệm theo các tiêu chuẩn được công nhận. (Nguồn hình ảnh: Giải pháp kết nối Cinch)
Các sản phẩm có TRL đạt cấp độ 9 đã đạt được thành công trong ứng dụng thực tế không gian. Ngoài việc đạt được mức TRL cao này, các bộ phận cũng cần phải vượt qua các quy trình kiểm tra cụ thể để được coi là QPS. Các tiêu chuẩn để kiểm soát các yêu cầu này khác nhau tùy thuộc vào loại bộ phận. Ví dụ: bộ suy giảm QPS phải được kiểm tra theo tiêu chuẩn MIL-DTL-3933 T-level, trong khi các đầu nối điện tử QPS phải tuân theo tiêu chuẩn EEE-INST-002 của NASA.
Hiểu được những thách thức cụ thể mà các ứng dụng trên không gian gặp phải có thể giúp các nhà thiết kế chọn QPS hiện có với hiệu suất đáp ứng yêu cầu của họ, rút ngắn thời gian từ ý tưởng đến triển khai và đưa sản phẩm ra thị trường đúng thời gian và trong phạm vi ngân sách.
Khắc phục tình trạng khử khí
Khả năng hoạt động trong chân không và nhiệt độ khắc nghiệt là một trong những trở ngại lớn nhất mà các thành phần không gian phải vượt qua. Chân không trong quỹ đạo Trái đất trung bình (MEO) ở khoảng cách 1234 đến 22234 dặm tính từ Trái đất, nơi các vệ tinh của Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) hoạt động ở độ cao này, có độ chân không trung bình từ 1 mTorr đến 1 µ Torr. Đồng thời, các thành phần trong các ứng dụng này và các ứng dụng khác có nhiệt độ thấp tới -270 ° C trong bóng râm và cao tới +121 ° C dưới ánh sáng mặt trời trực tiếp.
Các bộ phận phi kim loại có thể bị "khử khí" khi tiếp xúc với môi trường chân không và nhiệt độ cao. Hiện tượng này đề cập đến sự di chuyển của các khí còn lại bên trong vật liệu trong quá trình sản xuất lên bề mặt. Sự di chuyển này có thể dẫn đến các vết nứt bên trong vật liệu, do đó làm suy yếu sức mạnh của nó. Khí thoát ra cũng có thể ngưng tụ và đóng băng trên các bộ phận khác, gây hư hỏng cho các bộ phận quang học như mờ và tắc nghẽn cảm biến.
Mức độ nghiêm trọng của quá trình khử khí được đo bằng tổng tổn thất khối lượng (TML) của bộ phận trong điều kiện chân không và nhiệt, được biểu thị bằng phần trăm khối lượng ban đầu. Các nhà sản xuất cũng đo tỷ lệ phần trăm vật liệu ngưng tụ dễ bay hơi (CVCM) có thể được thu thập, tức là lượng vật liệu đã khử khí ngưng tụ trên bề mặt lạnh hơn. Cả hai thử nghiệm đều được tiến hành theo giao thức ASTM E595, yêu cầu các mẫu phải được giữ ở nhiệt độ +125°C và dưới 5 x10-5 Torr trong 24 giờ.
Hầu hết các linh kiện điện tử phải trải qua thử nghiệm khử khí để được chỉ định là bộ phận QPS do sử dụng vật liệu cách nhiệt và che chắn phi kim loại. Cinch Dura Con từ Cinch Connectivity Solutions ™ Phích cắm và ổ cắm micro-D được bảo vệ không gian (Hình 2) đang ở trong tình huống này. Lớp cách điện phi kim loại, nhiệt rắn xung quanh các chân cắm và lớp cách điện dây ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) trong đầu nối Dura Con có tổn hao ít hơn 1% tổng trọng lượng của chúng và CVCM nhỏ hơn 0,01% trong quá trình thử nghiệm.
Hình ảnh đầu nối TE Connectivity Dura Con
Hình 2: Đầu nối Dura Con sử dụng vật liệu cách nhiệt có khả năng khử khí thấp, vượt quá yêu cầu của tiêu chuẩn EEE-INST-002 của NASA dành cho đầu nối điện tử ứng dụng LEO. (Nguồn hình ảnh: Giải pháp kết nối Cinch)
Các đầu nối mạ niken này tuân thủ tiêu chuẩn MIL-DTL-83513 và phù hợp với các đầu nối điện hình chữ nhật siêu nhỏ. Chúng có thể chứa từ 9 đến 100 vị trí kim, với chiều rộng cơ sở từ 0,775 "đến 2,160" và chiều cao từ 0,298 "đến 0,384".
Theo tiêu chí lựa chọn đầu nối điện tử EEE-INST-002 của NASA, thiết kế và mức độ khử khí thấp của các đầu nối này khiến chúng phù hợp với quỹ đạo Trái đất thấp (LEO) ở độ cao lên tới 1.200 dặm. Kính viễn vọng Không gian Hubble, Trạm Vũ trụ Quốc tế và một chòm sao vệ tinh siêu nhỏ giúp tạo ra khả năng viễn thông toàn cầu đều đang hoạt động trên quỹ đạo trong khu vực này.
Tiêu chuẩn EEE-INST-002 cũng chỉ định ba mức độ quan trọng đối với các đầu nối điện tử. Đầu nối Cấp 1 là đầu nối quan trọng cho sứ mệnh, đầu nối Cấp 2 yêu cầu độ tin cậy cao và đầu nối Cấp 3 là mức độ tin cậy tiêu chuẩn. Đầu nối Dura Con được phân loại là cấp 2.
Giảm nhiễu bức xạ
Ngoài mối nguy hiểm từ chân không và nhiệt độ khắc nghiệt, các bộ phận trong không gian cũng phải có khả năng chịu được mức bức xạ cao hơn. Nếu không có sự bảo vệ của bầu khí quyển Trái đất, các thành phần này sẽ tiếp xúc với bức xạ cực tím (UV) toàn phổ. Ngoài quỹ đạo thấp của Trái đất, tia gamma và các bức xạ ion hóa khác cũng là mối lo ngại. Bức xạ có thể rút ngắn tuổi thọ của các thành phần phi kim loại và thường làm giảm chất lượng tín hiệu điện từ thông qua nhiễu tần số vô tuyến (RFI) và nhiễu điện từ (EMI).
Các đầu nối điện như đầu nối điện Tromper QPS của Cinch Connectivity Solutions, có thể giải quyết vấn đề này, có chức năng che chắn nhiễu RF và nhiễu điện từ mạnh, đồng thời có thể đáp ứng các yêu cầu của thông số kỹ thuật bus dữ liệu MIL-STD-1553B.
Chúng cũng chủ yếu được làm bằng kim loại, bao gồm các điểm tiếp xúc bằng đồng berili mạ vàng và chất nền niken. Vật liệu điện môi polytetrafluoroethylene (PTFE) khử khí thấp có thể đạt được TML dưới 1,0% và CVCM dưới 0,10%.
Dòng Tromper cấp độ không gian bao gồm hai loại đầu nối nhỏ để kết nối. Đầu nối TRB sử dụng khóa lưỡi lê (Hình 3), trong khi đầu nối TRT sử dụng kết nối ren (Hình 4). Mỗi loại cung cấp nhiều thiết kế để cho phép kết nối thông qua bảng mạch, đầu cáp hoặc bảng mạch in (PCB).