Raumfahrttaugliche Steckverbinder

Elektronische und elektrische Komponenten sowie ihre Verbindungen sind beim Start und der Einbringung von LEO (Low Earth Orbit)-Satelliten in die niedrige Erdumlaufbahn extremen Belastungen ausgesetzt. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist für die vielen privaten Raumfahrtunternehmen und staatlichen Raumfahrtagenturen, die Pionierarbeit auf dem Gebiet der LEO-Satelliten leisten, von entscheidender Bedeutung.

Für LEO-Missionen müssen die Verbindungen u.a. hohe Anforderungen in Bezug auf Schwingungen, elektrostatische Entladungen, Ausgasungen, extreme Temperaturen (von –270 °C bis 200 °C) sowie Größe, Gewicht und Leistung (SWaP) erfüllen. Das Verständnis der Faktoren, die Kosten und Leistung von Steckverbindern für Raumfahrzeuge beeinflussen, kann Entwicklern helfen, missionsentscheidende Ziele für Trägerraketen, LEO-Satelliten und Konstellationen zu erreichen, die in der heutigen Raumfahrtindustrie eingesetzt werden.

In den letzten Jahren sind die Kosten für den Start eines Kilogramms Nutzlast in den Weltraum deutlich gesunken, was unter anderem auf die Wiederverwendbarkeit wichtiger Komponenten der Trägerrakete zurückzuführen ist. 

Die Reduzierung der Größe und des Gewichts der Verbindung ist jedoch mit Kompromissen verbunden. Je kleiner die Abmessungen werden, desto schwieriger wird es, genaue Toleranzen einzuhalten. Da die Materialien an Festigkeit verlieren, ist es schwierig, die Festigkeit, die Gegensteckarretierung und die Widerstandsfähigkeit gegen mechanische Beanspruchung aufrechtzuerhalten.

Materialeigenschaften, Qualität und Toleranzen müssen validiert werden, um die hohe Leistung von leichten, miniaturisierten Steckverbindern für Raumfahrzeuge zu gewährleisten. Alles in der Lieferkette – einschließlich der Rohmaterialien und der montierten Teile – muss definierten Normen entsprechen, die von den Unternehmen entwickelt wurden:

• NASA
• U.S. Department of Defense (DoD)
• SAE International
• Internationale Organisation für Normung
• Europäische Weltraumorganisation
• Indian Space Research Organisation
• Japan Aerospace Exploration Agency

Nach der Endmontage müssen die Teile einzeln auf Fehlerfreiheit geprüft werden, um einen dauerhaften Betrieb in der rauen Weltraumumgebung zu gewährleisten.

Die Schwingungen im Weltraum mögen minimal sein – beim Start sind sie erheblich. Die Bewegung von einer Seite zur anderen (laterale Achse) und von vorne nach hinten (Schubachse) kann zu einer Fehlausrichtung oder einem Bruch der Kontaktfläche führen.

Schäden treten typischerweise an losen oder unsachgemäß gecrimpten Verbindungen, an Drahtfehlern und Ermüdungspunkten oder dort auf, wo unzureichende Abstände oder schlecht verbundene Stellen Kratzabrieb ermöglichen.

Um den Auswirkungen von extremen Schwingungen, Lärm und Erschütterungen zu widerstehen, müssen viele Faktoren berücksichtigt werden, wie z. B:

• Verriegelungskräfte

• Verriegelungsmechanismen 

• Ermüdung von Drähten      

• Schweiß-/Lötverbindungen      

• Vergussmaterialien      

• Isolierung

Die Temperatur im Vakuum des Weltraums beträgt 2,725 Kelvin (–454,72 °F/–270,4 °C). Die Bordsysteme von LEO-Satelliten arbeiten jedoch in einem Bereich von –65 °C bis 125 °C, abhängig von der Höhe des Orbits, der durch die Rotation des Satelliten moderierten Sonneneinstrahlung und der durch die Elektronik erzeugten Wärme. Komponenten des Antriebssystems, externe Verriegelungen, Sensoren und Solarmodule sind extremen Temperaturen ausgesetzt.

Temperaturzyklen, hohe Spitzentemperaturen und tiefe kryogene Temperaturen führen zu Spannungen in Metall-, Glas- und Polymerwerkstoffen, die kleine Defekte vergrößern, die Festigkeit verringern und die Leistung beeinträchtigen. Höhere Temperaturen erhöhen auch den Dampfdruck und die Geschwindigkeit der chemischen Reaktion, wodurch die Ausgasung zunimmt. 

Für jede Komponente – von Drähten und Kabeln bis hin zu Steckverbindern und Relais – müssen Materialien ausgewählt werden, die den Spitzentemperaturen und den Belastungen durch Temperaturschwankungen standhalten.

Ausgasen tritt auf, wenn Gase, die in nichtmetallischen Materialien eingeschlossen sind, wie z. B. in Polymeren, die in Steckverbindern, Abdichtungen, Klebstoffen oder Vergussmassen verwendet werden, im Vakuum des Weltraums oder bei hohen Temperaturen freigesetzt werden. Die freigesetzten Gase können auf empfindlichen Oberflächen kondensieren und diese verunreinigen, was schließlich die Leistung von CCD-Sensoren (Charge Coupled Device) in Satelliten, Wärmestrahlern oder Solarzellen beeinträchtigen kann. Darüber hinaus trägt das aus den Materialien austretende Gas zu kritischen Druckregimen während der Bodenprüfung und des Flugs bei, die die Umgebung für eine (partielle) Koronaentladung oder einen (vollständigen) elektrischen Durchschlag nach Paschen schaffen. 

NASA ASTM E595-77/84/90 Prüfungen und MIL-W-22759 (M22759) | Die SAE AS22759 Spezifikation deckt das Verhalten eines Materials ab, wenn er hoher Hitze oder Vakuum ausgesetzt ist. Alles, was als Material mit geringer Ausgasung gilt, muss die Anforderungen an den Gesamtmassenverlust von 1,00 % oder weniger und an das gesammelte flüchtige kondensierbare Material (CVCM) von 0,10 % oder weniger erfüllen.

Anorganische Werkstoffe sind unempfindlich gegen Ausgasung und können z. B. in chemisch vernickelten Aluminium-Steckverbindergehäusen eingesetzt werden. Es können auch Materialien ausgewählt werden, die die Anforderungen der NASA an wenig Ausgasen bei der Ausheizprüfung in Wärmeöfen erfüllen.

Es wird berichtet, dass 54 % der Anomalien oder Ausfälle von Raumfahrzeugen durch elektrostatische Entladungen und Aufladungen verursacht werden. 

Auf der Erde kann sich ein Material elektrisch aufladen, wenn elektrisch unterschiedliche Materialien aneinander reiben. In Drähten und Kabeln, die in Raumfahrzeugen verwendet werden, kann jedoch durch den Aufprall geladener Teilchen auf das Material eine statische Aufladung entstehen. Jenseits der niedrigen Erdumlaufbahn werden die ESD-Bedenken für Satelliten in geosynchroner Umlaufbahn (GEO) aufgrund der höheren Ladungsdichte im Weltraum größer. Wenn sich Ladungen in Drähten und Kabeln elektrischer Verbindungssysteme ansammeln, kann eine plötzliche Entladung angeschlossene Logikschaltungen, elektronische Instrumente und Computerchips beschädigen.

Die Geschwindigkeit und das Ausmaß einer elektrostatischen Entladung werden durch die Fähigkeit eines Materials, eine Ladung zu halten (Kapazität), und durch seine Fähigkeit, den Elektronenfluss zu behindern (Widerstand), bestimmt. Eine Lösung ist die Verwendung einer metallischen Abschirmung, um einen Pfad zu schaffen, der den Elektronenfluss zur Ableitung der Ladung begünstigt.

Die magnetische Durchlässigkeit – mit dem griechischen Buchstaben Q bezeichnet – ist die Fähigkeit eines Materials, ein Magnetfeld zu erzeugen. Materialien mit einem hohen Q-Wert werden stark magnetisch, wenn ein Magnetfeld angelegt wird; Materialien mit einem niedrigen Q-Wert sind weniger reaktiv und haben einen geringeren Magnetismus. Während hochmagnetische Materialien für einige Raumfahrtanwendungen geeignet sind, können hochmagnetische Materialien in der Elektronik die Schaltungsleistung, Signalklarheit und Messgenauigkeit beeinträchtigen. 

In der Regel sind weltraumtaugliche Steckverbinder und andere Verbindungskomponenten mit einer maximalen Durchlässigkeit von 2 Q oder weniger erforderlich. Um eine niedrige Qualität zu gewährleisten, müssen Entwickler ferromagnetische Materialien wie Kohlenstoffstahl vermeiden, der üblicherweise in älteren MIL-DTL-24308 D-Subminiatur-Steckverbindern verwendet wird.

Nicht-ferromagnetische Materialien – wie Aluminium, Kupfer, Titan und austenitischer Edelstahl – haben im Allgemeinen eine niedrige Q. Beispielsweise wird Aluminium mit einer chemisch vernickelten Oberfläche häufig als Gehäusematerial für Steckverbinder verwendet.  

Für Raumfahrtanwendungen können auch Verbindungen mit geringem Restmagnetismus, auch als geringe Magnetfeldhaltung bezeichnet, erforderlich sein. So werden z. B. für D-Subminiatur-Steckverbinder typischerweise Messing-Außengehäusematerialien mit Gold-über-Kupfer-Lackierung verwendet.

Korrosion wirkt sich im Weltraum anders auf Verbindungen aus als auf der Erde. Bei der Herstellung und Lagerung von Raumfahrzeugen auf der Erde kann es zu galvanischer Korrosion kommen, wenn zwei unterschiedliche Beschichtungsmaterialien in Gegenwart eines Elektrolyten in direkten elektrischen Kontakt miteinander kommen. Im Kontaktbereich wirkt das weniger widerstandsfähige Material als Anode und das andere als Kathode, wodurch eine galvanische Zelle entsteht, die die Anode angreift – oder korrodiert. 

Im Weltraum in niedrigen Erdumlaufbahnen zwischen 200 km und 700 km (LEO-Höhen) wird durch UV-Anregung der verbliebenen O2-Moleküle am Rand der Atmosphäre einatomiger Sauerstoff gebildet. Atomare Sauerstoffkorrosion (ATOX) tritt auf, wenn diese hochreaktiven einatomigen Sauerstoffmoleküle Aluminium und Kunststoffe angreifen.

Einige Materialien, die üblicherweise in kommerziellen Steckverbindern verwendet werden, sind für Steckverbinder in Raumfahrzeugen nicht geeignet. Zum Beispiel:

• Eine 100%ige Verzinnung kann zu „Zinnwhiskern“ führen, die katastrophale elektrische Kurzschlüsse verursachen können. 
• Die Beschichtung ist stark von ATOX-Korrosion betroffen. 
• Cadmium ist im Vakuum instabil. 
• Kunststoffe reagieren sehr empfindlich auf ATOX und auf ionisierende Strahlung. 

Der ideale Schutz gegen galvanische Korrosion ist die Verwendung des gleichen Materials für beide Kontakte: Aluminium mit Aluminium, Zink mit Zink usw. Eine Alternative ist die Verwendung von Materialien mit niedrigem galvanischem Potential, wie z. B. weltraumgeeignete Polymere, thermoplastische Verbundwerkstoffe und Glas (Glasfaser). Beschichtungen und Überzüge können mit Legierungen verwendet werden, um die Bildung einer Elektrolysezelle zu verhindern. Verdrahtungen und Kontakte aus Kupferlegierungen weisen in Verbindung mit Nickel, Zinn und Silber ein relativ niedriges galvanisches Potenzial auf. Die Goldbeschichtung (Au) ist beständig gegen ATOX-Korrosion, da Gold (Au) ein Edelmetall ist, das normalerweise oxidationsbeständig ist. Siliziumdioxidbeschichtungen können Polymere vor ATOX-Korrosion schützen, da SiO2 bereits vollständig oxidiert ist.