Technologische Reifegrade für weltraumtaugliche Komponenten

Der Einsatz eines Produkts im Weltraum ist komplexer als die Markteinführung eines erdgebundenen Produkts. Komponenten im Weltraum müssen den Herausforderungen der Weltraumumgebung standhalten, während ihrer erwarteten Lebensdauer ohne Wartung zuverlässig funktionieren und die Gewichts- und Größenbeschränkungen des Starts einhalten.

In diesem Umfeld wenden sich Produktentwickler an QPS-Produkte (Qualified Parts for Space, für den Weltraum qualifizierte Komponenten), die bereits für den erfolgreichen Einsatz in Raumfahrtanwendungen entwickelt, getestet und geprüft wurden. QPS-Produkte haben den höchsten technologischen Reifegrad (TRL) erreicht, der von der National Aeronautics and Space Administration (NASA) definiert wurde.

TRLs von 1 bis 9 spiegeln den Weg eines Produkts vom Konzept bis zur erfolgreichen Performance wider (Abbildung 1). TRL 1 bis 3 konzentrieren sich auf eine Grundidee, die zu einer Machbarkeitsstudie entwickelt wird, die zeigt, wie das Produkt theoretisch funktionieren würde. Von TRL 4 bis TRL 6 werden die Teile einer ersten Prüfung und Simulation unterzogen. In den TRL 7 und 8 wird das Konzept durch den Praxistest eines Prototyps und die abschließende Demonstration der Technologie zur Anwendung gebracht.

Abbildung 1: Die TRLs der NASA bezeichnen den Weg eines weltraumtauglichen Produkts vom ersten Konzept bis zur nachgewiesenen Performance. Nur ein Bauteil mit einer TRL von 9 kann als QPS-Komponente akzeptiert werden, wenn es nach anerkannten Standards hergestellt und getestet wurde. (Bildquelle: Cinch Connectivity Solutions)

Produkte, die einen TRL von 9 erreichen, haben sich in realen Weltraumanwendungen bewährt. Zusätzlich zum Erreichen dieser hohen TRL-Stufe müssen die Teile bestimmte Testverfahren bestehen, um als QPS zu gelten. Die Normen, die diese Anforderungen regeln, variieren je nach Art des Teils. So müssen beispielsweise QPS-Dämpfungsglieder nach MIL-DTL-3933, Stufe T, geprüft werden, und für elektronische QPS-Steckverbinder gilt die EEE-INST-002 der NASA.

Das Verständnis der spezifischen Herausforderungen weltraumgestützter Anwendungen kann Entwicklern dabei helfen, vorhandene QPS-Produkte auszuwählen, die ihren Anforderungen entsprechen, den Weg zwischen Konzept und Einsatz zu verkürzen und das Produkt rechtzeitig und im Rahmen des Budgets auf den Markt zu bringen.

Überwindung der Ausgasung

Die Fähigkeit, in einem Vakuum und bei extremen Temperaturen zu arbeiten, ist eine der größten Hürden, die weltraumgestützte Komponenten überwinden müssen. Das Vakuum in der mittleren Erdumlaufbahn (MEO), 2000 km bis 35.786 km (etwa 1243 bis 22.236 Meilen) von der Erde entfernt, wo die Satelliten des globalen Systems zur Positionsbestimmung (GPS) arbeiten, beträgt durchschnittlich 1 mTorr bis 1 µTorr. Gleichzeitig sind die Bauteile in diesen und anderen Anwendungen Temperaturen von bis zu -270 °C im Schatten und bis zu +121 °C im direkten Sonnenlicht ausgesetzt.

Wenn Nichtmetallteile einem Vakuum und Wärme ausgesetzt werden, kann es zu Ausgasungen kommen, bei denen Gase, die während der Herstellung im Material eingeschlossen wurden, an die Oberfläche gelangen. Diese Migration kann zu Rissen im Material führen und es schwächen. Freigesetzte Gase können auch kondensieren und an anderen Teilen der Komponenten gefrieren und Schäden wie unscharfe Optiken und verschmutzte Sensoren verursachen.

Der Grad der Ausgasung wird durch den Gesamtmassenverlust (TML) eines Bauteils gemessen, wenn es einem Vakuum und Wärme ausgesetzt wird, ausgedrückt in Prozent der ursprünglichen Masse. Die Hersteller messen auch den Prozentsatz der sammelbaren flüchtigen kondensierbaren Stoffe (CVCM), d. h. die Menge der ausgegasten Stoffe, die an einer kälteren Oberfläche kondensieren. Beide Tests werden nach dem Protokoll ASTM E595 durchgeführt, bei dem die Probe 24 Stunden lang bei +125 °C und einem Druck von weniger als 5 x 10^-5 Torr gehalten wird.

Die meisten elektronischen Bauteile müssen Ausgasungstests bestehen, um als QPS bezeichnet zu werden, da sie nichtmetallische Isolier- und Abschirmungsmaterialien verwenden. Dies ist bei den weltraumgetesteten Micro-D-Steckern und -Sockeln Cinch Dura-Con™ (Abbildung 2) von Cinch Connectivity Solutions der Fall. Die Nichtmetalle in den Dura-Con-Steckverbindern, der Duroplast-Isolator um die Stifte und die ETFE-Drahtisolierung (Ethylen-Tetrafluorethylen) verlieren bei den Tests weniger als 1% ihrer Gesamtmasse und haben weniger als 0,01% CVCM.

Abbildung 2: Dura-Con-Steckverbinder verwenden ausgasungsarme Isoliermaterialien und übertreffen damit die EEE-INST-002-Norm der NASA für die Auswahl elektronischer Steckverbinder für LEO-Anwendungen. (Bildquelle: Cinch Connectivity Solutions)

Diese vernickelten Steckverbinder entsprechen der Norm MIL-DTL-83513 für elektrische Mikrominiatur-Rechtecksteckverbinder. Sie bieten Platz für neun bis 100 Pins auf einem Footprint von 0,775" bis 2,160" Breite und einer Höhe von 0,298" bis 0,384".

Aufgrund ihres Designs und ihrer geringen Ausgasung eignen sie sich für Anwendungen in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) in einer Höhe von bis zu 2000 km gemäß dem EEE-INST-002-Standard der NASA für die Auswahl elektronischer Steckverbinder. Das Hubble-Weltraumteleskop, die Internationale Raumstation und die Konstellationen von Mikrosatelliten, die die globale Telekommunikation ermöglichen, kreisen in dieser Zone.

Die Norm EEE-INST-002 kennt außerdem drei Stufen der Kritikalität für elektronische Steckverbinder. Steckverbinder der Stufe 1 sind unternehmenskritisch, Steckverbinder der Stufe 2 erfordern eine hohe Zuverlässigkeit und Steckverbinder der Stufe 3 sind für eine normale Zuverlässigkeit ausgelegt. Dura-Con-Steckverbinder sind auf Stufe 2 ausgelegt.

Reduzierung von Strahlungsstörungen

Zusätzlich zu den Gefahren des Vakuums und der extremen Temperaturen sind die Bauteile im Weltraum auch einer erhöhten Strahlung ausgesetzt. Ohne den Schutz der Erdatmosphäre sind diese Komponenten dem gesamten Spektrum der ultravioletten Strahlung (UV) ausgesetzt. Außerhalb der niedrigen Erdumlaufbahnen sind auch Gammastrahlen und andere ionisierende Strahlungsarten bedenklich. Strahlung kann die Lebensdauer von nichtmetallischen Komponenten verkürzen und elektromagnetische Signale durch Hochfrequenzstörungen (RFI) und elektromagnetische Störungen (EMI) im Allgemeinen beeinträchtigen.

Elektrische Steckverbinder, die dem entgegenwirken, wie die Trompeter-QPS-Steckverbinder von Cinch Connectivity Solutions, verfügen über eine robuste RFI- und EMI-Abschirmung, so dass sie die Datenbusspezifikation MIL-STD-1553B erfüllen.

Sie bestehen hauptsächlich aus Metall, darunter vergoldete Kontakte aus Berylliumkupfer und ein Gehäuse aus Nickel. Ein ausgasungsarmes dielektrisches Material aus Polytetrafluorethylen (PTFE) erreicht TMLs von weniger als 1,0% und CVCMs von weniger als 0,10%.

Die weltraumtaugliche Trompeter-Serie umfasst Miniatursteckverbinder in zwei Anschlussarten. TRB-Verbindungen sind bajonettartige Verschlüsse (Abbildung 3), während TRT-Verbindungen mit einem Schraubgewinde befestigt werden (Abbildung 4). Jeder Typ ist in verschiedenen Ausführungen erhältlich, die den Anschluss über Einbauverbindungen, am Ende von Kabeln oder über Leiterplatten ermöglichen.

Abbildung 3: Weltraumtaugliche TRB-Miniatur-Bajonettsteckverbinder haben eine hervorragende RFI- und EMI-Abschirmung und eine geringe Ausgasung. (Bildquelle: Cinch Connectivity Solutions)

Abbildung 4: Weltraumtaugliche TRT-Miniatursteckverbinder mit Gewinde können durch Schottverschraubungen, an Kabeln oder an Leiterplatten befestigt werden. (Bildquelle: Cinch Connectivity Solutions)

TRS-Subminiatur-Bajonettsteckverbinder (Abbildung 5) und TTS-Subminiatur-Gewindesteckverbinder (Abbildung 6) weisen die gleiche robuste Signalübertragung auf wie ihre größeren Gegenstücke. Ihre geringere Größe ermöglicht eine effizientere Nutzung des begrenzten Platzes auf Satelliten und anderen Orbitalfahrzeugen.

Subminiaturteile lösen auch ein weiteres Problem bei der Konstruktion von Raumfahrtanwendungen: die Kosten für den Start in die Umlaufbahn. Im Jahr 2025 betrugen die Kosten für den Start eines Kilogramms Masse in die niedrige Erdumlaufbahn 3000 USD. Das ist zwar um mehr als eine Größenordnung günstiger als die 50.000 USD/kg in der Space-Shuttle-Ära, führt aber immer noch zu hohen Kosten. Subminiatur-QPS-Steckverbinder können helfen, Gewicht zu reduzieren und Geld zu sparen.

Abbildung 5: Weltraumtaugliche TRS-Subminiatur-Bajonettsteckverbinder reduzieren das Startgewicht und die Kosten bei gleichzeitiger Beibehaltung einer hervorragenden Signalübertragungsleistung. (Bildquelle: Cinch Connectivity Solutions)

Abbildung 6: Die weltraumtauglichen TTS-Subminiatursteckverbinder mit Gewinde verwenden ausgasungsarme Isoliermaterialien und übertreffen damit die Norm EEE-INST-002 der NASA für die Auswahl elektronischer Steckverbinder für Anwendungen in niedrigen Erdumlaufbahnen. (Bildquelle: Cinch Connectivity Solutions)

Die geringe Ausgasung, das geringe Gewicht und die hohe Qualität der Signalübertragung von Trompeter-Steckverbindern haben dazu geführt, dass sie in Kommunikationssatelliten in niedrigen Erdumlaufbahnen, GPS-Satelliten in mittleren Erdumlaufbahnen und auf dem Mars in den Rovern der NASA eingesetzt werden.

Komponenten für den Start und einen langen Weltraumaufenthalt

Kostenerwägungen sind nicht die einzigen Herausforderungen bei der Entwicklung von Komponenten für den Start ins All. Die Teile müssen der Beschleunigung und den Vibrationen beim Start sowie den thermischen Schocks standhalten und nach diesen Schocks genauso gut funktionieren wie auf dem Prüfstand.

Die Norm MIL-DTL-3933 legt Qualifikations- und Abschirmungsanforderungen für ortsfeste Funk- und Mikrowellen-Dämpfungsglieder fest, die die Leistung von Signalen reduzieren, ohne deren Wellenformen zu verzerren. Die Norm enthält spezifische Leitlinien, die mit der Stufe T gekennzeichnet sind.

Die QPS-Dämpfungsglieder (Abbildung 7) wurden gemäß den Anforderungen von MIL-DTL-3933 Stufe T getestet und erfüllen diese. Sie bieten Dämpfungswerte von 0 dB bis 20 dB mit Genauigkeiten von ±0,3 dB bis ±0,7 dB. Sie bestehen aus Edelstahl und Berylliumkupfer mit einem PTFE-Dielektrikum und einer Fluorelastomerdichtung und erfüllen oder übertreffen die Ausgasungsanforderungen.

Abbildung 7: QPS-Dämpfungsglieder reduzieren die Leistung von Funk- oder Mikrowellensignalen von 0 dB auf 20 dB. Sie wurden bei GPS-Satelliten und interplanetaren Missionen eingesetzt. (Bildquelle: Cinch Connectivity Solutions)

Diese Dämpfungsglieder sind in drei Qualitätsstufen erhältlich, die der Endanwendung des Dämpfungsglieds entsprechen. Stufe A prüft alle Teile auf ihre Dämpfungseigenschaften vor und nach der Anwendung der Spitzenleistung und ist für Nicht-Fluganwendungen vorgesehen. Stufe B, die Mindestprüfung vor dem Weltraumflug, fügt der Bewertung Stressfaktoren wie Temperaturschock und Vakuumkonditionierung hinzu und wird für Teile von Satelliten verwendet, die in die niedrige Erdumlaufbahn gebracht werden. Stufe C erweitert den Prüfprozess um Temperaturwechsel und Vibrationen und wird für alle weltraumgebundenen Teile empfohlen, einschließlich solcher, die in die geostationäre Umlaufbahnen (35.786 km bzw. 22.234 Meilen von der Erde) und darüber hinaus gebracht werden.

Fazit

QPS-Komponenten, die bei früheren Raumfahrtmissionen eine TRL von 9 erreicht haben, haben eine lange, wartungsfreie Lebensdauer und halten extremen Temperaturen, Stößen, Vibrationen, Vakuum und Strahlung stand. Die Hersteller von QPS-Komponenten haben Prüfprotokolle entwickelt, die sicherstellen, dass 100% ihrer weltraumtauglichen Komponenten den Herausforderungen gewachsen sind, die der Betrieb in der Umlaufbahn oder im tiefen Weltraum heute und in Zukunft mit sich bringt.