En la última década, las naves espaciales en órbita terrestre se han convertido en grandes industrias con aplicaciones de gran consumo. Esto ha dado lugar al despliegue de un gran número de satélites con una amplia variedad de misiones que operan en órbitas terrestres bajas, medias y geoestacionarias (LEO, MEO, GEO). Independientemente de su tamaño, origen o misión, todos estos satélites tienen un factor común en su lista de materiales (BOM): la necesidad de muchos conectores eléctricos y cableado para la señal y la energía.

Aunque no tengan el factor de glamour de la electrónica activa a bordo o de la misión más amplia del satélite, su rendimiento, fiabilidad y constancia son vitales para el diseño del satélite, su despliegue y la duración del objetivo. Por ello, la selección y aplicación de interconexiones adecuadas es un factor importante para el éxito de la misión. Deben proporcionar una funcionalidad básica minimizando el tamaño y el peso y, al mismo tiempo, deben cumplir con los mandatos de fiabilidad y resistencia únicos que se requieren para el lanzamiento y el vuelo espacial.

Afortunadamente, debido a la necesidad del siglo XXI de un volumen relativamente alto de interconexiones, los conectores y el cableado calificados para el espacio son ahora componentes estándar disponibles en los proveedores a través de los distribuidores, lo que supone un cambio importante con respecto a hace apenas una o dos décadas, cuando eran artículos especializados, a menudo por encargo.

Este artículo examina los requisitos de los conectores y cables calificados para el espacio y su adecuada selección. A continuación, presenta soluciones reales de Harwin que pueden ayudar a garantizar el éxito de la misión.

Requisitos de cables y conectores para el espacio

Los lanzamientos de satélites LEO, MEO y GEO, que antes eran principalmente misiones de la NASA con naves esotéricas o satélites de comunicaciones/navegación, se han convertido en acontecimientos casi rutinarios. Algunos de estos lanzamientos dan lugar al despliegue de una docena o más de satélites, entre los que se encuentran las pequeñas y populares unidades CubeSat desarrolladas en universidades, algunos institutos e incluso grupos científicos de aficionados.

Sin embargo, el espacio es un entorno duro para los componentes electrónicos de todo tipo. Entre los posibles problemas se encuentran las conexiones intermitentes, el rendimiento por debajo de las especificaciones e incluso el fracaso absoluto. Estos problemas comienzan con la vibración del lanzamiento y se extienden a través del frío y el vacío del uso orbital y más allá.

Estas cuestiones plantean muchas exigencias en el rendimiento de los conectores, así como restricciones en el diseño y la implementación de los mismos. Todos ellos están unidos por el amplio término de las prioridades de fiabilidad y la impracticabilidad o imposibilidad de reparación o sustitución en vuelo. Junto con el tamaño, el peso, los golpes y las vibraciones, otros problemas son la desgasificación, el magnetismo residual, las temperaturas extremas y los ciclos térmicos, la radiación cósmica, los fogonazos y la orientación de los conectores:

• Peso y tamaño (volumen): Un vehículo espacial y su satélite están muy limitados en estos dos factores por la eficiencia del combustible y por el hecho de que cada centímetro cúbico de volumen es precioso en un diseño espacial de volumen limitado.
• Aceleración, vibración y choque: La dura fase de lanzamiento provoca decenas de gs en una amplia gama de frecuencias. Por esta razón, los conectores con clasificación de espacio suelen especificar tornillos de fijación o diseños de enclavamiento siempre que sea posible para garantizar una conexión segura.
• Desgasificación: El calor y las condiciones de vacío del espacio aumentan la tasa de desgasificación de los conectores. Materiales como los elastómeros y los plásticos pueden liberar lentamente compuestos orgánicos volátiles (COV) que fueron disueltos, atrapados, congelados o absorbidos en el material como gas o vapor. Incluso el epoxi y otros adhesivos habituales pueden liberar estos COV, lo que obliga a utilizar adhesivos especiales. Los COV pueden dar lugar a una contaminación que puede afectar gravemente al rendimiento de los equipos de misión crítica al interferir con los instrumentos delicados y las superficies ópticas. En el caso de un conector con clasificación espacial, los COV se "expulsan" del material mediante la cocción de los conectores a una temperatura elevada en un horno sellado al vacío.
• Magnetismo residual: Puede interferir en el funcionamiento de los circuitos y subsistemas cercanos, provocando lecturas erróneas de los sensores de precisión. Para minimizarlo puede ser necesario utilizar materiales no magnéticos cuando sea posible, como las aleaciones de cobre.
• Rango de temperaturas: El rango ampliado para los conectores con clasificación espacial suele ser de -65 ⁰C a +150 ⁰C. Sin embargo, los ciclos térmicos también son motivo de preocupación: las tensiones repetidas que resultan de dichos ciclos pueden inducir microfisuras y, finalmente, fracturas por fatiga. Algunos satélites están diseñados para girar con el fin de igualar su temperatura media entre los lados orientados al sol y los que están a la sombra. Esta es una solución inadecuada para los satélites más grandes, ya que la superficie y la subsuperficie pueden seguir estando sometidas a ciclos térmicos importantes en comparación con sus interiores más profundos. En los satélites pequeños, como los CubeSats, casi todos los componentes están relativamente cerca de la superficie.
• Radiación cósmica: Aumenta a medida que aumenta la altitud de funcionamiento del satélite y se reduce la atmósfera protectora de la Tierra. Los efectos de esta radiación inevitable son similares en cierto modo a los efectos de las interferencias electromagnéticas (EMI). Aunque la carcasa metálica de la nave espacial proporcionará cierto nivel de protección, puede ser necesario incluir un blindaje adicional en las placas de circuitos o en los cables que son susceptibles de recibir impactos de radiaciones.
• Salto de corriente: Es una descarga eléctrica continua de alta corriente desde un conductor hasta la superficie metálica más cercana. Las descargas eléctricas se producen a diferentes valores de tensión en función de la densidad de las moléculas de aire, siendo el vacío del espacio el caso extremo, por lo que los conectores deben tener una tensión nominal adecuada a la altitud.
• Consideraciones físicas: La orientación del conector y su cable es fundamental. Obviamente, los satélites están densamente empaquetados, y los populares pero diminutos CubeSats están llevando esta densidad a un nuevo nivel (Figura 1). Una unidad (U) de CubeSat está estandarizada en 10 × 10 × 10 centímetros (cm), y un satélite CubeSat completo puede tener un tamaño de 1U, 2U, 3U, 6U o 12U.

Figura 1: El popular diseño de los satélites CubeSat se basa en un formato de módulo pequeño estándar que permite el apilamiento en varias longitudes incrementales. (Fuente de la imagen: Harwin)

Si el conector se diseña de forma que los cables se orienten verticalmente en ángulo recto con respecto a la placa de circuito, las placas dentro del CubeSat no pueden estar muy espaciadas, ya que el conector y el cable interferirán. Sin embargo, los conectores horizontales y los conjuntos de cables de acoplamiento solucionan este problema dirigiendo los cables desde el borde de la placa de circuito impreso de forma lateral alrededor del borde de la pila, reduciendo así el espacio libre necesario por encima de la placa de circuito.

El tamaño único no sirve para todos, y probablemente nunca lo hará.

Los diferentes voltajes, corrientes, frecuencias y otros requisitos de rendimiento de las distintas vías de interconexión hacen que una sola familia de conectores esté muy por debajo o por encima de las especificaciones en muchas situaciones, y ninguna de estas condiciones es aceptable, aunque por diferentes razones. Además, no existe una "norma" única que defina un conector con clasificación espacial. En cambio, hay normas para atributos de rendimiento específicos, como la desgasificación. La lista de selección de piezas de la NASA (NPSL) se utiliza como guía para la especificación de componentes para las tecnologías espaciales, y los componentes de estas listas de piezas cualificadas (QPL) son específicos para las aplicaciones espaciales. En Europa, los conectores de grado espacial llevan la calificación de la Agencia Espacial Europea (ESA/ESCC).

El diseñador que selecciona los conectores debe encontrar un equilibrio entre los valores nominales del conector y la criticidad de la misión. La especificación excesiva de los conectores puede dar lugar a graves problemas de costo y disponibilidad/plazo. Al mismo tiempo, sería desafortunado y frustrante que un CubeSat fallara prematuramente debido a problemas de conexión inadecuados o mal entendidos. Por ello, es importante ofrecer una perspectiva realista de los requisitos del proyecto frente a las opciones de conectores y cables.

Muchas opciones disponibles para adaptarse a las necesidades

Para que los diseñadores puedan adaptar de forma óptima sus selecciones frente a las exigencias de espacio, los proveedores como Harwin ofrecen múltiples familias de conectores. Cada familia, a su vez, tiene múltiples variaciones en cuanto a tipo y número de contactos, disposición de los mismos, opciones de retención y otras características. Entre las familias de conectores Harwin más relevantes se encuentran:

• La gama Mix-Tek Datamate ofrece una amplia gama de configuraciones para conectores de señal, alimentación y coaxiales, lo que permite a los ingenieros seleccionar las disposiciones de los conectores que mejor se adaptan a sus aplicaciones (Figura 2). Los contactos de alimentación tienen una capacidad de hasta 20 amperios (A), los contactos de señal manejan 3 A y los contactos coaxiales proporcionan un rendimiento de 6 gigahercios (GHz) con una impedancia de 50 ohmios (Ω).

Figura 2: La serie Mix-Tek Datamate admite combinaciones de señal (3 A), potencia (20 A) y conectores coaxiales (6 GHz). (Fuente de la imagen: Harwin)

La alta fiabilidad se debe al uso de contactos torneados junto con los clips de contacto de cobre de berilio de cuatro dedos de Harwin. Los conectores Mix-Tek están disponibles en una variedad de configuraciones preparadas para cables y placas con un máximo de 50 contactos de baja frecuencia o 12 contactos especiales (coaxiales y de potencia). Los conectores, con un paso de 2 mm, pueden mezclarse y combinarse con casi cualquier combinación de contactos de señal, alimentación y coaxiales.

• La familia de conectores de alta fiabilidad Kona de 8.5 mm de paso proporciona una conexión de alta calidad y alta corriente para entornos exigentes (Figura 3). Los contactos con revestimiento individual alcanzan una corriente continua de 60 A a 3000 voltios por contacto, con un índice de durabilidad de 250 ciclos de acoplamiento. El diseño de los contactos de seis dedos es de cobre de berilio y está chapado en oro para mantener la continuidad eléctrica bajo fuertes golpes y vibraciones, y está disponible en un paquete compacto de una sola fila en configuraciones de cable a placa.

Figura 3: La serie Kona de conectores de 8.5 mm de paso admite hasta 60 A de corriente continua y 3000 voltios por contacto. (Fuente de la imagen: Harwin)

• Los conectores de alimentación M300 ofrecen una gama de potencias de alta fiabilidad y rendimiento, y consiguen una conexión de alimentación compacta con hasta 10 A por contacto, proporcionando así una solución ligera y resistente con un historial probado en condiciones extremas (Figura 4). Los conectores están protegidos contra las vibraciones y los golpes con tornillos de acero inoxidable.

Figura 4: Los conectores de alimentación M300 proporcionan una conexión de alimentación compacta de hasta 10 A por contacto. (Fuente de la imagen: Harwin)

El diseño probado de los contactos de cuatro dedos mantiene la continuidad eléctrica a pesar de los entornos de altas vibraciones y golpes. Estos conectores de placa de circuito impreso con paso de 3 mm, conectores de cable de engarce y conjuntos de cables preparados son capaces de soportar desde -65 °C hasta +175 °C y son duraderos durante 1000 ciclos de acoplamiento.

El CubeSat impulsa una familia especial

La familia de conectores y conjuntos de cables Gecko está diseñada para responder a un volumen relativamente alto y a unos requisitos menos estrictos en algunas dimensiones para las aplicaciones de CubeSat (Figura 5). Estos conectores proporcionan una solución de interconexión de bajo perfil, de cable a placa y de placa a placa, y son especialmente adecuados para el apilamiento y el acoplamiento de cables en áreas donde el espacio de la placa de circuito impreso es escaso.

Figura 5: La familia Gecko de conectores de bajo perfil está disponible en una amplia gama de estilos, configuraciones y número de contactos. (Fuente de la imagen: Harwin)

Los conectores Gecko tienen un paso de 1.25 mm, son conectores rectangulares de alta fiabilidad y se suministran como carcasas de conectores con contactos reemplazables que se piden por separado. Los conectores utilizan contactos de engarce de barril de cable y carcasas y están disponibles en versiones macho y hembra; los conectores de cola de placa de circuito impreso con orificios verticales y horizontales y los conectores verticales de montaje en superficie están destinados a la interconexión de cable a cable, de cable a placa y de placa a placa.

Los conectores Gecko son hasta un 45% más pequeños y hasta un 75% más ligeros que los equivalentes estándar de la industria y los Micro-D, con un peso típico de aproximadamente 1 gramo (g). Se ofrecen en tres variantes que no son intermatables:

• Serie de conectores Gecko-SL (Screw-Lok): Un conector tiene tornillos flotantes para una interconexión segura y resistente con su homólogo (Figura 6). Los Screw-Loks también pueden tener espárragos de montaje en placa o panel para la retención segura de la placa de circuito o de la caja. Los contactos tienen una potencia nominal de 2.8 A por contacto aislado y 2.0 A para todos los contactos simultáneamente. Estos conectores se ofrecen como conectores horizontales y conjuntos de cables de acoplamiento para el apilamiento de placas de alta densidad.

Figura 6: Los contactos de la serie Gecko-SL tienen una potencia nominal de 2.8 A por contacto aislado y 2.0 A para todos los contactos simultáneamente. (Fuente de la imagen: Harwin)

Por ejemplo, el G125-3241696M2 es un conector Gecko-SL rectangular de 16 contactos para montaje en panel con un paso de 1,25 mm (Figura 7).

Figura 7: El Gecko-SL G125-3241696M2 es un conector Gecko-SL rectangular de 16 contactos para montaje en panel con un paso de 1.25 mm. (Fuente de la imagen: Harwin)

• Gecko-MT (tecnología mixta): Estos conectores son versiones de diseño mixto de la serie Gecko-SL (Figura 8). Al complementar los contactos de datos con dos o cuatro contactos de potencia de 10 A en configuraciones de potencia/datos de 1 + 8 + 1 o 2 + 8 + 2, los productos Gecko-MT permiten reducir considerablemente el espacio y el peso del hardware electrónico.

Figura 8: El Gecko-MT es similar a la serie Gecko-SL, pero admite contactos mixtos de señal y alimentación en una sola carcasa de conector. (Fuente de la imagen: Harwin)

Están disponibles en configuraciones de cable o de orificio pasante, con las mismas variantes de fijación Screw-Lok que los conectores Gecko-SL, y en una variedad de configuraciones de contactos de señal (doble fila) y de potencia (una fila).

El G125-FV10805F1-1AB1ABP es un conector de receptáculo Gecko-MT de 10 posiciones con ocho contactos de señal más dos de alimentación, lo que permite que un solo conector sirva para ambas funciones (Figura 9).

Figura 9: El conector G125-FV10805F1-1AB1ABP de la serie Gecko-MT alberga ocho contactos de señal y dos de alimentación. (Fuente de la imagen: Harwin)

• Pestillo Gecko (diseño original): Los conectores macho de esta familia pueden estar equipados con pestillos de bloqueo de fácil liberación para una interconexión segura con el conector hembra de acoplamiento (Figura 10).

Figura 10: Los conectores Gecko Latch ofrecen cierres fáciles de liberar entre pares macho y hembra. (Fuente de la imagen: Harwin)

El G125-FS12005LOR, un conector de receptáculo de 20 posiciones de montaje en superficie, es un ejemplo del diseño Gecko Latch (Figura 11).

Figura 11: El conector de receptáculo G125-FS12005L0R de montaje en superficie de 20 posiciones es uno de los miembros de la familia Gecko Latch. (Fuente de la imagen: Harwin)

Las series Gecko-SL y Latch ofrecen entre 6 y 50 contactos en una configuración de doble fila. Las carcasas de los conectores están polarizadas para evitar un mal acoplamiento y tienen el número de contacto uno indicado en el exterior de las carcasas.

Hay disponibles carcasas traseras metálicas opcionales compatibles con los conectores Gecko-SL y Gecko-MT para proporcionar protección mecánica, de radiofrecuencia (RF) y EMI, como la carcasa trasera (capucha) G125-9702002para conectores Gecko-SL de 20 posiciones (Figura 12).

Figura 12: Las carcasas traseras metálicas, como esta G125-9702002 para conectores Gecko-SL de 20 patillas, ofrecen a los usuarios la opción de añadir una mayor protección mecánica y EMI a sus conectores Gecko-SL y Gecko-MT. (Fuente de la imagen: Harwin)

Al hacer que las carcasas traseras sean opcionales, los diseños que no requieren dicha protección no se ven cargados con el peso de un conector con carcasa metálica. Para mayor flexibilidad, las carcasas traseras se fijan a la placa de circuito en lugar de al conector.

No olvides el cable y el montaje

Es fácil dedicar tiempo y energía a la selección del conector, pero eso es solo una parte de la historia de la conectividad, ya que el cableado asociado a un conector es igualmente importante. Entre las opciones de interconexión dictadas por el tipo de señal y la instalación están los cables básicos, los pares trenzados, el cable apantallado y los cables coaxiales. Los diseñadores tienen cinco opciones a la hora de obtener un conjunto de cables:

1. Bricolaje (fabricación propia)
2. Utilizar contactos y cables precortados
3. Utilizar conjuntos de cables ya preparados
4. Especifique un conjunto de cables completo, hecho a medida, que sea una variación de los productos estándar
5. Especifique un conjunto de cables totalmente personalizado hecho específicamente para los requisitos

Debido al amplio uso de los conectores Gecko, muchos de los conjuntos de cables necesarios están disponibles como artículos estándar y listos para usar, lo que reduce el tiempo de entrega y la incertidumbre. Por ejemplo, el

G125-FC11205F0-0150F0 es un conjunto de cables de 12 posiciones que tiene una longitud de 150 mm y está diseñado para interconexiones rectangulares de enchufe a enchufe (Figura 13).

Figura 13: El cable y el conjunto general conforman la interconexión completa; este G125-FC11205F0-0150F0 es un conjunto de cable de 12 posiciones y 150 mm de longitud para interconexiones rectangulares de enchufe a enchufe y está disponible como componente estándar. (Fuente de la imagen: Harwin)

Conclusión:

Es importante buscar conectores lo más pequeños y ligeros posibles para el rango de rendimiento necesario y no sobreespecificar cuando los números u objetivos más ajustados no son necesarios.

Esto es especialmente cierto en el mercado de los CubeSat, ya que estos satélites en miniatura están diseñados para ser apilados en un cohete donde tanto el espacio como el peso son muy importantes.

Para estos satélites populares, casi de "mercado de masas", los conectores y conjuntos de cables Gecko permiten a los diseñadores gestionar las realidades de rendimiento y costo mientras se esfuerzan por equilibrar las múltiples compensaciones, a veces conflictivas, en la selección de componentes.

Por Bill Schweber