为 LEO 卫星应用选择太空级连接器

卫星行业正在经历快速增长，特别是在低地球轨道 (LEO) 卫星领域。然而，恶劣的低地轨道环境给设计人员带来了巨大挑战。暴露在真空、原子氧、强烈紫外线 (UV) 辐射和极端温度波动环境中，可能会造成脱气、材料降解和连接器故障，从而可能危机任务关键型系统。

为确保任务成功，设计人员必须了解在太空中运行时所面临的各种挑战，并从可靠的来源选取连接器，这些连接器应采用满足 LEO 条件要求所必需的先进材料和技术。

本文简要回顾进行 LEO 应用设计时面临的各种挑战，并讨论减轻环境影响的各项策略。然后介绍 Cinch Connectivity Solutions 提供的有助于应对这些挑战的相关连接器。

LEO 的环境挑战及其对连接器的影响

LEO 设计者面临独特的环境挑战。虽然环境不像深空那样恶劣，但 LEO 连接器和其他组件必须能够承受脱气、辐射和腐蚀、极端温度以及振动和冲击的影响。

1.脱气

脱气是指非金属材料在受热或在处于真空环境下时释释放气体。这是 LEO 环境中的一个重大问题。塑料因其出色的绝缘性能而广泛用于连接器，而连接器中使用的某些金属可能在制造过程中含有微小气泡。在海平面高度制造连接器时，这些气泡不会受到材料内外压力差的影响。

然而，在真空中，压差会显著增加，从而释放出这些被困气体。这种脱气会导致小裂缝和裂纹，从而影响连接器的机械强度（图 1）。

图 1：脱气会导致小裂缝和裂纹，从而影响连接器的机械强度。（图片来源：Cinch Connectivity Solutions）

脱气还会形成涂层，从而损坏摄像头等传感器。脱气甚至可能导致连接器和组件之间发生短路，危及任务的安全。

虽然脱气主要是由太空真空造成的，但其他环境因素也会提高脱气的可能性。例如，紫外线辐射和暴露在原子氧中会导致聚合物变弱，从而使空腔中的气体更容易逸出。

2.辐射和原子氧暴露

持续暴露在阳光的紫外线辐射下会损坏连接器中使用的塑料。电离辐射会导致电荷在连接器上积累，从而可能引起静电放电事件。原子氧在 LEO 环境中含量丰富，是紫外线辐射与氧气反应后形成的，活性高，可侵蚀连接器材料，尤其是聚合物和某些金属。例如，连接器中常见的塑料绝缘材料聚四氟乙烯 (PTFE) 暴露在原子氧和紫外线辐射环境中时会发生反应，导致磨损。原子氧对银特别敏感，会导致银氧化，影响导电性和接触电阻。

3.极端温度波动

LEO 卫星的温度波动范围从阳光照射下的 +125°C 到地球阴影中的 -65°C，一些外部组件可能面临 -270°C 到 +200°C 的温度。这样就造成了热循环，热循环会对连接器产生应力，并可能加重连接器的微小缺陷。连接器材料和相关组件之间的热膨胀系数 (CTE) 差异会导致热循环不均匀，从而导致这种组合不兼容和潜在故障。

4.振动和冲击

发射过程中的剧烈振动会损害连接器的完整性。侧向运动（横向轴）和前后运动（推力轴）会导致连接器的接触部位错位或断裂。发射时有效载荷与运载火箭分离时产生的冲击会使连接器松动并产生疲劳点。

减轻 LEO 环境影响的策略

建议采用气密性密封来降低许多此类风险。气密封装可保护内部组件免受真空空间的影响，并防止内部气体逸出。这种封装还能防止空气、气体和湿气渗入组件。

为确保设计成功，有几项标准与太空应用相关：

• ASTM E595 真空环境下材料脱气测试法分别测量 +125°C 和 +25°C 时的总质量损失 (TML) 和收集的挥发性可凝材料 (CVCM)。典型的验收标准是 TML ≤ 1.00%、CVCM ≤ 0.10%。
• NASA EEE-INST-002 关于电气、电子和机电 (EEE) 部件选择、筛选、鉴定和降额的说明根据任务需要确定了 EEE 部件的可靠性水平。
• NASA SSP 30426 规定了国际空间站的外部污染控制要求。
• NASA SP-R-0022A 规定了聚合材料的真空稳定性要求。

应根据这些标准选择连接器，以确保其满足太空任务的严格要求。

技术就绪水平 (TRL) 由美国国家航空航天局 (NASA) 于 20 世纪 70 年代制定，提供了一种标准化方法，用于按照从 1（观察和报告基本原则）到 9（飞行验证）的等级划分来估算技术成熟度。由于多种原因，TRL 在太空组件选择时发挥关重要的作用：

• 降低风险：更高的 TRL 组件已在相关环境或实际太空任务中得到验证。
• 成本管理：使用 TRL 更高的组件可以降低开发和测试要求。
• 进度跟踪：通过 TRL 可以监测从概念到飞行就绪状态的技术发展，这有助于航天器开发过程中的进行规划、做出决策。
• 通用语言：TRL 有助于讨论不同太空技术的成熟度。
• 易于集成：TRL 较高的组件通常更容易集成到现有系统中，从而影响选择决定。

LEO 连接器解决方案

为满足 LEO 应用的设计要求，Cinch Connectivity Solutions 推出了 Cinch Space Mission Solutions 连接器产品组合。这些设计旨在应对与诸如 CubeSats 和 NanoSats 卫星等 LEO 卫星有关的挑战，这些卫星的尺寸和重量都受到严格限制。

叠接连接器跨接线

Cinch 的 CIN::APSE 叠接连接器跨接线为 LEO 卫星中的板对板、挠性对板和元件对板连接等应用提供无焊接、高密度定制互连器件。主要特性包括：

• 共面和直角板对板连接，可提高了卫星设计和布局的灵活性；
• 将射频、功率、信号和高速数据结合在一个 1 mm 的封装中；
• 美国国家航空航天局 (NASA) 批准的 TRL 值为 9，表明其可靠性经过飞行验证；
• 在极端的机械冲击、振动和热条件下，其性能也得到了验证。

4631533093 就是一个典型的例子（图 2）。这种柔性印刷电路板（PC 板）可压缩，以连接安装在刚性 PC 板上的叠接连接器。

图 2：所示为连接刚性电路板的 4631533093 柔性叠接连接器跨接线。（图片来源：Cinch Connectivity Solutions）

4631533093 有 25 根导线，长 3 英寸，间距为 0.025 英寸，两端外露的长度为 0.131 英寸。

太空屏蔽式 micro-D 连接器

对于小型化机载电子设备和数据处理设备，以及需要更短信号路径的紧凑型卫星设计，Cinch 可提供太空屏蔽式 Dura-Con micro-D 连接器。其显著特点包括扭转式针触点和机加工插座（提供耐用的七点接触）、符合 MIL-DTL-M83513（微型 D 型连接器专用）、镀镍和乙烯四氟乙烯 (ETFE) 绝缘线。DCCM25SCBRPN-X2S 25 针 micro-D 插座就是一个很好的例子（图 3）。

图 3：DCCM25SCBRPN-X2S 是一款 25 引脚、太空屏蔽式 micro-D 插座。（图片来源：Cinch Connectivity Solutions）

该插座有两排，间距为 0.050 英寸，行间距为 0.043 英寸。这款插座采用金触点，可处理高达 3 A 的电流，并超过 LEO 脱气要求，即 ≤ 1.0% TML 和 ≤ 0.1% CVCM。

衰减器

Cinch 的 空间合格部件 (QPS) 衰减器专为太空应用设计。这些器件符合 ASTM E595 和 MIL-DTL-3993 脱气标准，标准值为 1、2、3、6、10 和 20 dB。可提供 0 至 20 dB 范围内的自定义值。SQA-0182-01-SMA-02 就是一个典型的例子（图 4）。这款 1 dB 衰减器具有 DC 至 18 GHz 的性能、2 W 平均功率处理能力（500 W，峰值）以及 -55°C 至 +125°C 的工作温度范围。

图 4：SQA-0182-01-SMA-02 是专为太空任务设计的 1 dB 衰减器。（图片来源：Cinch Connectivity Solutions）

结束语

LEO 太空任务的设计者需要连接器在面对诸如脱气、温度、紫外线和电离辐射以及振动、冲击等各种挑战时仍能可靠地工作。依靠 Cinch Connectivity Solutions 等久经考验的供应商，他们可以从一系列按照太空任务的最高标准设计的解决方案中获益，以确保设计成功。