地球から製品を市場に送り出すのと比べて、宇宙に製品を打ち上げるのははるかに複雑です。宇宙内のコンポーネントは、宇宙環境の課題に耐え、予想される耐用年数内で確実に動作しメンテナンスフリーで、打ち上げ時の重量とサイズの制限に対応できなければなりません。
この環境では、製品設計者は、宇宙用途での使用を成功させるためにすでに設計、テスト、レビューされている航空宇宙認定部品 (QPS) に注目します。 QPS は、米国航空宇宙局 (NASA) が設定した最大技術成熟度レベル (TRL) に達しました。
TRL はレベル 1 から 9 に分かれており、コンセプトから成熟した性能に至るまでの製品のプロセスを反映しています (図 1)。 TRL 1 ～ 3 では、基本概念から概念の検証まで、製品が理論的にどのように動作するかを示します。 TRL 4 ～ TRL 6 は、予備テストとシミュレーションをカバーします。 TRL 7 および 8 はプロトタイプのテストと最終的な技術デモンストレーションに合格し、コンセプトを現実に変えました。
NASA TRLプロセス画像
図 1: NASA TRL は、初期コンセプトから性能の成熟に至るまでの航空宇宙製品のプロセスを表しています。認められた基準に従って製造およびテストされた後、TRL が 9 の部品のみが QPS 部品とみなされます。 (画像出典: Cinch Connectivity Solutions)
レベル9に達したTRLを備えた製品は、実際の宇宙応用で成功を収めています。 QPS とみなされるためには、この高い TRL レベルを達成することに加えて、部品が特定のテスト手順に合格する必要もあります。これらの要件を管理するための基準は、部品の種類によって異なります。たとえば、QPS 減衰器は MIL-DTL-3933 T レベル規格に従ってテストする必要がありますが、QPS 電子コネクタは NASA の EEE-INST-002 規格に準拠しています。
宇宙ベースのアプリケーションが直面する特定の課題を理解することは、設計者が要件を満たすパフォーマンスを備えた既存の QPS を選択し、コンセプトから導入までの時間を短縮し、予定どおりに予算内で製品を市場に投入するのに役立ちます。
脱ガスの克服
真空や極端な温度で動作する能力は、宇宙コンポーネントが克服しなければならない最大の障害の 1 つです。地球から 1234 ～ 22234 マイルの距離にある地球中軌道 (MEO) の真空は、全地球測位システム (GPS) 衛星がこの高度で運用されており、平均真空度は 1 mTorr ～ 1 μ Torr です。同時に、これらのアプリケーションやその他のアプリケーションのコンポーネントの温度は、日陰では -270 °C に達し、直射日光では +121 °C にも達します。
非金属部品は、真空および高温環境にさらされると「脱ガス」が発生する可能性があります。この現象は、製造工程中に材料の内部に残留するガスが表面に向かって移動することを指します。この移行により材料内部にクラックが発生し、強度が低下する可能性があります。放出されたガスは他の部品でも凝縮して凍結し、光学部品にブレやセンサーの詰まりなどの損傷を引き起こす可能性があります。
脱ガスの深刻度は、真空および熱条件下でのコンポーネントの総質量損失 (TML) によって測定され、元の質量のパーセンテージとして表されます。メーカーは、収集できる揮発性凝縮性物質 (CVCM) の割合 (低温の表面で凝縮する脱気された物質の量) も測定します。どちらのテストも ASTM E595 プロトコルに従って実施されました。このプロトコルでは、サンプルを +125 °C、5 x 10-5 Torr 以下で 24 時間維持する必要があります。
ほとんどの電子部品は、非金属の絶縁材やシールド材が使用されているため、QPS 部品として指定されるためには脱ガス試験を受ける必要があります。 Cinch Connectivity Solutions ™ の Cinch Dura Con スペースシールドされた micro-D プラグとソケット (図 2) はこの状況にあります。 Dura Con コネクタのピン周囲の非金属の熱硬化性絶縁体とエチレン テトラフルオロエチレン (ETFE) ワイヤ絶縁層の損失は総重量の 1% 未満であり、テスト中の CVCM は 0.01% 未満です。
TE Connectivity Dura Con コネクタのイメージ
図 2: Dura Con コネクタは、低脱ガス絶縁材料を使用しており、LEO アプリケーション電子コネクタに関する NASA の EEE-INST-002 規格の要件を上回っています。 (画像出典: Cinch Connectivity Solutions)
これらのニッケルメッキコネクタは MIL-DTL-83513 規格に準拠しており、マイクロ角形電気コネクタに適しています。ベース幅 0.775 ～ 2.160 インチ、高さ 0.298 ～ 0.384 インチで、9 ～ 100 の針位置に対応できます。
NASA の EEE-INST-002 電子コネクタ選択基準によると、これらのコネクタの設計と低い脱ガスレベルにより、高度 1200 マイルまでの低地球軌道 (LEO) に適しています。ハッブル宇宙望遠鏡、国際宇宙ステーション、そして地球規模の電気通信を可能にする超小型衛星群はすべて、この地域の軌道上で運用されています。
EEE-INST-002 規格では、電子コネクタの 3 つの重要度レベルも指定しています。レベル 1 コネクタはミッション クリティカルなコネクタ、レベル 2 コネクタは高い信頼性が必要、レベル 3 コネクタは標準の信頼性レベルです。 Dura Con コネクタはレベル 2 に分類されます。
放射線干渉を軽減する
真空と極端な温度の危険に加えて、宇宙内のコンポーネントは高レベルの放射線にも耐えることができなければなりません。地球の大気の保護がなければ、これらのコンポーネントはフルスペクトルの紫外線 (UV) 放射線にさらされることになります。地球低軌道を越えると、ガンマ線やその他の電離放射線も懸念されます。放射線は非金属部品の寿命を縮める可能性があり、通常、無線周波数干渉 (RFI) や電磁干渉 (EMI) を通じて電磁信号の品質を低下させます。
この問題を解決できる Cinch Connectivity Solutions の Tromper QPS 電気コネクタのような電気コネクタは、強力な RF 干渉および電磁干渉シールド機能を備えており、MIL-STD-1553B データ バス仕様の要件を満たすことができます。
また、金メッキされたベリリウム銅接点やニッケル基板など、主に金属でできています。低脱ガスポリテトラフルオロエチレン (PTFE) 誘電体材料は、1.0% 未満の TML と 0.10% 未満の CVCM を達成できます。
スペースレベルのTromperシリーズには接続用の小型コネクタが2種類付属しています。 TRB コネクタはバヨネット ロック (図 3) を採用し、TRT コネクタはネジ接続 (図 4) を採用しています。各タイプには、ボード、ケーブル終端、またはプリント基板 (PCB) を介した接続を可能にする複数の設計が用意されています。