ความสมบูรณ์ทางเทคโนโลยีของส่วนประกอบเกรดการบินและอวกาศ

เมื่อเทียบกับการผลักดันผลิตภัณฑ์จากโลกสู่ตลาด การเปิดตัวผลิตภัณฑ์สู่อวกาศนั้นซับซ้อนกว่ามาก ส่วนประกอบในอวกาศจะต้องสามารถทนต่อความท้าทายของสภาพแวดล้อมในอวกาศ ดำเนินงานได้อย่างน่าเชื่อถือและไม่ต้องบำรุงรักษาภายในอายุการใช้งานที่คาดหวัง และรองรับข้อจำกัดด้านน้ำหนักและขนาดในการเปิดตัว

ในสภาพแวดล้อมนี้ นักออกแบบผลิตภัณฑ์หันไปใช้ชิ้นส่วนที่ผ่านการรับรองด้านการบินและอวกาศ (QPS) ที่ได้รับการออกแบบ ทดสอบ และตรวจสอบแล้วเพื่อการใช้งานที่ประสบความสำเร็จในการใช้งานในอวกาศ QPS ก้าวถึงระดับความพร้อมทางเทคโนโลยีสูงสุด (TRL) ที่กำหนดโดยองค์การบริหารการบินและอวกาศแห่งชาติ (NASA) ของสหรัฐอเมริกา

TRL แบ่งออกเป็นระดับ 1 ถึง 9 ซึ่งสะท้อนถึงกระบวนการของผลิตภัณฑ์ตั้งแต่แนวคิดไปจนถึงประสิทธิภาพที่สมบูรณ์ (รูปที่ 1) TRL 1 ถึง 3 สาธิตวิธีการทำงานของผลิตภัณฑ์ตามทฤษฎี ตั้งแต่แนวคิดพื้นฐานไปจนถึงการตรวจสอบความถูกต้องของแนวคิด TRL 4 ถึง TRL 6 ครอบคลุมการทดสอบและการจำลองเบื้องต้น TRL 7 และ 8 ผ่านการทดสอบต้นแบบและการสาธิตทางเทคนิคขั้นสุดท้ายแล้ว ทำให้แนวคิดต่างๆ กลายเป็นความจริง

ภาพกระบวนการ TRL ของ NASA
รูปที่ 1: NASA TRL แสดงถึงกระบวนการของผลิตภัณฑ์ด้านการบินและอวกาศตั้งแต่แนวคิดเริ่มต้นไปจนถึงความพร้อมด้านประสิทธิภาพ เฉพาะชิ้นส่วนที่มี TRL เท่ากับ 9 เท่านั้นที่จะถือเป็นชิ้นส่วน QPS หลังจากผลิตและทดสอบตามมาตรฐานที่เป็นที่ยอมรับ (แหล่งรูปภาพ: โซลูชั่นการเชื่อมต่อ Cinch)

ผลิตภัณฑ์ที่มี TRL ถึงระดับ 9 ประสบความสำเร็จในการใช้งานในพื้นที่จริง นอกเหนือจากการบรรลุระดับ TRL ที่สูงแล้ว ชิ้นส่วนยังต้องผ่านขั้นตอนการทดสอบเฉพาะเพื่อที่จะได้รับการพิจารณา QPS มาตรฐานในการควบคุมข้อกำหนดเหล่านี้แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับประเภทของชิ้นส่วน ตัวอย่างเช่น ตัวลดทอนสัญญาณ QPS จะต้องได้รับการทดสอบตามมาตรฐาน MIL-DTL-3933 ระดับ T ในขณะที่ตัวเชื่อมต่ออิเล็กทรอนิกส์ของ QPS อยู่ภายใต้มาตรฐาน EEE-INST-002 ของ NASA

การทำความเข้าใจความท้าทายเฉพาะที่แอปพลิเคชันในพื้นที่ต้องเผชิญสามารถช่วยให้นักออกแบบเลือก QPS ที่มีอยู่พร้อมประสิทธิภาพที่ตรงกับความต้องการ ลดระยะเวลาจากแนวคิดไปสู่การใช้งาน และนำผลิตภัณฑ์ออกสู่ตลาดตรงเวลาและอยู่ในงบประมาณ

การเอาชนะการกำจัดก๊าซ
ความสามารถในการทำงานในสุญญากาศและอุณหภูมิที่สูงมากถือเป็นหนึ่งในอุปสรรคใหญ่ที่สุดที่ส่วนประกอบในอวกาศต้องเอาชนะให้ได้ สุญญากาศในวงโคจรโลกขนาดกลาง (MEO) ที่ระยะทาง 1,234 ถึง 22,234 ไมล์จากโลก ซึ่งดาวเทียม Global Positioning System (GPS) ทำงานที่ระดับความสูงนี้ มีระดับสุญญากาศเฉลี่ย 1 mTorr ถึง 1 µ Torr ในเวลาเดียวกัน ส่วนประกอบในการใช้งานเหล่านี้และการใช้งานอื่นๆ มีอุณหภูมิต่ำถึง -270 °C ในเงามืด และสูงถึง +121 °C เมื่อถูกแสงแดดโดยตรง

ชิ้นส่วนที่ไม่ใช่โลหะอาจ "ไล่ก๊าซ" เมื่อสัมผัสกับสภาพแวดล้อมสุญญากาศและอุณหภูมิสูง ปรากฏการณ์นี้หมายถึงการเคลื่อนย้ายของก๊าซที่เหลืออยู่ภายในวัสดุในระหว่างกระบวนการผลิตไปสู่พื้นผิว การโยกย้ายนี้อาจนำไปสู่การแตกร้าวภายในวัสดุ ส่งผลให้ความแข็งแรงลดลง ก๊าซที่ปล่อยออกมายังอาจควบแน่นและแข็งตัวที่ส่วนอื่นๆ ทำให้เกิดความเสียหายต่อส่วนประกอบทางแสง เช่น การเบลอและการอุดตันของเซ็นเซอร์

ความรุนแรงของการกำจัดแก๊สวัดจากการสูญเสียมวลรวม (TML) ของส่วนประกอบภายใต้สภาวะสุญญากาศและความร้อน ซึ่งแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ของมวลเดิม ผู้ผลิตยังวัดเปอร์เซ็นต์ของวัสดุควบแน่นที่ระเหยได้ (CVCM) ที่สามารถรวบรวมได้ ซึ่งเป็นปริมาณของวัสดุที่ถูกไล่แก๊สซึ่งควบแน่นบนพื้นผิวที่เย็นกว่า การทดสอบทั้งสองดำเนินการตามมาตรฐาน ASTM E595 ซึ่งกำหนดให้เก็บตัวอย่างที่อุณหภูมิ +125 ° C และต่ำกว่า 5 x10-5 Torr เป็นเวลา 24 ชั่วโมง

ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ต้องผ่านการทดสอบการไล่ก๊าซเพื่อกำหนดให้เป็นชิ้นส่วน QPS เนื่องจากการใช้ฉนวนและวัสดุป้องกันที่ไม่ใช่โลหะ Cinch Dura Con จาก Cinch Connectivity Solutions ™ ปลั๊กและซ็อกเก็ต micro-D ที่มีฉนวนป้องกันพื้นที่ (รูปที่ 2) อยู่ในสถานการณ์นี้ ฉนวนเทอร์โมเซตติงที่ไม่ใช่โลหะรอบๆ พิน และชั้นฉนวนลวดเอทิลีนเตตราฟลูออโรเอทิลีน (ETFE) ในตัวเชื่อมต่อ Dura Con มีการสูญเสียน้อยกว่า 1% ของน้ำหนักรวม และ CVCM น้อยกว่า 0.01% ในระหว่างการทดสอบ

รูปภาพตัวเชื่อมต่อ TE Connectivity Dura Con
รูปที่ 2: ขั้วต่อ Dura Con ใช้วัสดุฉนวนที่มีการปล่อยก๊าซต่ำ ซึ่งเกินข้อกำหนดของมาตรฐาน EEE-INST-002 ของ NASA สำหรับขั้วต่ออิเล็กทรอนิกส์สำหรับการใช้งาน LEO (แหล่งรูปภาพ: โซลูชั่นการเชื่อมต่อ Cinch)

ขั้วต่อชุบนิกเกิลเหล่านี้เป็นไปตามมาตรฐาน MIL-DTL-83513 และเหมาะสำหรับขั้วต่อไฟฟ้ารูปสี่เหลี่ยมผืนผ้าขนาดเล็ก สามารถรองรับตำแหน่งเข็มได้ 9 ถึง 100 ตำแหน่ง โดยมีความกว้างฐาน 0.775 "ถึง 2.160" และความสูง 0.298 "ถึง 0.384"

ตามเกณฑ์การเลือกตัวเชื่อมต่ออิเล็กทรอนิกส์ EEE-INST-002 ของ NASA การออกแบบและระดับการสลายก๊าซต่ำของตัวเชื่อมต่อเหล่านี้ทำให้เหมาะสำหรับวงโคจรโลกต่ำ (LEO) ที่ระดับความสูงไม่เกิน 1,200 ไมล์ กล้องโทรทรรศน์อวกาศฮับเบิล สถานีอวกาศนานาชาติ และกลุ่มดาวไมโครแซทเทิลไลท์ที่ทำให้โทรคมนาคมทั่วโลกเป็นไปได้ ทั้งหมดนี้ล้วนปฏิบัติการอยู่ในวงโคจรในภูมิภาคนี้

มาตรฐาน EEE-INST-002 ยังระบุระดับวิกฤตสามระดับสำหรับขั้วต่ออิเล็กทรอนิกส์ ตัวเชื่อมต่อระดับ 1 เป็นตัวเชื่อมต่อที่สำคัญต่อภารกิจ ตัวเชื่อมต่อระดับ 2 ต้องการความน่าเชื่อถือสูงและตัวเชื่อมต่อระดับ 3 เป็นระดับความน่าเชื่อถือมาตรฐาน ขั้วต่อ Dura Con จัดเป็นระดับ 2

ลดการรบกวนของรังสี
นอกจากอันตรายจากสุญญากาศและอุณหภูมิสุดขั้วแล้ว ส่วนประกอบในอวกาศยังต้องสามารถทนต่อรังสีในระดับที่สูงขึ้นอีกด้วย หากไม่มีการปกป้องชั้นบรรยากาศของโลก ส่วนประกอบเหล่านี้ก็จะได้รับรังสีอัลตราไวโอเลต (UV) แบบเต็มสเปกตรัม นอกเหนือจากวงโคจรโลกระดับต่ำแล้ว รังสีแกมมาและรังสีไอออไนซ์อื่นๆ ยังเป็นที่น่ากังวลอีกด้วย การแผ่รังสีสามารถทำให้อายุการใช้งานของส่วนประกอบที่ไม่ใช่โลหะสั้นลง และโดยทั่วไปจะลดคุณภาพของสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้าผ่านการรบกวนด้วยความถี่วิทยุ (RFI) และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI)

ขั้วต่อไฟฟ้า เช่น ขั้วต่อไฟฟ้า Tromper QPS ของ Cinch Connectivity Solutions ซึ่งสามารถแก้ปัญหานี้ได้ มีฟังก์ชันป้องกันสัญญาณรบกวน RF และสัญญาณรบกวนแม่เหล็กไฟฟ้าที่แข็งแกร่ง และสามารถตอบสนองข้อกำหนดของข้อกำหนดบัสข้อมูล MIL-STD-1553B

นอกจากนี้ยังส่วนใหญ่ทำจากโลหะ รวมถึงหน้าสัมผัสทองแดงเบริลเลียมเคลือบทองและซับสเตรตนิกเกิล วัสดุอิเล็กทริกโพลีเตตร้าฟลูออโรเอทิลีน (PTFE) ที่มีการไล่แก๊สต่ำสามารถบรรลุ TML น้อยกว่า 1.0% และ CVCM น้อยกว่า 0.10%

ซีรีส์ Tromper ระดับพื้นที่ประกอบด้วยขั้วต่อขนาดเล็กสองประเภทสำหรับการเชื่อมต่อ ขั้วต่อ TRB ใช้การล็อคแบบดาบปลายปืน (รูปที่ 3) ในขณะที่ขั้วต่อ TRT ใช้การเชื่อมต่อแบบเกลียว (รูปที่ 4) แต่ละประเภทมีการออกแบบที่หลากหลายเพื่อให้สามารถเชื่อมต่อผ่านบอร์ด การต่อสายเคเบิล หรือแผงวงจรพิมพ์ (PCB)