Wyzwania przed złączami w przestrzeni kosmicznej
PEI Genesis4 lipca 2020 r. skonstruowana przez Rocket Lab rakieta Electron uległa awarii podczas startu, co doprowadziło do utraty siedmiu satelitów. Podwyższona rezystancja jednego złącza spowodowała jego nagrzanie, co pociągnęło za sobą stopienie pokrywającego złącze materiału antywibracyjnego. Drgania następnie rozłączyły połączenie, odcinając zasilanie turbopompy. Złącza poddawane są ekstremalnym obciążeniom na wszystkich etapach misji kosmicznych.
W artykule Alex Raymond, manager ds. produktów w firmie PEI-Genesis specjalizującej się w złączach typu interconnect, przedstawia różne etapy misji kosmicznej na Księżyc, omawiając wyzwania, jakie stoją przed złączami, oraz środki, po które sięgają producenci w celu zapewnienia, aby wytrzymały one tak trudne warunki.
3, 2, 1… start
Główne silniki i dopalacze rakietowe zapalają się z rykiem i każdy komponent rakiety podlega silnym wibracjom. Takie wibracje mogą wpłynąć na integralność złączy i ich funkcjonalność, gdyż wstrząsy działają destrukcyjnie na połączenia. Ponadto gwałtowne zmiany temperatury i ciśnienia podczas startu mogą powodować rozszerzanie i kurczenie materiałów uszczelniających złącza, poluźniając styki i powodując wadliwe połączenia.
W celu pokonania problemów występujących podczas startu złącza muszą być projektowane z naciskiem na precyzję i wytrzymałość. Systemy łączenia elementów, takie jak śruby rozpierające („jack screw”), mechanizmy zatrzaskowe i złącza bagnetowe są stosowane do tworzenia solidnych połączeń nawet w warunkach ekstremalnych wibracji. Hermetyczne uszczelnienia i zaawansowane materiały izolacyjne zabezpieczają złącza przez zmianami temperatury i ciśnienia.
Wyjście z atmosfery
Kiedy pojazd kosmiczny zaczyna opuszczać atmosferę ziemską, główny silnik wyłącza się, wibracje maleją i na pierwszym etapie rakieta wspomagająca zostaje odrzucona. Na drugim etapie pojazd osiąga niską orbitę okołoziemską. Złącza jednak muszą sobie teraz radzić z kolejnymi wyzwaniami w tym ekstremalnym środowisku.
Kiedy pojazd kosmiczny przechodzi między światłem słonecznym a cieniem, występują cykle termiczne, powodując wahania temperatury od -65 do +125 stopni Celsjusza na niskiej orbicie okołoziemskiej. Warunki zbliżone do próżni stworzone przez brak atmosfery prowadzą do odgazowania polimerów wewnątrz złączy i emisji lotnych związków organicznych (LZO), które mogą zakłócać pracę innych komponentów. Magnetyzm szczątkowy w metalach stosowanych w złączach może prowadzić do licznych fałszywych odczytów przyrządów, np. krytycznych błędów w nawigacji i generowaniu prądu.
Złącza przeznaczone do zastosowań kosmicznych na niskiej orbicie okołoziemskiej i dalej muszą mieć właściwości izolacyjne, zdolne wytrzymać skrajne temperatury. Ułatwieniem jest to, że wiele złączy znajduje się wewnątrz pojazdu kosmicznego, dzięki czemu są one dodatkowo izolowane przez inne komponenty. Rozwiązania przeznaczone do użytku na niskiej orbicie okołoziemskiej obejmują złącza klasy kosmicznej D38999 (klasa G) o temperaturze roboczej od -65 do +200 stopni Celsjusza. Można je stosować z różnymi akcesoriami klasy kosmicznej, np. rurkami termokurczliwymi i osłonami tylnymi.
Żeby wyeliminować problem odgazowania, producenci muszą usunąć LZO przed startem. Osiąga się to przez wypalanie złączy w podwyższonej temperaturze w piecu próżniowym.
Złącza metaliczne skonstruowane specjalnie z niskim magnetyzmem szczątkowym to m.in. złącza klasy kosmicznej D-Sub marki Positronic. Są one zgodne ze standardem MIL-DTL-24308 klasy M dla złączy D-Sub oraz spełniają wymagania dotyczące odgazowywania według testów standardu NASA-RP-1124. Testowanie przeprowadza się z użyciem fluksometru według wymagań NASA dotyczących zastosowań komponentów elektrycznych w przestrzeni kosmicznej.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Europejska Współpraca dla Kosmicznej Standaryzacji (European Cooperation for Space Standardization) określiła w swoim standardzie jakości produktów kosmicznych odpowiednie materiały do użytku w kosmosie. Wyjaśniono np., że w sprzęcie kosmicznym i do obsługi naziemnej należy unikać metali lotnych, takich jak kadm, cynk i cyna, które są znane z tego, że w próżni tworzą wąsy metaliczne. Porowate powłoki, np. złota powłoka na srebrze, także stwarzają zagrożenie i nie należy ich stosować w pojazdach kosmicznych.
Lądowanie
Kiedy pojazd kosmiczny zbliża się do powierzchni Księżyca, silniki hamulcowe włączają się w celu spowolnienia schodzenia, wzbijając olbrzymie ilości pyłu, który pokrywa powierzchnię pojazdu i wszystkie zewnętrzne złącza.
Cząsteczki pyłu mogą przedostawać się do wnętrza złączy i gromadzić się na powierzchni styków, pinów i gniazd. Może to prowadzić do słabego kontaktu elektrycznego, zwiększonej rezystancji, a nawet przerw w transmisji sygnału lub całkowitej utraty transmisji. Zanieczyszczone złącza mogą spowodować błędy danych, degradację sygnału, zmniejszenie ogólnej wydajności systemu lub całkowitą awarię.
Uszczelki, oringi, osłony tylne i kształtki termokurczliwe mogą być zintegrowane z konstrukcją złącza, aby zapobiec wnikaniu pyłu i zachować szczelność połączeń. Poza zabezpieczeniem przed zmianami ciśnienia hermetycznie uszczelnione złącza chronią także przed dostępem pyłu i innych cząsteczek.
PEI-Genesis, dystrybutor złączy z wartością dodaną, posiada silne więzy z producentami złączy do zastosowań kosmicznych. Działając w charakterze zaufanego doradcy, firma dostosowuje rozwiązania do indywidualnych potrzeb i konkretnych misji, zapewniając szybki dostęp w oparciu o swój ogromny asortyment. Takie marki jak Positronic, Amphenol i Souriau oferują różnorodne opcje do zastosowań w sektorze lotniczym, wojskowym i medycznym.
Źródło: PEI-Genesis
