הבן את הבחירה של מחברים וכבלים עבור יישומי חלל

בעשור האחרון, חלליות במסלול לווייני הפכו לתעשיות חשובות עם יישומים של שוק-המוני. דבר זה הביא לפריסת מספר גדול של לוויינים עם‏ מגוון רחב של משימות הפועלים במסלול לווייני נמוך, בינוני וגאוסטציונרי (LEO,‏ MEO,‏ GEO). ללא כל קשר לגודלם, מקורם או משימתם, לכל הלוויינים האלה יש גורם אחד משותף במפרט החומרים (BOM) שלהם: הצורך במחברים וכבלים חשמליים רבים עבור אותות ואספקת-כוח.

בעוד שרכיבים אלה אולי לא נושאים את גורם הזוהר של אלקטרוניקה אקטיבית על הסיפון או של משימת הלוויין הרחבה יותר, אמינות ויציבות הן חיוניות לתכנון, פריסה ואורך חיי מטרה של לוויינים. כתוצאה מכך, הבחירה והשימוש ברכיבי חברור מתאימים הוא גורם‏ חשוב בהצלחת משימה. הם חייבים לספק פונקציונליות בסיסית תוך כדי מזעור גודל ומשקל, ובו-בזמן הם חייבים לעמוד במנדטים הייחודיים של אמינות וקשיחות הדרושים עבור שיגור וטיסה בחלל.

למרבה המזל, הודות לצורך ברכיבי חברור בנפח גדול יחסית במאה ה-21, מחברים וכבלים מוסמכי-חלל הם עתה רכיבים סטנדרטיים זמינים מיצרנים דרך מפיצים, תזוזה גדולה מרק לפני עשור או שניים כשהם היו פריטים מתוכננים במיוחד, לעתים פריטים להזמנה מיוחדת.

מאמר זה מביט על הדרישות ממחברים וכבלים מוסמכי-חלל והבחירה המתאימה שלהם. אחר כך המאמר מציג פתרונות של העולם-האמיתי מבית Harwin שיכולים לעזור להבטיח הצלחת משימה.

דרישות כבלים ומחברים עבור חלל

שיגורי לווייני LEO,‏ MEO,‏ GEO, שפעם היו בעיקר בתחום המשימות של NASA עם חלליות אזוטריות או לווייני תקשורת/ניווט, הפכו לארועים כמעט שגרתיים. חלק משיגורים אלה הביאו לפריסה של תריסר או יותר לוויינים, כולל יחידות ה-CubeSat הנפוצות והקטנות שפותחו באוניברסיטאות, בתי-ספר תיכוניים מסוימים, ואפילו על ידי קבוצות חובבים מדעיות.

עם זאת, חלל הוא סביבה קשה עבור רכיבים אלקטרוניים מכל הסוגים.‏ תחומי בעיות פוטנציאליות כוללים חיבור לסרוגין (intermittent connections), ביצועי תת–מפרט ואפילו תקלות מוחלטות. בעיות אלו מתחילות עם רעידות שיגור ומתרחבות דרך הקור והווקום של השימוש במסלול לווייני, ומעבר לכך.

סוגיות אלו מעלות דרישות רבות מביצועי מחברים כמו גם אילוצים על תכנון ומימוש מחבר. הם כולם מאוחדים על ידי המונח הרחב של העדפות אמינות ואי-המעשיות או אי-האפשרות של תיקון או החלפה בזמן טיסה. יחד עם גודל, משקל, זעזועים ורעידות, סוגיות נוספות כוללות שחרור גזים, מגנטיות שיורית, טמפרטורות קיצוניות ומחזור תרמי, קרינה קוסמית, Flashover ואוריינטציית מחבר:

■ משקל וגודל (נפח): רכב חלל והלוויין שלו מוגבלים ביותר מבחינת שני הגורמים האלה עבור חיסכון בדלק והעובדה שכל סנטימטר מעוקב של נפח הוא יקר ערך בתכן חלל מוגבל-נפח.

■ תאוצה, רעידות וזעזועים: שלב השיגור הקשה גורם לעשרות g‏ בתחום רחב של תדרים. מסיבה זו, מחברים מדורגים-חלל בדרך כלל מציינים ברגי הגבהה או תכני נעילה במידת האפשר כדי להבטיח חבור מאובטח.

■ שחרור גזים: תנאי החום והווקום של חלל מגדילים קצב שחרור הגזים ממחברים. חומרים כמו אלסטומרים ופלסטיק יכולים לשחרר באיטיות תרכובות אורגניות נדיפות (VOCs) שהומסו, נלכדו, הוקפאו או נספגו בחומר כגז או אדים. אפילו אפוקסי וחומרי הדבקה שגרתיים נוספים יכולים לשחרר חומרי VOC אלה, על אחת כמה דבקים מיוחדים. חומרי VOC יכולים לגרום לזיהום שיכול להשפיע במידה רבה על הביצועים של ציוד קריטי-למשימה על ידי הפרעה למכשירים עדינים ומשטחים אופטיים. עבור מחבר מדורג-חלל, חומרי VOC “מוצאים החוצה” מהחומרים על ידי אפיית המחבר בטמפרטורה גבוהה בתנור וקום אטום.

■ מגנטיות שיורית: זו יכולה להפריע לביצועים של מעגלים ותת-מערכות קרובים, לגרום לקריאות מטעות מחיישנים מדויקים. מזעור תופעה זו יכולה לדרוש את השימוש בחומרים לא-מגנטיים היכן שאפשר, כמו סגסוגות נחושת.

■ תחום טמפרטורות: התחום המורחב עבור מחברים מדורגי-חלל הוא בדרך כלל 65°C- עד 150°C+. עם זאת, מחזור תרמי הוא גם כן סיבה לדאגה: מאמצים חוזרים שנגרמים ממחזורים כאלה יכולים לגרום למיקרו-סדקים ובסופו של דבר לשברי עייפות. לוויינים מסוימים מתוכננים להסתובב כדי להשוות את ממוצע הטמפרטורות שלהם בין הצד הפונה לשמש לצד המוצל מהשמש. זהו פתרון‏ לא מספק עבור לוויינים גדולים יותר כיוון שהמשטח והתת-משטח עדיין יכולים להיות נתונים למחזור תרמי משמעותי בהשוואה לחלקים הפנימיים העמוקים יותר שלהם. בלווינים קטנים, כמו ב-CubeSat, כמעט כל הרכיבים הם קרובים יחסית למשטח החיצוני.

■ קרינה קוסמית: זו גדלה ככל שגובה העבודה של הלוויין הוא רב יותר והאטמוספרה המגינה של כדור הארץ הופכת לדקה יותר. ההשפעות של קרינה בלתי נמנעת זו דומות במובנים מסוימים להשפעות של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI‏). בעוד מעטפת המתכת של החללית תספק רמה מסוימת של הגנה, יתכן שיהיה צורך לכלול הגנה נוספת על לוחות מעגל או כבלים שרגישים לפגיעת קרינה.

■ Flashover: זוהי פריקה‏ חשמלית רציפה של זרם גבוה ממוליך למשטח המתכת הקרוב. Flashover תתרחש בערכי מתח שונים, תלוי בצפיפות מולקולות האוויר, עם וקום החלל כמקרה קיצון, כך שמחברים חייבים להיות בעלי דרוג מתח מתאים עבור הגובה.

■ שיקולים פיזיים: האוריינטציה של המחבר והכבל שלו היא קריטית. לוויינים הם כמובן ארוזים בצפיפות, והלוויינים הידועים אך הזעירים CubeSat לוקחים צפיפות זו לרמה חדשה (איור 1‏). יחידת (U)‏ CubeSat יחידה מתוקננת כ-‏10 ×‏ ‏10 ×‏ ‏10 סנטימטרים (cm), ולוויין‏ CubeSat שלם יכול להיות בגודל 1U‏, 2U,‏ U‏3, 6U או U‏12‏.

אם המחבר מתוכנן כך שהכבלים באוריינטציה אנכית בזוויות ישרות ללוח המעגל, הלוחות בתוך ה-CubeSat אינם יכולים להיות מרווחים בצפיפות כי המחבר והכבל יפריעו. עם זאת, מחברים אופקיים ומכללי כבל מתחברים מתמודדים עם סוגיה זו על ידי ניתוב הכבלים מהשפה של לוח המעגל המודפס הצידה סביב קצה הגיבוב, ובכך מקטינים את המרווח הדרוש מעל לוח המעגל.

מידה אחת אינה מתאימה לכולם – וכנראה אף פעם לא תתאים

המתחים, הזרמים, התדרים, ודרישות הביצועים הנוספות השונים של מסלולי החברור השונים משמעותם היא שמשפחת מחברים יחידה תהיה מוגדרת הרבה מעל או מתחת במצבים רבים, ולא ניתן לקבל אף אחד מהתנאים האלה, אם כי מסיבות שונות. זאת ועוד, אין “סטנדרט” יחיד המגדיר מחבר מדורג-חלל. במקום זה, ישנם סטנדרטים עבור תכונות ביצועים ספציפיות כגון שחרור גזים. ה-NASA Parts Selection List‏ (NPSL) משמשת כמדריך להגדרת רכיבים עבור טכנולוגיות חלל, ורכיבים ברשימות חלקים מוסמכים (QPLs) אלו הם ספציפיים ליישומי חלל. באירופה, מחברים בדרוג-חלל נושאים את הסמכת ה-European Space Agency‏ (ESA/ESCC).

מתכנן שבוחר מחברים חייב להגיע לאיזון בין דרוגי מחבר וקריטיות המשימה. דרוג יתר של מחברים יכול להוביל לעלויות רציניות ובעיות זמינות/זמן-אספקה. מצד שני, יהיה מצער ומתסכל אם לוויין CubeSat יכשל בטרם עת בגלל חוסר הבנה או הבנה חלקית בנושאי מחבר. לכן, חשוב לספק ‏פרספקטיבה מציאותית של דרישות פרויקט מול אופציות מחבר וכבל.

אפשרויות בחירה רבות להתאמה לדרישות

כדי לאפשר למתכננים לתפור באופן אופטימלי את הבחירות שלהם מול מנדטים מדורגי-חלל, יצרנים כמו Harwin מציעים משפחות מרובות של מחברים. כל משפחה, בתורה, היא בעלת שינויים מרובים מבחינת סוג ומספר מגעים, סידורי חיבור, אפשרויות אחיזה ומאפיינים אחרים. מבין משפחות מחברי Harwin הרלוונטיות נמצאות:

■ משפחת ה-Mix-Tek Datamate מציעה‏ מגוון רחב של תצורות עבור מחברי אותות, הספק וקואקסיאליים, מאפשרת למהנדסים לבחור את סידורי המחבר המתאימים היטב ליישומים שלהם (איור 2‏). מגעי הספק מדורגים עד 20 אמפר (A), מגעי אותות מטפלים ב-A‏ 3‏ ומגעים קואקסיאליים מספקים ביצועי 6 ג’יגה-הרץ (GHz) עם עכבה של 50 אוהם (Ω).

האמינות הגבוהה מושגת על ידי השימוש במגעים הפוכים בשילוב עם מהדקי מגע בריליום נחושת ארבע-אצבעות של Harwin. מחברי Mix-Tek זמינים במגוון תצורות חוטים ומוכנות-לוח עם מקסימום 50 מגעי תדר-נמוך או 12 מגעים מיוחדים (קואקסיאליים והספק). המחברים, עם פסיעה של 2 מ”מ, ניתנים לערבוב והתאמה בכמעט כל שילוב של מגעי אותות, הספק וקואקסיאליים.

■ משפחת מחברי ה-Kona אמינות-גבוהה, פסיעה של 8.5 מ”מ, מספקת חיבור זרם-גבוה, איכות-גבוהה, עבור סביבות תובעניות (איור 3). מגעים עטופים בנפרד משיגים זרם רציף של 60‎ A‏ ב-3,000‏ וולט למגע, עם דרוג עמידות של 250 מחזורי חיבור-ניתוק. תכן המגע של שש-אצבעות עשוי מבריליום נחושת ומצופה זהב כדי לשמור על רציפות חשמלית תחת רעידות וזעזועים חזקים, וזמין במארז שורה-אחת קומפקטי בתצורות כבל-ללוח.

■ מחברי ההספק M300 מציעים טווח של דרוגי הספק עם אמינות וביצועים גבוהים, משיגים חיבור אספקת-כוח קומפקטי של עד ‏‎10 A למגע, ובכך מספקים פתרון חסון וקל-משקל עם רקורד ביצועים מוכח בתנאים קיצוניים (איור 4). המחברים מגנים מפני רעידות וזעזועים עם ברגים מגביהים מורכבים עשויים פלב”ם.

תמונה של מחברי הספק Harwin M300

תכן המגעים המוכח של ארבע-אצבעות שומר על רציפות חשמלית למרות סביבות של רעידות וזעזועים חזקים. מחברי לוח מעגל מודפס עם פסיעה של 3 מ”מ, מחברי כבל לחיצה ומכללי כבל מוכנים-לשימוש אלה מסוגלים לעמוד בתחום טמפרטורות של 65°C- עד 175°C+ והם עמידים ב-1,000 מחזורי חיבור-ניתוק.

CubeSat דוחף‏ משפחה מיוחדת

משפחת ה-Gecko של מחברים ומכללי כבל מתוכננים להתאים לנפח הגדול יחסית ולדרישות הפחות נוקשות לאורך ממדים מסוימים עבור יישומי CubeSat (איור 5). מחברים אלה מספקים פתרונות חברור פרופיל-נמוך כבל-ללוח ולוח-ללוח, ומתאימים היטב במיוחד עבור גיבוב וחיבור כבל באזורים בהם נדל”ן PCB הוא יקר המציאות.

מחברי Gecko הם מחברים מלבניים אמינות-גבוהה עם פסיעה של 1.25 מ”מ ומסופקים כבתי מחבר עם מגעים ניתנים להחלפה המוזמנים בנפרד. המחברים משתמשים במגעי לחיצה קנה-כבל (cable-barrel), ובתי המחבר זמינים בגרסאות זכר ונקבה; מחברי זנב (tail connectors) לוח מעגל מודפס חור-עובר אנכיים ואופקיים ומחברי הרכבה-משטחית אנכיים מיועדים עבור חברור כבל-לכבל, כבל-ללוח ולוח-ללוח.

מחברי ה-Gecko הם קטנים ב-45% וקלים ב-75% לכל היותר ממקבילים בסטנדרט-תעשייה קיימים ו-Micro-D, עם משקל אופייני של 1 גרם (g) בערך. הם מוצעים בשלושה וואריאנטים שאינם ניתנים לחיבור אחד לשני:

■ סדרת מחברי Gecko-SL (נעילת בורג (Screw-Lok)): מחבר אחד הוא בעל ברגים צפים עבור חברור איתן ומאובטח עם בן-זוגו (איור 6‏). לנעילת בורג (Screw-Lok) יכולות גם להיות יתדות לוח או פנל עבור אחיזה מאובטחת של לוח מעגל או מארז. המגעים מדורגים ‎2.8 A למגע מבודד ו-‎2.0 A לכל המגעים סימולטנית. מחברים אלה מוצעים כמחברים אופקיים כמו גם מכללי כבל מתחברים עבור גיבוב לוח צפיפות-גבוהה.

לדוגמה, ה-‏G125-3241696M2 הוא מחבר Gecko-SL מלבני להרכבה בפנל, 16-מגעים, עם פסיעה של 1.25 מ”מ (איור 7‏).

■ Gecko-MT (טכנולוגיה מעורבת): מחברים אלה הם גרסאות מערך-מעורב של סדרת Gecko-SL (איור 8‏). על ידי השלמת מגעי הנתונים עם שניים או ארבעה מגעי הספק A‏ 10‏ בתצורות הספק/נתונים של 1 + 8 + 1 או 2 + 8 + 2, מוצרי ה-Gecko-MT מאפשרים הפחתות מקום ומשקל משמעותיות של חומרת אלקטרוניקה.

הם זמינים בתצורות כבל או חור-עובר, עם אותן ואריאציות קיבוע Screw-Lok כמו מחברי Gecko-SL, ובמגוון תצורות מגעים של אותות (שתי שורות) והספק (שורה יחידה).

ה-G125-FV10805F1-1AB1ABP הוא מחבר שקע Gecko-MT ‏10-מגעים עם שמונה מגעי אותות ושניים הספק, ובכך מאפשר למחבר יחיד לשרת את שתי הפונקציות (איור 9‏).

■ Gecko Latch (תכן מקורי): המחברים הזכריים במשפחה זו יכולים להיות מצוידים עם תפסי נעילה קלים-לשחרור עבור חברור מאובטח למחבר הנקבי המתאים (איור 10‏).

ה-G125-FS12005LOR, מחבר שקע הרכבה-משטחית, ‏20‏-מגעים, הוא דוגמה של תכן ה-Gecko Latch (איור 11‏).

סדרות ה-Gecko-SL ו-Latch‏ מציעות בין 6 ו-50 מגעים בתצורת שתי שורות. בתי המחבר הם מקוטבים כדי למנוע חיבור שגוי ובצידם החיצוני מצויין מגע מספר אחד.

מעטים אחוריים (Backshells‏) אופציונליים ממתכת המתאימים למחברי Gecko-SL כמו גם Gecko-MT הם זמינים כדי לספק הגנה מכנית, תדר רדיו (RF) ו-EMI, כמו המעטה האחורי (מכסה) G125-9702002 עבור מחברי Gecko-SL ‏20-מגעים (איור 12‏).

על ידי הפיכת המעטים האחוריים (Backshells‏) לאופציונליים, תכנים שאינם דורשים הגנות כאלה אינם מועמסים עם המשקל של מחבר עם מעטה מתכת. עבור גמישות נוספת, המעטים האחוריים מתחברים ללוח המעגל במקום למחבר.

אל תשכח את הכבל ואת מכלל הכבל

קל להשקיע זמן ואנרגיה בבחירת מחבר, אבל זהו רק חלק מסיפור הקישוריות, מאחר והכבל הקשור למחבר הוא חשוב באותה המידה. מבין ברירות החיברור המוכתבות על ידי סוג האות וההתקנה נמצאות חוטים בסיסיים, זוגות שזורים, חוטים מסוככים וכבלי קואקס. למתכננים יש חמש ברירות כשמדובר בהשגת מכלל כבל:

1. עשה-זאת-בעצמך (ייצור פנים-ארגוני)
2. השתמש במגעים תרם-לחוצים וחוטים
3. השתמש במכללי כבל מוגמרים
4. הגדר מכלל כבל שלם עשוי לפי הזמנה שהוא וריאציה של מוצר סטנדרטי
5. הגדר מכלל כבל מותאם-במיוחד במלואו העשוי במיוחד עבור הדרישות

בשל השימוש הרחב במחברי Gecko, רבים ממכללי הכבל הדרושים זמינים כסטנדרט, פריטים מוגמרים, ובכך מקצרים זמן אספקה ומקטינים אי-ודאות. לדוגמה,ה-G125-FC11205F0-0150F0 ‏הוא מכלל כבל 12‏-חיבורים שהוא באורך 150 מ”מ ומתוכנן עבור חברור שקע לשקע (איור 13‏).

מסקנה

חשוב לחפש מחברים שהם הקטנים ביותר וקלי המשקל ביותר האפשריים עבור טווח הביצועים הדרוש ולא להגזים בדרישות היכן שהמספרים או היעדים ההדוקים יותר אינם נדרשים.

זה נכון במיוחד בשוק ה-CubeSat, כיוון שלוויינים זעירים אלה מתוכננים להיות מגובבים גיבוב מרובה בטיל בו מקום כמו גם משקל הם יקרי המציאות.

עבור לוויינים נפוצים אלה, כמעט “לשוק המוני”, מחברי ומכללי כבל Gecko מאפשרים למתכננים לנהל את מציאות הביצועים והעלויות כשהם שואפים לאזן את הפשרות המרובות, הסותרות לפעמים, בבחירת רכיב.

אודות המחבר:

Dany Haikin, Application Engineer & Technical Support Manager at Digi-Key Electronics, has been with the company since 2012 with primary responsibility for applicational and technical support of Digi-Key customers in Israel. He has over 35 years of experience in the electronics industry and holds an Electrical Engineering degree from the Technion – Israel Institute of Technology in Haifa.

---