Weltraumtaugliche Endgehäuse für Micro-D- und D-Sub Stecker

Wenn Entwickler die Fähigkeit eines Backshell (Endgehäuse) zum Schutz von Steckverbinder-zu-Kabel- und Steckverbinder-zu-Kabelendverschluss-Verbindungen bewerten, lohnt es sich, qualitativ hochwertige und wirtschaftliche Lösungen in Betracht zu ziehen, die mehreren Herausforderungen gerecht werden. Zu den wichtigsten Funktionen von Endgehäusen gehören die Zugentlastung an der Rückseite des Außengehäuses (wo die Kontakte mit den Drähten oder Kabeln verbunden werden), die Abschirmung gegen elektromagnetische Störungen (EMI) und der Umweltschutz.

Die Materialeigenschaften von Endgehäusen aus Aluminiumlegierungen oder thermoplastischen Verbundwerkstoffen müssen robust, leicht und präzise Steckbarkeit gewährleisten. Die physikalischen Eigenschaften müssen die Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen, Schwingungen, Temperaturen und Korrosion umfassen. Die Bewältigung dieser Herausforderungen ist besonders wichtig, wenn elektronische Systeme Überschallgeschwindigkeiten und hohen Gravitationskräften (g) ausgesetzt sind.

Die Micro-D und D-Subminiatur Backshells von TE Connectivity (TE) für Raumfahrtanwendungen erfüllen die Anforderungen an Funktion, Material und Leistung – dort, wo es auf Qualität und Erschwinglichkeit ankommt.

Die Entwicklung der D-förmigen Steckverbinder hat sich von den in den 1950er Jahren entwickelten D-Sub-Miniatursteckverbindern (D-Sub) über die in den frühen 1970er Jahren eingeführten kompakteren Micro-D-Miniatursteckverbinder (Micro-D) bis hin zu den heutigen Hochleistungs-D-Sub- und Micro-D-Versionen entwickelt, die die Vorteile der fortschrittlichen rechteckigen Backshell-Technologie für Raumfahrtanwendungen nutzen.

Heute können Rack- und Panel-Steckverbinder hochspezialisierte D-Sub-Backshells von TE für MIL-DTL-24308-konforme Steckverbinder und Micro-D-Backshells für MIL-DTL-83513-konforme Steckverbinder in kompakten, rechteckigen Formfaktoren verwenden. Wie bei den runden Standardausführungen bieten rechteckige Backshells wichtige funktionelle Vorteile, wie z. B.:

Die Zugentlastung unterstützt Kabel und Drähte, um ein Überbiegen oder Knicken zu verhindern. Dies kann je nach Kundenwunsch und Prüfanforderung mit einer Warmschrumpfmuffe, einer Kabelklemme oder einem Kabelbinderpfosten erfolgen. Kabelklemmen verhindern, dass Drähte an den Kontakten ziehen und der Anschluss mechanisch beschädigt wird. Um die Montage zu vereinfachen, sind die Sattelstangen-Kabelklemmen in das Endgehäuse integriert. Endgehäuse zur Zugentlastung bieten jedoch keinen EMV-Schutz oder Schutz vor Umwelteinflüssen und sollten nur in sauberen und trockenen Umgebungen verwendet werden.

EMI – im Hochfrequenzspektrum auch als Hochfrequenzinterferenz (Radio Frequency Interference, RFI) bezeichnet – kann einen elektrischen Stromkreis durch elektromagnetische Induktion, elektrostatische Kopplung oder Leitfähigkeit beeinflussen. Um die EMI-Auswirkungen zu vermeiden, kann die Abschirmung für elektromagnetische Verträglichkeit (Electromagnetic Compatibility, EMC) eine ordnungsgemäß geerdete, geflochtene Abschirmung oder eine Abschirmung sein, die mit dem Endgehäuse verbunden ist. Zur Befestigung der Abschirmung kann ein Standardband oder ein Mikroband verwendet werden.

Weitere Methoden zur Erhaltung der Unversehrtheit von Bauteilen umfassen:

Zum Schutz der Endgehäuse vor Umwelteinflüssen muss die gesamte Baugruppe mit einer Warmschrumpfmuffe abgedichtet werden. Die Muffe selbst muss ordnungsgemäß mit einer Vergussmasse oder einem Klebstoff abgedichtet werden, um das Eindringen von Wasser oder anderen Flüssigkeiten in die Verkabelung zu verhindern. Eine andere Lösung besteht darin, auf der Rückseite eines Steckverbinders, der als eigenständiges Gerät verwendet wird, eine Schutzkappe anzubringen.

Die Erdung des Systems erfolgt durch den Anschluss einer Abschirmung am Endgehäuse. Der einfachste Kabelanschluss mit Abschirmung besteht darin, den gesamten Umfang der Kabelabschirmung mit dem Endgehäuse zu verbinden. Es muss dann mit dem Gehäuse und schließlich mit der Flugzeugzelle verbunden werden, um ein geschlossenes System ohne Erdschleife zu gewährleisten. Die Verwendung eines Endgehäuses für die Erdung ist besonders wertvoll in Situationen, in denen eine Erdung über einen Stift nicht zulässig ist.

Endgehäuse in weltraumtauglichen Anwendungen erfordern eine spezielle Materialverarbeitung und präzise Steckschnittstellen. Bei metallischen Endgehäusen müssen Basismaterial und Beschichtung aufeinander abgestimmt sein, um galvanische Korrosion zwischen unterschiedlichen Metallen zu vermeiden. Bei Endgehäusen aus thermoplastischem Verbundwerkstoff korrodiert das nichtmetallische Material nicht, wiegt weniger als Metall und kann rauen Umgebungen besser standhalten.

Endgehäuse aus beiden Werkstoffen sind als Löthülsen-, vorverdrahtete und Leiterplattenausführungen erhältlich.

• Aluminium-Endgehäuse bestehen aus einer leichten, robusten, bearbeiteten Aluminiumlegierung und verwenden Zubehörteile aus rostfreiem Stahl. Die Beschichtung erfolgt in der Regel mit chemischem Nickel, das eine niederohmige, leitfähige Oberfläche ergibt, die für nicht umweltrelevante Anwendungen geeignet ist. Die Vergoldung bietet eine hervorragende Beständigkeit gegen Weltraumkorrosion und Strahlung. Da die Cadmiumbeschichtung im Vakuum sublimiert, ist sie für Anwendungen, bei denen Ausgasungen ein Problem darstellen, nicht akzeptabel.
• Thermoplastische Verbundgehäuse werden aus chemikalienbeständigen thermoplastischen Verbundwerkstoffen hergestellt, die das Gewicht des Verbindungssystems erheblich reduzieren und SO2-Nebel besser widerstehen als metallische Gehäuse. Da Verbundgehäuse für EMI durchlässig sind, wird eine chemische Vernickelung zur EMV-Abschirmung verwendet.

Präzises Stecken trägt dazu bei, die elektrische Integrität einer Verbindung zu gewährleisten, indem Diskontinuitäten im Durchmesser zwischen Paaren beseitigt werden. Präzise gefertigte Endgehäuse ermöglichen nicht nur ein präzises Stecken zwischen den Schnittstellen, sondern auch eine hohe Gegensteckarretierung. Für eine einfache Montage über konfektionierte Leitungen können zweischalige Endgehäuse ohne ferromagnetische Klammerkomponente über den Steckverbinder geschoben werden und verwenden Schraubverschlüsse zum Kuppeln der Steckverbinder. (Einteilige Endgehäuse müssen jedoch auf das Kabelbündel aufgesetzt werden, bevor die Kabel-auf-Steckverbinder-Anschlüsse hergestellt werden). Bei Endgehäusen, die eine Plattform für die Bandierung benötigen, kann ein flaches Mikroband verwendet werden, das schmale, platzsparende Bandbreiten ermöglicht.

Während des Starts, im Flug und in der Umlaufbahn sind Endgehäuse, die für Verbindungen an Bord von Raumfahrzeugen verwendet werden, extremen Bedingungen ausgesetzt, die kritische Leistungsmerkmale erfordern.

Spezifische Eigenschaften des Endgehäuses spielen eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der elektrischen Kontinuität, indem sie Spannungen und Dehnungen bei starken Schwingungen und extremen g-Kräften reduzieren. Die D-Sub und Micro-D Endgehäuse von TE sind so konzipiert, dass sie die Anforderungen der Kunden erfüllen und für die jeweilige Anwendung geeignet sind, und nicht für allgemeine Spezifikationen.

*  Tipp für den Erfolg: Wenn eine EMV-Abschirmung erforderlich ist, kann der Designer den Micro-Band-Anschluss zu diesem Zweck verwenden und hat auch einen gewissen Schutz gegen unbeabsichtigtes Lösen aufgrund von Schwingungen und Stößen. Die selbstkuppelnde Arretiermutter verbessert den mechanischen Schutz gegen Lösen bei Schwingungen.

Eine leichte Zugentlastung kann durch den Einbau von Ankerstäben in Banding-Endgehäuse erreicht werden. Ankerstäbe sind bei Micro-D Endgehäusen optional, da die Drähte in der Regel vergossen sind und das Schirmgeflecht eine ausreichende Zugentlastung bietet. Das Vergießen allein sorgt für eine gewisse Zugentlastung. Das Epoxidharz oder ein anderes Material, das zum Ausfüllen des Raums auf der Rückseite eines Steckverbinders verwendet wird, härtet zu einem Feststoff aus und bietet eine gewisse Haltekraft, um die Kontakte im Gehäuse zu halten.

Kabeleinführungspunkte sind ebenfalls anfällig für Schwingungen. Elliptisch geformte Kabeleinführungen können im Vergleich zu runden Kabeleinführungen zur Verringerung des Kontaktwinkels und zur Minimierung der Verschleißzonen verwendet werden. Ungleiche Kräfte um Bänder in elliptischen Kabeleinführungen sind jedoch problematisch, da der größere Radius dazu neigt, ein Herausziehen der Geflechte zu ermöglichen. Eine gute Verarbeitung kann dieses Problem mindern, aber diese Art der Einbringung wird bei starken Schwingungen nicht empfohlen.

Ob es sich um sehr hohe Spitzentemperaturen, niedrigen Tiefsttemperaturen oder den Wechsel zwischen hohen und niedrigen Temperaturen handelt, Materialien, die extremen Hitze- und Kältebelastungen ausgesetzt sind – Metalle, Glas und Polymere – können zu Rissbildung und Ermüdung führen. Sie können aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten auch zu Verformungen von Baugruppen und zum Bruch von Abdichtungen führen.

Im Allgemeinen sind die Endgehäuse von TE nach MIL-STD-883 für einen Temperaturwechselbereich von –55 °C bis +125 °C zertifiziert. Für die kryogene Kälte des Weltraums und für die Elektronik bei höheren Temperaturen stehen jedoch spezielle Werkstoffe und Beschichtungen zur Verfügung (Abbildung 1).

Ausgasen tritt auf, wenn Gase, die in nichtmetallischen Materialien eingeschlossen sind, wie z. B. in Polymeren, die in Steckverbindern, Abdichtungen, Klebstoffen oder Vergussmassen verwendet werden, im Vakuum des Weltraums oder bei hohen Temperaturen freigesetzt werden. Die freigesetzten Gase können auf empfindlichen Oberflächen kondensieren und diese verunreinigen, was schließlich die Leistung von CCD-Sensoren (Charge Coupled Device) in Satelliten, Wärmestrahlern oder Solarzellen beeinträchtigen kann.

NASA ASTM E595-77/84/90 Prüfungen und MIL-W-22759 (M22759) | Die SAE AS22759 Spezifikation deckt das Verhalten eines Materials ab, wenn er hoher Hitze oder Vakuum ausgesetzt ist. Werkstoffe, die als Materialien mit geringer Ausgasung gelten, müssen die Anforderungen an den Gesamtmassenverlust von 1,00 % oder weniger und an das gesammelte flüchtige kondensierbare Material (CVCM) von 0,10 % oder weniger erfüllen.

*  Tipp für den Erfolg: Weltraumtaugliche Micro-D Steckverbinder und Endgehäuse müssen die Anforderungen der MIL-DTL-83513 für Materialausgasung in einer Vakuumumgebung erfüllen.

Im Weltraum gibt es keine Atmosphäre, die Materialien vor der Einwirkung von Röntgen-, Gamma- und kosmischer Strahlung schützt. Die Degradation durch ultraviolette Strahlung (UV) wirkt sich negativ auf die Materialeigenschaften elektronischer Bauteile aus – und  kann sogar die molekulare Zusammensetzung von Materialien verändern. Dies geschieht durch die Entfernung von Sauerstoffatomen aus sauerstoffhaltigen Substanzen. Dies kann dazu führen, dass Subsysteme für die thermische Kontrolle nicht richtig funktionieren, die Optik beeinträchtigt wird und Solaranlagen weniger effizient arbeiten.

In niedrigen Erdumlaufbahnen zwischen 200 km und 700 km (LEO) wird durch UV-Anregung der verbliebenen O2-Moleküle am Rand der Atmosphäre einatomiger Sauerstoff gebildet. Atomare Sauerstoffkorrosion (ATOX) tritt auf, wenn diese hochreaktiven einatomigen Sauerstoffmoleküle Aluminium und Kunststoffe angreifen. Eine Lösung ist die Verwendung von Materialien mit niedrigem galvanischem Potenzial, wie z. B. weltraumgeeignete Polymere, thermoplastische Verbundwerkstoffe und Glas (Glasfaser).

Beschichtungen und Überzüge können mit Legierungen verwendet werden, um die Bildung einer Elektrolysezelle zu verhindern. Die Goldbeschichtung ist beständig gegen ATOX-Korrosion, da Gold ein Edelmetall ist, das normalerweise oxidationsbeständig ist. Siliziumdioxidbeschichtungen können Polymere vor ATOX-Korrosion schützen, da SiO2 bereits vollständig oxidiert ist. Im Allgemeinen können LEO-Satelliten eine spezielle UV-Abschirmung für ihre elektronischen Systeme verwenden, um die UV-Degradation zu minimieren und die Komponenten zu schützen.

Heutzutage werden die Herausforderungen an die Verbindungstechnik in Raumfahrtanwendungen immer größer, da die Größe und das Gewicht von Komponenten und Gehäusen reduziert werden müssen. TE bietet eine breite Palette von NASA- und MIL-SPEC-konformen Produkten – zusammen mit Steckverbindern, Kabeln und kompletten Kabelbäumen – um die meisten Daten-, Video-, optischen und Steuerungskommunikationsanforderungen in der Luft- und Raumfahrt zu erfüllen.

Die weltraumtauglichen Endgehäuse von TE sind so konstruiert, dass sie den härtesten Bedingungen standhalten und gleichzeitig präzise montiert werden können. Was auch immer die Herausforderung ist: Sie können sich auf unser technisches Know-how und unsere Konstruktions- und Fertigungskapazitäten verlassen, um Ihre Mission zu unterstützen – vom Start bis zum Abfang oder Einsatz. 

• Die Auswahl der richtigen Endgehäuse für Weltraumanwendungen ist entscheidend für den Erfolg jeder Mission.
• Zu den wichtigsten funktionellen Herausforderungen gehören Zugentlastung, elektromagnetische Interferenz (EMI), Abdichtung gegen Umwelteinflüsse und die Sicherstellung einer ordnungsgemäßen Erdung des Systems.
• Die in Endgehäusen für Raumfahrtanwendungen verwendeten Materialien müssen korrosionsbeständig sein und rauen Umgebungen standhalten.
• Zu den extremen Bedingungen, die eine Herausforderung für die Leistungsfähigkeit darstellen, gehören Stöße und Schwingungen, extreme Temperaturen und Temperaturschwankungen, Ausgasungen und die Exposition gegenüber aggressiver Strahlung außerhalb der Erdatmosphäre.
• Mit Blick auf die Zukunft von Verbindungselementen für Raumfahrtanwendungen müssen die Teile hinsichtlich Größe und Gewicht optimiert werden.