Conectores de grado espacial

Los componentes electrónicos y eléctricos y sus conexiones se someten a un estrés extremo durante el lanzamiento y la puesta en órbita de los satélites LEO. Hacer frente a estos retos es esencial para las numerosas empresas y agencias gubernamentales en la industria espacial que son pioneras en los satélites LEO.

En las misiones de LEO, las conexiones deben cumplir con requisitos exigentes para factores como vibración, descarga electrostática, desgasificación, temperatura (de –270 °C a 200 °C), y tamaño, peso y potencia (SWaP), entre otros.
Comprender los factores que influyen en el costo y el rendimiento de los conectores para naves espaciales puede ayudar a cumplir los objetivos vitales de los vehículos de lanzamiento, los LEO y las constelaciones que se utilizan en la industria espacial actual.

En los últimos años, el costo de lanzar un kilogramo de carga útil al espacio se ha reducido de manera significativa, debido en parte a la reutilización de los principales componentes de los vehículos de lanzamiento. 

No obstante eso, reducir el tamaño y el peso de las conexiones implica hacer concesiones. A medida que las dimensiones se reducen, resulta más difícil mantener tolerancias precisas. Y a medida que los materiales pierden masa, es difícil mantener la solidez, las fuerzas de retención de acoplamiento y la resistencia al estrés mecánico.

Las propiedades, la calidad y las tolerancias de los materiales deben validarse para garantizar el alto rendimiento de los conectores ligeros y miniaturizados en las naves espaciales. Todo en la cadena de suministro, como las materias primas y las piezas ensambladas, debe cumplir con estándares definidos y desarrollados por organizaciones, entre las que se incluyen las siguientes:

• NASA
• Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD)
• SAE International
• Organización Internacional de Normalización
• Agencia Espacial Europea
• Organización de Investigación Espacial de la India
• Agencia de Exploración Aeroespacial de Japón

Después del ensamble final, las piezas deben someterse a pruebas individuales para verificar que no estén defectuosas a fin de garantizar que operen de manera continua en un entorno espacial severo.

Aunque las vibraciones en el espacio son mínimas, son significativas durante el lanzamiento. El movimiento de lado a lado (eje lateral) y de adelante hacia atrás (eje de empuje) puede provocar desalineación o rotura en la zona de contacto.

Por lo general, los daños se producen en conexiones sueltas o mal remachadas, defectos en cables y puntos de fatiga, o cuando las insuficientes distancias o los puntos mal enrutados causan abrasión.

Para superar los efectos de las vibraciones, la acústica y los impactos extremos, se deben tener en cuenta muchos factores, tales como:

• Fuerzas de sujeción

• Mecanismos de bloqueo 

• Fatiga de cable      

• Conexiones por soldadura o soldadas      

• Materiales de encapsulación      

• Aislamiento

La temperatura en el vacío del espacio es de 2.725 Kelvin (–454.72 °F/–270.4 °C); sin embargo, los sistemas a bordo de los satélites LEO funcionan dentro de un rango de –65 °C a 125 °C, en función de la altura de la órbita, la ganancia de calor solar moderada por el giro del satélite y el calor generado por la electrónica. Los componentes del sistema de propulsión, los dispositivos de sujeción externos, los sensores y los paneles solares están sujetos a temperaturas más extremas.

La exposición a ciclos térmicos y a temperaturas criogénicas máximas y mínimas extremas produce tensiones en metal, vidrio y materiales poliméricos, lo que agrava las pequeñas imperfecciones, pone en riesgo la resistencia y degrada el rendimiento. Las temperaturas más altas también aumentan la presión de vapor y la velocidad de reacción química, lo que incrementa la desgasificación. 

Para cada componente, como cables y alambres, y conectores y relevadores, se deben seleccionar materiales que puedan adaptarse a las temperaturas máximas y al estrés de los ciclos térmicos.

La desgasificación ocurre cuando los gases atrapados en materiales no metálicos, como los polímeros utilizados en insertos de conectores, sellos, adhesivos o materiales de encapsulado, se liberan en el vacío del espacio o por altas temperaturas. Estos gases pueden condensarse y contaminar superficies sensibles, lo que, con el tiempo, degrada el rendimiento de los sensores de dispositivos acoplados por carga (CCD) en satélites, radiadores térmicos o celdas solares. Además, los gases contribuyen a los regímenes de presión crítica durante las pruebas en tierra y en vuelo, lo que crea las condiciones para una descarga de corona (parcial) o un evento de ruptura eléctrica (total) de Paschen. 

Las pruebas ASTM E595‑77/84/90 de la NASA y la especificación MIL‑W‑22759 (M22759) | SAE AS22759 cubren el rendimiento de un material cuando se expone a altas temperaturas o a vacío. Todo material considerado de baja desgasificación debe cumplir con los requisitos de una pérdida de masa total igual o inferior a 1.00 % y un material condensable volátil recolectado (CVCM) igual o inferior al 0.10 %.

Los materiales inorgánicos son inmunes a la desgasificación y se pueden utilizar, por ejemplo, en carcasas de conectores que utilizan aluminio con un acabado de níquel químico. También se pueden seleccionar materiales que cumplan con los requisitos de la NASA para baja desgasificación en las pruebas de aplicación de calor en horno térmico.

Los informes indican que el 54 % de las anomalías o fallas en las naves espaciales se deben a cargas y descargas electrostáticas. 

En la Tierra, un material puede cargarse eléctricamente cuando materiales eléctricamente diferentes se frotan entre sí. Pero en los cables y alambres que se utilizan en las naves espaciales, se puede crear una carga estática por el impacto de partículas cargadas en el material. Más allá de la órbita terrestre baja, la preocupación por la descarga electrostática (ESD) se vuelve mayor para los satélites en órbita terrestre geosíncrona (GEO) debido a la mayor densidad de carga en el espacio profundo. Cuando la carga se acumula en cables y alambres de sistemas de conexión eléctrica, una descarga repentina puede dañar circuitos lógicos conectados, instrumentos electrónicos y chips de computadora.

La velocidad y el tamaño de una descarga electrostática están determinados por la capacidad de un material para mantener una carga (capacitancia) y su capacidad para reducir el flujo de electrones (resistencia). Una solución es utilizar un blindaje metálico para crear una vía que favorezca el flujo de electrones para disipar la carga.

La permeabilidad magnética, representada por la letra griega Q, denota la capacidad de un material para formar un campo magnético. Los materiales con alta Q se vuelven muy magnéticos cuando se aplica un campo magnético; los materiales de baja Q son menos sensibles y presentan niveles más bajos de magnetismo. Si bien los materiales con alta Q son adecuados para algunas aplicaciones espaciales, los materiales muy magnéticos pueden degradar el rendimiento del circuito, la claridad de la señal y la precisión de la instrumentación en la electrónica. 

En mayor parte, se requieren conectores de grado espacial y otros componentes de conexión con una permeabilidad máxima de 2 Q o inferior. Para garantizar una Q baja, los diseñadores deben evitar los materiales ferromagnéticos, como el acero al carbono que se utiliza por lo común en los conectores D‑Sub MIL‑DTL‑24308 anteriores.

Los materiales no ferromagnéticos, como el aluminio, el cobre, el titanio y el acero inoxidable austenítico, en mayor parte exhiben una baja Q. Por ejemplo, el aluminio con un acabado de níquel químico se utiliza a menudo como material para la carcasa del conector.  

Las aplicaciones espaciales también pueden requerir conexiones que presenten un magnetismo residual bajo, también conocido como baja retención de campo magnético. Por ejemplo, en los conectores D‑Sub, por lo general se utilizan materiales de latón con acabado de chapado en oro sobre cobre en las carcasas.

La corrosión afecta las conexiones de manera diferente en el espacio que en la Tierra. Cuando las naves espaciales se fabrican y almacenan en la Tierra, puede producirse corrosión galvánica cuando dos materiales con revestimientos diferentes están en contacto eléctrico directo en presencia de un electrolito. En el área de contacto, el material menos resistente actúa como ánodo y el otro material actúa como cátodo creando una celda galvánica que ataca o corroe el ánodo. 

En el espacio, a altitudes LEO entre 200 km y 700 km, la excitación UV de las moléculas de O2 restantes en la franja de la atmósfera forma oxígeno monatómico. La corrosión por oxígeno atómico (ATOX) ocurre cuando estas moléculas de oxígeno monoatómico, muy reactivas, erosionan el aluminio y los plásticos.

Algunos materiales de uso común en conexiones comerciales no son adecuados para conectores en naves espaciales. Por ejemplo:

• El revestimiento de estaño al 100 % puede generar filamentos que pueden provocar cortocircuitos eléctricos catastróficos. 
• La corrosión ATOX afecta de manera significativa el revestimiento de plata. 
• El cadmio es inestable en el vacío. 
• Los plásticos son muy sensibles al ATOX, así como a la radiación ionizante. 

La manera ideal de proteger contra la corrosión galvánica es utilizar el mismo material en ambos contactos: aluminio con aluminio, zinc con zinc, etc. Como alternativa, es útil emplear materiales con bajo potencial galvánico, como polímeros de grado espacial, compuestos termoplásticos y vidrio (fibra óptica). Los recubrimientos y los revestimientos se pueden utilizar con aleaciones para evitar la formación de una celda electrolítica. Los cables y los terminales de aleación de cobre presentan un potencial galvánico relativamente bajo cuando se combinan con níquel, estaño y plata. El revestimiento de oro (Au) resiste la corrosión por ATOX porque el oro es un metal noble que suele resistir la oxidación. Los revestimientos de dióxido de silicio pueden proteger los polímeros de la corrosión ATOX porque el SiO2 ya está oxidado por completo.