Connecteurs de qualité spatiale

Les composants électroniques et électriques et leurs interconnexions sont soumis à des contraintes extrêmes lors du lancement et de la mise en orbite des satellites en orbite basse (OTB). Il est essentiel de relever ces défis pour les nombreuses entreprises spatiales privées et les agences spatiales gouvernementales qui ouvrent la voie aux satellites OTB.

Lors des missions OTB, les interconnexions doivent répondre entre autres aux exigences élevées en matière de vibrations, de décharges électrostatiques, de dégazage, de températures extrêmes (de -270°C à 200°C) et de taille, de poids et de puissance (SWaP). Comprendre les facteurs qui influencent le coût et les performances des connecteurs pour engins spatiaux peut permettre aux concepteurs de faire en sorte que les lanceurs, les satellites OTB et les constellations utilisés dans l'industrie spatiale d'aujourd'hui atteignent les objectifs critiques de leur mission.

Au cours des dernières années, le coût du lancement d'un kilogramme de charge utile dans l'espace a considérablement baissé, en partie grâce à la réutilisation des principaux composants des lanceurs. 

Toutefois, la réduction de la taille et du poids des interconnexions implique des compromis. En effet, plus les dimensions sont réduites, plus il est difficile de maintenir des tolérances précises. Par ailleurs, les matériaux devenant moins massifs, il est difficile de préserver la résistance, les forces de maintien des connexions et la résistance aux contraintes mécaniques.

Les propriétés, la qualité et les tolérances des matériaux doivent être validées pour garantir les performances élevées des connecteurs légers et miniaturisés des engins spatiaux. Tous les maillons de la chaîne d'approvisionnement, y compris les matières premières et les pièces assemblées, doivent répondre à des normes définies et élaborées par des organisations, notamment :

• NASA
• Département de la Défense des États-Unis (DoD)
• SAE International
• Organisation internationale de normalisation
• Agence spatiale européenne
• Organisation indienne de recherche spatiale
• Agence japonaise d'exploration aérospatiale

Après l'assemblage final, les pièces doivent être testées individuellement afin de détecter l'absence de défaut pour garantir un fonctionnement continu dans un environnement spatial difficile.

Si les vibrations sont minimes dans l'espace, elles sont en revanche très importantes lors du lancement. Les mouvements de part et d'autre (axe latéral) et d'avant en arrière (axe de poussée) peuvent entraîner un désalignement ou une rupture de la zone de contact.

Les dommages se produisent généralement au niveau de connexions desserrées ou mal serties, de défauts de fil et de points de fatigue, ou lorsque des dégagements insuffisants ou des points mal acheminés provoquent une abrasion par frottement.

Pour supporter les effets des vibrations, de l'acoustique et des chocs extrêmes, de nombreux facteurs doivent être pris en compte, notamment :

• Forces de verrouillage

• Mécanismes de verrouillage 

• Fatigue des fils      

• Joints de soudure      

• Matériaux d'enrobage      

• Isolation

La température dans l'espace est de 2,725 Kelvin (-454,72 °F/-270,4 °C). Cependant, les systèmes embarqués dans les satellites OTB fonctionnent sur une plage de -65 °C à 125 °C en fonction de la hauteur de l'orbite, du gain de chaleur solaire modéré par la rotation du satellite et de la chaleur générée par l'électronique. Les composants du système de propulsion, les loquets externes, les capteurs et les panneaux solaires sont soumis à des températures plus extrêmes.

L'exposition à des cycles thermiques avec des températures élevées et cryogéniques produit des tensions dans les matériaux en métal, en verre et en polymère qui aggravent les imperfections mineures, compromettent la solidité et dégradent les performances. Des températures plus élevées augmentent également la pression de vapeur et le taux de réaction chimique, ce qui accroît le dégazage. 

Pour chaque composant, des fils et câbles aux connecteurs et aux relais, il faut choisir des matériaux capables de supporter les températures extrêmes et les contraintes liées aux cycles thermiques.

Le dégazage se produit lorsque des gaz piégés dans des matériaux non métalliques, tels que les polymères utilisés dans les inserts de connecteurs, les joints, les adhésifs ou les matériaux d'enrobage, sont libérés dans le vide de l'espace ou sous l'effet de températures élevées. Les gaz libérés peuvent se condenser sur les surfaces sensibles et les contaminer, ce qui finit par dégrader les performances des capteurs à transfert de charges (CCD) dans les satellites, les radiateurs thermiques ou les cellules solaires. De plus, les gaz rejetés par les matériaux contribuent à des cycles de pression critique pendant les essais au sol et en vol, créant ainsi un environnement propice à une décharge de couronne (partielle) ou à un claquage électrique de Paschen (complet). 

Les tests ASTM E595-77/84/90 de la NASA et les spécifications MIL-W-22759 (M22759) | SAE AS22759 couvrent les performances d'un matériau lorsqu'il est exposé à une chaleur élevée ou à un vide. Tous les matériaux considérés comme à faible dégazage doivent présenter une perte de masse totale inférieure ou égale à 1,00 % et un taux de matières volatiles condensables collectées (CVCM) inférieur ou égal à 0,10 %.

Les matériaux inorganiques sont immunisés contre le dégazage et peuvent être utilisés, par exemple, dans les coques de connecteurs utilisant de l'aluminium avec une finition nickel chimique. Il est également possible de sélectionner des matériaux qui répondent aux exigences de la NASA en matière de faible dégazage lors des essais de cuisson au four thermique.

Les rapports indiquent que 54 % des anomalies ou défaillances des engins spatiaux sont dues à des décharges et des charges électrostatiques. 

Sur Terre, un matériau peut se charger électriquement lorsque des matériaux électriquement différents se frottent les uns aux autres. Mais dans les fils et câbles utilisés dans les engins spatiaux, une charge statique peut être créée par l'impact de particules chargées sur le matériau. Au-delà de l'orbite terrestre basse, les décharges électrostatiques sont plus préoccupantes pour les satellites en orbite terrestre géosynchrone (GEO) en raison de la densité de charge plus élevée dans l'espace lointain. Lorsque la charge s'accumule dans les fils et les câbles des systèmes d'interconnexion électrique, une décharge soudaine peut endommager les circuits logiques connectés, les instruments électroniques et les puces informatiques.

La vitesse et la taille d'une décharge électrostatique sont déterminées par la capacité d'un matériau à maintenir une charge (capacitance) et sa capacité à réduire le flux d'électrons (résistance). Une solution consiste à utiliser un blindage métallique pour créer un chemin qui favorise le flux d'électrons pour dissiper la charge.

La perméabilité magnétique, indiquée par la lettre grecque Q, désigne la capacité d'un matériau à former un champ magnétique. Les matériaux ayant un indice Q élevée deviennent hautement magnétiques lorsqu'un champ magnétique est appliqué, tandis que les matériaux à faible Q sont moins réactifs et présentent des niveaux de magnétisme plus faibles. Bien que les matériaux à Q élevée conviennent à certaines applications spatiales, les matériaux fortement magnétiques dans l'électronique peuvent dégrader les performances des circuits, la clarté du signal et la précision des instruments. 

Des connecteurs spatiaux et autres composants d'interconnexion ayant une perméabilité maximale de 2 Q ou moins sont généralement requis. Pour garantir une faible perméabilité, les concepteurs doivent éviter les matériaux ferromagnétiques, tels que l'acier au carbone couramment utilisé dans les anciens connecteurs subminiatures-D MIL-DTL-24308.

Les matériaux non ferromagnétiques, tels que l'aluminium, le cuivre, le titane et l'acier inoxydable austénitique, présentent généralement une perméabilité faible. Par exemple, l'aluminium avec une finition nickel chimique est souvent utilisé comme matériau de coque de connecteur.  

Les applications spatiales peuvent également nécessiter des interconnexions qui présentent un faible magnétisme résiduel, également connu sous le nom de faible rétention de champ magnétique. Par exemple, les matériaux en laiton des coques avec une finition or sur cuivre sont généralement utilisés dans les connecteurs subminiatures-D.

La corrosion affecte les interconnexions différemment dans l'espace par rapport à ce qui se passe sur Terre. Lors de la fabrication et du stockage d'engins spatiaux sur Terre, la corrosion galvanique peut se produire lorsque deux matériaux de placage différents sont en contact électrique direct l'un avec l'autre en présence d'un électrolyte. Dans la zone de contact, le matériau le moins résistant agit comme une anode, et l'autre matériau agit comme une cathode créant une cellule galvanique qui attaque, ou corrode, l'anode. 

Dans l'espace, aux altitudes de l'orbite terrestre basse (OTB) comprises entre 200 et 700 km, l'excitation UV des molécules d'O2 restantes à la périphérie de l'atmosphère forme de l'oxygène monoatomique. La corrosion par l'oxygène atomique (ATOX) se produit lorsque ces molécules d'oxygène monoatomique hautement réactives érodent l'aluminium et les plastiques.

Certains matériaux couramment utilisés dans les interconnexions commerciales ne conviennent pas aux connecteurs d'engins spatiaux. Exemples :

• Le placage d'étain à 100 % peut faire pousser une « barbe » pouvant provoquer des courts-circuits électriques catastrophiques. 
• Le placage d'argent est considérablement affecté par la corrosion ATOX. 
• Le cadmium est instable dans le vide. 
• Les plastiques sont très sensibles à l'ATOX, ainsi qu'aux rayonnements ionisants. 

La protection idéale contre la corrosion galvanique est d'utiliser le même matériau dans les deux contacts : aluminium avec aluminium, zinc avec zinc, etc. Une autre solution consiste à utiliser des matériaux à faible potentiel galvanique, tels que les polymères de qualité spatiale, les composites thermoplastiques et le verre (fibre optique). Les placages et les revêtements peuvent être utilisés avec des alliages pour éviter la formation d'une cellule électrolytique. Le câblage et les bornes en alliage de cuivre présentent un potentiel galvanique relativement faible lorsqu'ils sont associés au nickel, à l'étain et à l'argent. Le placage en or (Au) résiste à la corrosion ATOX, car l'Au est un métal noble qui résiste normalement à l'oxydation. Les revêtements de dioxyde de silicium peuvent protéger les polymères de la corrosion ATOX, car le SiO2 est déjà complètement oxydé.