Conectores para Uso no Espaço

Os componentes eletrônicos e elétricos e respectivas interconexões são submetidos a um estresse extremo durante o lançamento e colocação em órbita dos satélites em Órbita terrestre baixa (LEO). Enfrentar esses desafios é essencial para as diversas empresas espaciais privadas e as agências espaciais governamentais que são pioneiras no emprego de satélites LEO.

Nas missões de baixa órbita, várias características das interconexões devem cumprir requisitos exigentes relativos à vibração, descarga eletrostática, desgaseificação, temperaturas extremas (de -270 °C a 200 °C), relação entre tamanho, peso e potência, entre outras. Entender os fatores que influenciam o custo e o desempenho dos conectores de aeronaves espaciais pode ajudar os projetistas a atingir os objetivos de missão crítica de veículos de lançamento, satélites e constelações LEO empregados no atual setor espacial.

Nos últimos anos, o custo do lançamento de um quilograma de carga útil ao espaço caiu significativamente, em parte devido à reutilização dos principais componentes do veículo de lançamento. 

No entanto, reduzir o tamanho e o peso da interconexão envolve concessões. À medida que as dimensões se tornam menores, é mais difícil manter tolerâncias precisas. Quando os materiais se tornam menos maciços, fica mais difícil manter a força, a retenção do acoplamento e a resistência ao estresse mecânico.

As propriedades do material, a qualidade e as tolerâncias devem ser validadas para garantir o alto desempenho dos conectores leves e miniaturizados de aeronaves espaciais. Tudo na cadeia de suprimentos, incluindo matérias-primas e peças montadas, deve atender aos padrões definidos desenvolvidos pelas organizações, incluindo:

• NASA
• Departamento de Defesa dos EUA (DoD)
• SAE International
• Organização Internacional de Normalização
• Agência Espacial Europeia
• Organização Indiana de Pesquisa Espacial
• Agência de Exploração Aeroespacial do Japão

Após a montagem final, as peças devem ser testadas individualmente e garantir a inexistência de defeitos para permitir a operação contínua no ambiente adverso do espaço.

Embora a vibração no espaço seja mínima, ela é significativa durante o lançamento. O movimento de lado a lado (eixo lateral) e de frente para trás (eixo de impulsão) pode levar ao desalinhamento ou à quebra na área de contato.

Os danos geralmente ocorrem em conexões soltas ou crimpadas de forma inadequada , defeitos do fio e pontos de fadiga, ou onde espaços livres insuficientes ou pontos mal roteados permitem a abrasão por raspagem.

Para suportar os efeitos de vibrações, acústica e choque extremos, muitos fatores devem ser considerados, como:

• Forças de engate

• Mecanismos de travamento 

• Fadiga do fio      

• Solda de juntas      

• Materiais de encapsulamento      

• Isolamento

A temperatura no vácuo do espaço é de 2.725 Kelvin (-454,72 °F/-270,4 °C). No entanto, os sistemas a bordo de satélites LEO operam em uma faixa de -65 °C a 125 °C, dependendo da altura da órbita, ganho de calor solar moderado pela rotação do satélite e calor gerado pela eletrônica. Componentes do sistema de propulsão, travas externas, sensores e painéis solares estão sujeitos a temperaturas mais extremas.

A exposição à ciclagem térmica e aos picos superiores e inferiores de temperaturas criogênicas produz tensões nos materiais metálicos, de vidro e poliméricos que agravam pequenas imperfeições, comprometem a resistência e degradam o desempenho. Temperaturas mais altas também aumentam a pressão de vapor e a taxa de reações químicas, o que aumenta a desgaseificação. 

Os materiais devem ser selecionados para cada componente, dos fios e cabos aos conectores e relés, e devem suportar picos de temperaturas e o estresse da ciclagem térmica.

A desgaseificação ocorre quando gases presos em materiais não metálicos, como polímeros usados em inserções de conectores, vedações, adesivos ou materiais de encapsulamento, são liberados no vácuo do espaço ou por altas temperaturas. Os gases liberados podem condensar e contaminar superfícies sensíveis, resultando na degradação do desempenho dos sensores de dispositivos acoplados por carga (CCD) em satélites, radiadores térmicos ou células solares. Além disso, o gás liberado dos materiais contribui para regimes de pressão crítica durante o teste de solo e voo e criam o ambiente para uma descarga corona (parcial) ou um evento de pane elétrica Paschen (total). 

O teste NASA ASTM E595-77/84/90 e a especificação MIL-W-22759 (M22759) | SAE AS22759 abrangem o desempenho de um material quando exposto a alto calor ou vácuo. Para que um material seja considerado como de baixa desgaseificação, ele deve cumprir requisitos de perda total de massa de 1,00% ou menos e seu material volátil condensável coletado (CVCM) deve ser igual ou inferior a 0,10%.

Materiais inorgânicos são imunes à desgaseificação e podem ser usados, por exemplo, em carcaças de conectores que empregam alumínio com acabamento de níquel sem eletrólito. Também podem ser selecionados materiais que atendam aos requisitos da NASA para baixa desgaseificação em testes de aquecimento em forno térmico.

Os relatórios indicam que 54% das anomalias ou falhas das naves espaciais são causadas por descargas e cargas eletrostáticas. 

Na Terra, um material pode se tornar eletricamente carregado quando há atrito entre materiais eletricamente diferentes. Porém, nos fios e cabos usados nas aeronaves, uma carga estática pode ser criada pelo impacto das partículas carregadas no material. Além de aplicações em órbita terrestre baixa, a preocupação com a descarga eletrostática se torna maior para satélites em órbita terrestre geossíncrona (GEO) por causa da maior densidade da carga no espaço profundo. Quando a carga se acumula nos fios e cabos dos sistemas de interconexão elétrica, uma descarga repentina pode danificar os circuitos lógicos conectados, instrumentos eletrônicos e chips de computador.

A velocidade e o tamanho de uma descarga eletrostática são determinados pela capacidade de um material de reter uma carga (capacitância) e a respectiva capacidade de reduzir o fluxo de elétrons (resistência). Uma solução é empregar um método de blindagem metálica para criar um caminho que promova um fluxo de elétrons que dissipa a carga.

A permeabilidade magnética, representada pela letra grega Q, denota a capacidade de um material de formar um campo magnético. Materiais com alta Q tornam-se altamente magnéticos quando um campo magnético é aplicado; materiais com baixa Q são menos reativos e exibem níveis mais baixos de magnetismo. Enquanto materiais com alta Q são adequados para algumas aplicações espaciais, materiais fortemente magnéticos em componentes eletrônicos podem degradar o desempenho do circuito, a clareza do sinal e a precisão da instrumentação. 

Conectores de nível espacial e outros componentes da interconexão com uma permeabilidade máxima de 2 Q ou menor são geralmente exigidos. Para garantir uma baixa Q, os projetistas devem evitar materiais ferromagnéticos como o aço carbono, frequente nos conectores D-Subminiatura MIL-DTL-24308 mais antigos.

Materiais não ferromagnéticos, como alumínio, cobre, titânio e aço inoxidável austenítico, geralmente apresentam baixa Q. Por exemplo, o alumínio com um acabamento de níquel sem eletrólito é frequentemente usado como um material da carcaça do conector.  

Aplicações espaciais também podem exigir interconexões que exibem baixo magnetismo residual, também conhecido como baixa retenção de campo magnético. Por exemplo, materiais de carcaça de latão com acabamento em flash de ouro sobre cobre são normalmente usados nos conectores D-Subminiatura.

A corrosão afeta as interconexões de modo diferente no espaço e na Terra. Durante a fabricação e o armazenamento da aeronave na Terra, a corrosão galvânica pode ocorrer quando dois materiais de revestimento diferentes ficam em contato elétrico direto um com o outro na presença de um eletrólito. Na área de contato, o material menos resistente atua como um ânodo e o outro material como um cátodo, criando uma célula galvânica que ataca (ou corrói) o ânodo. 

No espaço, nas altitudes de LEO entre 200 km e 700 km, a excitação UV das moléculas de O2 restantes na borda da atmosfera forma oxigênio monoatômico. A corrosão do oxigênio atômico (ATOX) ocorre quando essas moléculas de oxigênio monoatômico altamente reativas corroem alumínio e plásticos.

Alguns materiais comumente usados nas interconexões comerciais não são adequados para conectores de espaçonaves. Por exemplo:

• Quando o revestimento é inteiramente de estanho, alguns filamentos podem se soltar e causar curtos-circuitos elétricos catastróficos. 
• O revestimento de prata é significativamente afetado pela corrosão do ATOX. 
• O cádmio é instável no vácuo. 
• Os plásticos são muito sensíveis ao ATOX, bem como à radiação ionizante. 

Para uma proteção ideal contra a corrosão galvânica, deve-se empregar o mesmo material em ambos os contatos: alumínio com alumínio, zinco com zinco etc. Como alternativa, é útil empregar materiais com baixo potencial galvânico, como polímeros de grau espacial, compósitos termoplásticos e vidro (fibra óptica). Os revestimentos podem ser usados com ligas para evitar a formação de uma célula eletrolítica. A fiação e os terminais de liga de cobre exibem potencial galvânico relativamente baixo quando acoplados com níquel, estanho e prata. O revestimento de ouro resiste à corrosão do ATOX, pois o ouro (Au) é um metal nobre que resiste à oxidação. Revestimentos de dióxido de silício podem proteger os polímeros da corrosão do ATOX porque o SiO2 já está totalmente oxidado.