為低地球軌道衛星應用選擇太空級連接器

衛星產業正在經歷快速成長，特別是在低地球軌道 (LEO) 衛星領域。然而，低地球軌道的環境惡劣，為設計人員帶來巨大的挑戰。暴露在真空、原子氧、強紫外線 (UV) 輻射和極端溫度波動中可能會導致釋氣、材料降解和連接器故障，都可能會危及關鍵任務系統。

設計人員必須瞭解太空作業的挑戰，並從可靠的來源選擇連接器，包含能滿足低地球軌道條件所需的先進材料和技術，方能確保任務成功。

本文簡要回顧低地球軌道應用設計的挑戰，並討論減輕環境影響的策略。接著將介紹 Cinch Connectivity Solutions 適合因應這些挑戰的連接器。

低地球軌道的環境挑戰及對連接器的影響

低地球軌道衛星的設計人員面臨獨特的環境挑戰。雖然其環境不像外太空那麼惡劣，但低地球軌道衛星連接器和其他組件還是必須要能夠承受釋氣、輻射和腐蝕、極端溫度，以及振動和衝擊。

1.釋氣

釋氣是指非金屬材料在加熱或真空時釋放氣體的情形。這是近地球軌道環境中的一大問題。塑膠具備優異的絕緣效能，因此廣泛運用於連接器，但連接器中使用的一些金屬，可能在製造過程中納入一些微小氣泡。這些連接器在海平面製造時，這些氣泡不會受到材料內部和外部壓力差施加的力。

然而，在太空的真空環境中，壓力差會明顯增加，釋放出這些被困住的氣體。釋氣可能會導致小裂紋和裂縫，影響連接器的機械強度 (圖 1)。

圖 1：釋氣會導致小裂紋和裂縫，影響連接器的機械強度。(圖片來源：Cinch Connectivity Solutions)

釋氣也會形成塗層，損壞攝影機等感測器。甚至可能導致連接器和組件之間短路，危及任務。

雖然太空的真空是導致釋氣的主因，但其他環境因素也會增加釋氣的可能性。例如，紫外線輻射會讓聚合物弱化，暴露於原子氧也會讓困住的氣體更容易逸出。

2.暴露於輻射和原子氧

持續暴露在太陽的紫外線輻射中，會損壞連接器中的塑膠材料。電離輻射會導致連接器上電荷積聚，可能會造成靜電放電。原子氧在近地球軌道環境中含量豐富，由紫外線輻射與氧氣反應所形成，具有高活性，會腐蝕連接器材料，尤其是聚合物和部分金屬。例如，聚四氟乙烯 (PTFE) 是連接器中常見的塑膠絕緣材料，暴露於原子氧和紫外線輻射時會發生反應，導致磨損。原子氧特別容易與銀反應，導致氧化並影響導電性和接觸電阻。

3.極端的溫度波動

近地球衛星的溫度波動範圍介於 +125°C (太陽光下) 到 -65°C (地球陰影下)，一些外部組件則可能面臨 -270°C 到 +200°C 的溫度。這會造成熱循環，產生應力並加劇連接器的微小缺陷。連接器材料和相關組件之間的熱膨脹係數 (CTE) 差異可能會導致熱循環不均勻，形成組合不相容並造成潛在故障。

4.振動和衝擊

發射過程中的劇烈振動可能會損害連接器的完整性。左右 (橫軸) 和前後 (推力軸) 的動作可能會導致連接器接觸區域錯位或破損。發射時火箭的酬載與運載火箭分離時產生的衝擊，可能會使連接器鬆動並產生疲勞點。

減輕近地球軌道環境影響的策略

建議採用氣密密封，可減輕許多此類風險。氣密密封可保護內部組件免受太空真空的影響，並防止內部氣體逸出。同時還可以防止空氣、氣體、濕氣滲入組件中。

下列幾項與太空應用相關的標準，有助於確保設計成功：

• ASTM E595 真空環境材料釋氣測試方法：分別測量 +125°C 和 +25°C 下的總質量損失 (TML) 和揮發物質冷凝量要求 (CVCM)。典型的驗收標準為：TML ≤ 1.00%、CVCM ≤ 0.10%。
• NASA EEE-INST-002 電氣、電子和機電 (EEE) 零件選擇、篩選、合規和降額指令：根據任務需求，可判別 EEE 零件的可靠度等級。
• NASA SSP 30426 制定國際太空站 (ISS) 外部污染控制要求。
• NASA SP-R-0022A 定義聚合物材料的真空穩定性要求。

應依據這些標準選擇連接器，確保符合太空任務的嚴格要求。

NASA 於 1970 年代制訂技術成熟度 (TRL)，這是一種標準化方法，可評估技術的成熟度，等級從 1 (觀察和提報基本原則) 到 9 (飛行實證)。技術成熟度有助於選擇太空組件，原因如下：

• 降低風險：更高技術成熟度的組件已在相關環境或實際太空任務中經過實證。
• 成本管理：使用更高技術成熟度的元件可降低開發和測試要求。
• 進度追蹤：技術成熟度可以監控從概念到飛行就緒狀態的技術開發，有助於太空船開發過程中的規劃和決策。
• 通用語言：技術成熟度促進不同太空技術在成熟程度的討論。
• 容易整合：技術成熟度較高的元件通常更容易整合到既有系統中，進而影響選擇決策。

低地球軌道連接器解決方案

為了滿足低地球軌道應用的設計要求，Cinch Connectivity Solutions 推出 Cinch Space Mission Solutions 連接器產品組合。這些產品可因應與 CubeSats 和 NanoSats 等低地球軌道衛星相關的挑戰；這些衛星的尺寸和重量受到嚴格限制。

堆疊連接器跳接器

Cinch 的 CIN::APSE堆疊連接器跳接器為低地球軌道衛星中的板對板、撓性板對板、組件對板連接等應用提供免焊式、高密度客製化互連。主要特點包括：

• 共面和直角板對板連接，讓衛星設計和佈局具備靈活性；
• 將 RF、功率、訊號、高速資料組合在 1 mm 封裝中；
• 通過 NASA TRL 9 認證，顯示其可靠性經過飛行實證；
• 在極端機械衝擊、振動、熱條件下經實證的效能。

典型範例為 4631533093 (圖 2)。此撓性印刷電路板 (PCB) 可壓縮以連接安裝在剛性印刷電路版上的堆疊連接器。

圖 2：連接剛性 PC 板的 4631533093 撓性堆疊連接器跳接器。(圖片來源：Cinch Connectivity Solutions)

4631533093 有 25 條導線，長 3 in，間距為 0.025 in，裸露端為 0.131 in。

空間屏蔽型 micro-D 連接器

小型化機載電子設備和資料處理設備，以及緊湊型衛星設計中需要較短訊號路徑，針對此需求，Cinch 提供空間屏蔽型 Dura-Con micro-D 連接器。明顯的特點包括扭針觸點和機械加工插槽，具備耐用的七點觸點、符合 MIL-DTL-M83513 標準 (針對 micro-D 連接器)、鍍鎳、乙烯四氟乙烯 (ETFE) 絕緣線。以 DCCM25SCBRPN-X2S 25 引腳 micro-D 插座 (圖 3) 為例。

圖 3：DCCM25SCBRPN-X2S 是 25 引腳位空間屏蔽型 micro-D 插座。(圖片來源：Cinch Connectivity Solutions)

此插座有兩排，間距為 0.050 in，排間間距為 0.043 in。具有鍍金觸點塗層，可處理高達 3 A 的電流，並超越 ≤ 1.0% TML 和 ≤ 0.1% CVCM 的低地球軌道釋氣要求。

衰減器

Cinch 的太空認證零件 (QPS) 衰減器專為太空應用所設計。符合 ASTM E595 和 MIL-DTL-3993 釋氣標準，標準值為 1、2、3、6、10、20 (dB)。可提供 0 至 20 dB 的客製化值。典型範例是 SQA-0182-01-SMA-02 (圖 4)。此 1 dB 衰減器具有 DC 至 18 GHz 效能、2 W 平均功率處理能力 (峰值 500 W) 以及 -55°C 至 +125°C 的工作溫度範圍。

圖 4：SQA-0182-01-SMA-02 是一款專為太空任務所設計的 1 dB 衰減器。(圖片來源：Cinch Connectivity Solutions)

結論

低地球軌道太空任務的設計人員要求連接器能夠在面對釋氣、溫度、紫外線、電離輻射、振動和衝擊等挑戰之下能可靠運作。採用由 Cinch Connectivity Solutions 等經實證供應商的產品，可受益於一系列遵循太空任務最高標準設計的解決方案，確保設計成功。