太空级连接器有什么不同？

航天级连接器通常是军用级设计的衍生产品。与常见的商用连接器相比，航天级连接器的种类要少得多。然而，商用现货 (COTS) 和 COTS+ 连接器越来越多地用于对成本敏感的任务，例如 CubeSats。

本文首先介绍了太空中独特的操作条件以及这些条件如何影响连接器要求；同时介绍了一些用于提高连接可靠性和效率的技术，简要回顾了太空级连接器的常见类型，最后概述了EIA-364，包括环境分类在内的电气连接器/插座测试程序。

几乎是真空

外层太空的压力非常低，通常被称为真空——实际压力为 1.322 × 10-11Pa；超低，但不是完美的真空。缺乏空气会带来一些问题。它会影响连接器的最大额定电压。如果超过闪络电压额定值，相邻导体之间可能会发生闪络。需要为真空或高海拔指定连接器闪络电压以适合在太空中使用。

更大的问题是脱气，有时称为排气。它是溶解、捕获或吸收在材料中的气体的释放。脱气会将污染物引入周围区域，并可能影响其他设备的运行，例如传感器、光学器件或其他敏感仪器。它并非特定于连接器，但连接器可以是主要来源。

与军用级组件相比，这是一个太空级连接器面临更严格要求的领域。MIL-DTL-38999 连接器可能包含非金属材料，例如橡胶、塑料、粘合剂和灌封化合物，它们会在真空或高温条件下（也存在于太空中）产生脱气。ASTM E595 用于评估打算在太空中使用的组件的除气性能；大多数军用级组件不需要它。太空级密封连接器旨在防止排气。由于最大限度地减少任何可能的除气的重要性，航天器的密封连接器有多种配置可供选择（图 1）。

图 1：太空级密封连接器有各种尺寸和形状。

辐射——热辐射和宇宙辐射

在没有大气的直射阳光下，热辐射的影响会增加。在阳光直射下，卫星的温度可升至 120°C 或更高，而在远离太阳的一侧，温度可降至 -100°C。根据卫星的尺寸和设计，热循环可能会带来重大挑战。太空级连接器具有扩展的工作温度规格。它们通常进行热浸泡测试，也称为高温、长期或温度寿命测试，以及热循环。

宇宙辐射是高海拔和太空中的一个问题。它可能不会直接影响连接器性能，但可能会导致系统操作出现问题。解决方案是在电缆、连接器和电路板上添加屏蔽层，以减轻宇宙辐射带来的问题。

进入轨道压力很大

为了在轨道上发挥作用，连接器需要经受住发射的严酷考验。发射到轨道是一个高加速度、高振动和通常压力大的事件。连接器和连接必须经久耐用，这样卫星系统才能按计划运行。有时，会指定锁定或闩锁连接器。这可能是一把双刃剑。一方面，它可以帮助确保连接器在启动过程中存活。但是，另一方面，将每克重量从表面移入轨道的成本很高，并且增加锁定或闩锁机构会增加重量和成本。

因此，完全指定但不要过度指定连接器所需的机械耐用性至关重要。载人任务和非载人任务是不同的。与载人航天器中的生命支持系统故障相比，CubeSat 的故障成本很高，但相对较低。

失效是常见的现象

如今，发射小型 CubeSat 的成本可能远远高于 CubeSat 本身的成本。这些小型卫星并不是一次性的，但它们的制造具有成本效益，并尽可能使用 COTS 或 COTS+ 组件，包括连接器。早期的卫星设计过程并非以成本为中心，而是专注于最大限度地提高卫星可靠性并减少故障的可能性。以价值为中心的设计方法越来越多地用于小型近地轨道卫星。拥有一组小型冗余卫星以减少单个卫星故障的影响，而不是不计成本地最大限度地提高单个卫星的可靠性，可能更具成本效益。

更高价值和更远距离的任务，例如向火星发送漫游车，可以证明更高成本的连接器解决方案是合理的。这很讽刺，但对于非载人任务来说，情况可能更是如此。对于某些载人任务，例如国际太空站 (ISS)，可以进行维修。在这些情况下，需要考虑每个系统相对于生命支持的重要性，并相应地选择连接器和其他组件。

例如，最近将 Bartolomeo 模块添加到 ISS 并遇到了连接器问题（图 2）。Bartolomeo 是国际太空站的第一个商业模块。它由空中客车公司运营，可以容纳为微重力设计的小型科学实验。在太空行走期间，机组人员试图将四根 Bartolomeo 电缆连接到主要的哥伦布模块，但无法完全锁定连接器。

根据美国国家航空航天局的说法：机组人员随后交配，并用电线将四根电缆中的两根固定到位，并在其他电缆上放置保护帽。使用绑定配置成功完成连接检出。由于时间限制，机组人员不得不进行第二次太空行走以配合剩余的电缆。

图 2：从国际太空站看到的 Bartolomeo 模块。

连接器触点和效率

连接器效率在所有应用中都很重要，但在遭受高水平冲击、振动和机械应力的系统中更为重要，这可能会损害互连系统的可靠性。触点是决定连接器效率的关键因素。低而稳定的接触电阻很重要，并且难以在高振动环境中保持。太空额定连接器的设计考虑了几个因素，以确保高度稳定的连接。

l 使用高导电率合金。

应使用国际退火铜标准 (IACS)定义的导电率水平接近 100% 的材料制造触点（表 1）。不建议使用一些材料，例如黄铜或铍铜，因为它们的电导率较低。而且，某些类型的金属被禁止用于航天器。根据 NASA EEEINST-002 有关零件选择、筛选、鉴定和降额的说明，镉、锌、化学涂层的镉、锌或银不能用作连接器或触点饰面。NASA 还建议在连接器外壳和触点上使用钝化不锈钢、化学镀镍或金饰面。

表 1：连接器触点应由高导电率合金制成以优化效率。

l 最大化电接触表面积。

具有更大电接触面积的连接器可提供更一致的电气性能，并且更耐冲击和振动。

l 使触点之间的力最大化。

弹簧或弹簧触点结构可以帮助保持触点之间牢固一致的连接，最大限度地提高有效表面积并产生更高的电流密度。

有哪些连接器可用？

考虑到上述所有考虑和挑战，适合在太空中使用的连接器类型通常仅限于以下几种（可提供更多类型的 COTS 和 COTS+ 连接器）：

l 机架和面板，矩形（A 型）

l 圆形，功率（C型）

l D-超小型矩形（D 型）

l 密封（H型）

l 微型矩形（M型）

l 印刷电路，矩形（P 型）

l 同轴（RF 型）

太空连接器符合更高标准

一系列军用、NASA 和其他标准管理着太空级连接器。最通用和最重要的一项是 EIA-364 电连接器/插座测试程序，包括来自电子元件行业协会的环境分类，它定义了太空级连接器的特定测试要求（表 2）。

EIA-364 是一个广泛而全面的标准。它涵盖了一系列环境条件，从受控的室内环境开始，到包括外层太空在内的更恶劣的环境。

表 2：这些是所有连接器类型所需的基本测试。

总结

太空连接器通常是从军用连接器衍生而来的。但情况并非总是如此，COTS 和 COTS+ 连接器也用于越来越多的轨道平台。对太空级连接器的性能期望通常很高，但不是那么高，以防止所有可能的故障源。在一些载人任务和某些非生命支持系统中，可以修理或更换连接器，并且可以使用以价值为中心的设计方法。与商用或军用级连接器相比，实际太空级连接器的范围有限，并且要达到太空级，连接器必须经过 EIA-364 和其他标准的测试。