Какими качествами должны обладать СВЧ кабельные сборки космического применения

Из-за особых условий эксплуатации и повышенных требований к надёжности к СВЧ кабельным сборкам бортовой космической аппаратуры предъявляются специфические требования. Рассмотрим их в этой статье и сравним существующие технические решения.

Радиационная стойкость

В зависимости от типа космического аппарата, продолжительности его миссии и того, в какой его части используются кабельные сборки, требование к радиационной стойкости будет различным. Обычно оно предъявляется в виде накопленной дозы по гамма-излучению в рад. Стойкость на уровне в несколько десятков и до сотни крад обеспечивают практически все коаксиальные СВЧ кабели. Типовое требование к СВЧ кабельным сборкам — 30 Мрад. Оно соответствует длительной эксплуатации на борту крупного космического аппарата под защитой. Требование от 100 Мрад и выше предъявляется к кабельным сборкам, эксплуатируемым снаружи космического аппарата.

При проведении испытаний на радиационную стойкость контролируют изменения электрических характеристик и внешний вид изделий. Допустимые отклонения от первоначального состояния могут быть различными в зависимости от требований заказчика. Из электрических характеристик чаще всего контролируют вносимые потери. Увеличение потерь после получения заданной накопленной дозы ограничивают в процентах от значения до испытаний. Изменения внешнего вида не допускаются.

Важно помнить, что радиационная стойкость определяется материалами в большей степени, чем конструкцией. Поэтому может быть не обязательным испытывать все кабели, если поведение материалов в их составе уже в достаточной степени известно.

Пониженные и повышенные температуры

Требование по диапазону рабочих температур также напрямую связано с тем, в какой части космического аппарата будут использоваться сборки. Если они будут работать в близи компонентов, расположенных внутри на термостабилизированной платформе, то режим будет комфортным, например, от +10° до +50° C. Сборки, проложенные снаружи аппарата, например, к антеннам, будут находиться в совершенно других условиях. Пониженная температура может доходить в таком случае до криогенных значений, а верхняя рабочая может быть выше +250° C.

Проблемой в контексте повышенных и пониженных температур являются полимерные материалы в составе кабельных сборок и соединителей, а также паянные соединения. Материалы изоляции и оболочки кабелей, если таковая используется, должны иметь достаточную теплостойкость и не разрушаться при пониженных температурах. Напряжения в паяных соединениях при переходах от нижней к верхней рабочей температуре и обратно не должны приводить к их разрушению.

Наиболее жесткий сценарий ожидает кабели снаружи космического аппарата, активно перемещающегося между светом и тенью. Такие кабели должны обладать стойкостью к многократным термическим циклам. Как правило, чтобы снизить скорости нагрева и охлаждения, их дополнительно защищают.

Низкое газовыделение

Все полимерные материалы в той или иной степени выделяют газы. Особенно активно этот процесс происходит при пониженном давлении и повышенных температурах. Появление посторонних частиц может приводить к неприятным последствиям. Возможны загрязнения оптических систем космического аппарата и пробои при ионизации газов в определенных его частях.

Ко всем компонентам, эксплуатируемым в негерметичной части аппарата, предъявляют требование по низкому газовыделению. Европейское космическое агентство и НАСА руководствуются стандартами ECSS-ОМ-ST-70-02 и NASA 1124 соответственно. На практике требования этих стандартов ограничивают выбор материалов оболочки, изоляции и диэлектрических втулок в составе СВЧ кабельных сборок.

Стойкость к ударам и вибрации

Процессы запуска и вывода космического аппарата на орбиту сопряжен с существенными ударными и вибрационными нагрузками. Точные параметры воздействий зависят от типа носителя и особенностей самого аппарата. Кабельные сборки должны соответствовать данным требованиям и обеспечивать возможность надёжной фиксации соединений подходящими способами.

Масса и габариты

В космической технике данное требование является одним из главных в силу высокой стоимости вывода грузов на орбиту. СВЧ кабельные сборки космического применения изготавливаются из облегченных кабелей с использованием соединителей оптимизированной по массе конструкции.

Проводники кабелей изготавливают из облегченных сплавов, которые затем покрываются благородными покрытиями для лучших СВЧ характеристик. Детали соединителей изготавливаются с дополнительными пазами и выборками для снижения массы, но без снижения механической прочности соединения и вибрационной стойкости.

Требования к электрическим характеристикам

Соответствуя перечисленным выше требованиям, сборки должны обеспечивать и должные СВЧ характеристики соединения. Кроме КСВН и потерь могут предъявляться требования по фазовой стабильности в диапазоне температур, максимальной пиковой и средней мощности. Фазовая стабильность соединений в диапазоне температур может быть улучшена за счёт использования кабелей на основе температуростабильных диэлектриков с низкой плотностью. Требования по мощности — комплексный вопрос, требующий отдельного анализа.

В большинстве случаев кабельные сборки на борту космического аппарата эксплуатируются в условиях близких к вакууму, и конвекционное охлаждение невозможно или почти не происходит. Тепло от кабелей отводится излучением или кондукцией преимущественно через металлические компоненты: центральный проводник и контакты соединителей. С учётом этого передовые кабели на основе вспененных диэлектриков усложняют ситуацию, так как тепло через полувоздушный материал изоляции отводится на поверхность кабеля хуже, чем через твёрдый.

Для проверки соответствия выбранных СВЧ кабельных сборок требованиям по мощностным характеристикам проводят расчёты, учитывающие пониженное давление, рабочие температуры, длину сборки, конструкции кабеля и соединителей, пиковую, среднюю и непрерывную мощности. В зависимости от условий формируется необходимый запас. В дальнейшем макетный образец аппарата или его части с кабельными соединениями испытываются в термовакуумной камере для подтверждения характеристик.

Варианты СВЧ кабельных сборок космического применения

Все кабельные сборки на борту космического аппарата можно разделить на две группы:

короткие: длиной от нескольких десятков до нескольких сотен миллиметров
длинные: длиной до нескольких метров

Для коротких кабельных сборок решение о выборе варианта обычно принимается в соотношении потери / габариты. При этом большое значение имеют диаметр кабеля, возможность его изгиба с минимальным радиусом и размеры соединителей.

Для относительно длинных сборок потери имеют решающее значение и, конечно, масса и габариты должны быть по возможности минимальными, но диаметр кабеля, радиус изгиба и размеры соединителей обычно уже не так критичны.

В таблицах ниже представлены сравнения классических и современных решений для коротких и длинных соединений на борту космического аппарата.

Короткие СВЧ кабельные соединения на борту КА

Характеристики	Классическое решение	Современное решение
Конструкция	Полужесткий кабель 0,086 дюйма, сплошной медный или алюминиевый экран, изоляция из твёрдого фторопласта-4, соединители под пайку	Кабельные сборки minibend L: гибкий кабель с фторопластом низкой плотности, компактные соединители с монтажом без пайки экрана
Радиационная стойкость	обычно не выше 1 Мрад	30 или 200 Мрад в зависимости от исполнения
Диапазон рабочих температур	-55 +125	-65 +150
Низкое газовыделение	соответствуют требованиям
Стойкость ударам и вибрациям	в целом сравнимая, но риски для жесткой конструкции классического решения выше
Масса и габариты	В целом сравнимы, если в классическом решении не используются угловые соединители. В современном решении угловые соединители применять не требуется, так как гибкость кабеля исключает необходимость их использования
Разработка и производство	на основе трехмерных моделей и плоских чертежей	без трёхмерных моделей и плоских чертежей
Монтаж	из-за наличия жестких паянных соединений и крайне ограниченной гибкости кабеля высок риск повреждения сборки при установке в аппаратуру	гибкий кабель и отсутствие пайки экрана позволяют легко монтировать кабель в аппаратуру без риска повреждений
Электрические характеристики	стандартные потери сечения 0,086 дюйма экранное затухание 120 дБ	потери ниже на 20-30% экранное затухание 100 дБ

Современное решение Huber+Suhner Astrolab позволяет обеспечивать более высокую радиационную стойкость, лучшие электрические характеристики и значительно более технологичное. С его помощью могут быть снижены трудозатраты и минимизированы риски срывов из-за повреждений при монтаже. Упрощается процедура входного контроля, так как количество контролируемых с помощью рентгена мест пайки уменьшается вдвое. Рентгеновский контроль может и вовсе не требоваться, если контакты соединителей имеют цанговое соединение с центральным проводником.

Длинные СВЧ кабельные соединения на борту КА

	Классическое решение	Современное решение
Короткое соединение	Полужесткий кабель 0,141 дюйма, сплошной медный или алюминиевый экран, изоляция из твёрдого фторопласта-4, соединители под пайку	Кабельные сборки SUCOFLEX 300: гибкий на основе фторопласта низкой плотности, облегченные соединители с вентиляционными отверстиями
Радиационная стойкость	Обычно не выше 1 Мрад	30, 100 или 200 Мрад в зависимости от исполнения
Диапазон рабочих температур	-55 +125	-55 +150 или −65 +165 в зависимости от типа
Низкое газовыделение	Соответствуют требованиям
Стойкость ударам и вибрациям	В целом сравнимая, но риски для жесткой конструкции классического решения выше
Масса и габариты	В целом сравнимы, габариты соединителей и кабеля современного решения несколько больше
Монтаж	Из-за наличия жестких паянных соединений и крайне ограниченной гибкости кабеля высок риск повреждения сборки при установке в аппаратуру	Прокладка гибкого кабеля существенно удобнее, риски повреждений у соединителей минимизированы за счёт специальных конструкций кабельных вводов
Электрические характеристики	Затухание: 2,1 дБ/м на 18 ГГц Экранное затухание: 120 дБ Фазовая стабильность: на уровне 3500-4000 ppm	Затухание: 1,2 дБ/м на 18 ГГц (Sucoflex 304) экранное затухание не ниже 90 дБ Фазовая стабильность: 1500 ppm

От использования полужесткого кабеля для соединений длиннее нескольких сотен миллиметров европейские и североамериканские производители космической техники отказались. Сегодня применяются только гибкие СВЧ кабели. Преимущества складываются из меньших потерь и большей технологичности. Прямой выигрыш в массе не так велик.

Разработка, производство и поставка кабельных сборок космического применения

СВЧ кабельные сборки космического применения должны не только технически соответствовать решаемой задачи, но изготавливаться с учётом всех технологических требований и необходимого документального сопровождения. Обычно процесс поставки кабельных сборок космического применения включает представленные ниже этапы.

подготовка технического задания
анализ технического задания и ответ о возможности соответствовать
согласование спецификации
подготовка коммерческого предложения и документации
поставка макетных образцов
согласование плана и условий поставки лётных образцов
поставка лётных и контрольных образцов с необходимым сопровождением

Лётные СВЧ кабельных сборки космического применения поставляются с комплектом сопроводительной документации. Сборки изготавливаются в чистых условиях и соответствующим образом упаковываются.

Надеемся данный материал будет для вас полезным. Специалисты компании НКТ будут рады ответить на ваши вопросы о кабельных сборках космического применения.

Каталог:Компоненты космического применения