如何为卫星选择连接器

来源：线束世界•作者：线束世界•2024-05-10 09:07

太空的挑战是极其严峻的：排气问题、强烈的紫外线辐射、真空环境以及氧气稀薄的条件，以及近地轨道独特的恶劣环境因素，在选择部件时都需要被仔细考虑。

人类于1949年成功将第一枚火箭送入太空，随后的几十年里，我们不断向地球以外的广阔空间发射了载人航天飞机、空间站、低地球轨道（LEO）卫星、探测器、望远镜、着陆器等各式各样的航天器。然而，太空仍然是一个全新领域。就像所有开拓进取的先驱者一样，那些勇敢的冒险家们必须不断创新，以应对并克服挑战。

巨额投资正涌入太空商业化领域。如今，将人造物体送入地球轨道变得比以往任何时候都更容易、更经济，这促使了越来越多的服务被创建。这些服务包括种类繁多的卫星，它们具有不同的尺寸、功能和使用寿命。这些卫星是复杂的系统，需要在设计和制造过程中根据尺寸和重量进行优化，以尽可能降低成本。而提高低地球轨道（LEO）卫星的功能和续航能力的关键在于设计高效的设备，这些设备需要具有高可靠性和高性能的连接组件。

如今的LEO卫星比以往任何时候都更小、更轻，这主要归功于电子元件的小型化。随着硬件尺寸、重量和功率的持续进步，微型卫星、纳米卫星等更小型的航天器相继诞生，甚至出现了飞秒卫星。

WARP-01飞行单元的飞行前视图。WARP-01 卫星是一颗 1 单元（1U）立方体卫星，在 JEM 小型卫星轨道部署器-16 （J-SSOD-16）微型卫星部署任务期间部署。WARP-01，由筑波大学和Warpspace Inc.开发

发射的大多数卫星都是围绕行星和其他天体运行的LEO卫星。尽管这些设备并不适用于广阔且极端恶劣的深空环境，但它们仍然必须加固，以承受与地球环境截然不同的环境。令人惊讶的是，LEO卫星中使用的许多组件实际上是专为地球上的恶劣环境而设计的现成商品。

其他卫星则注定要前往更为遥远的太空区域。地球同步赤道轨道（GEO）卫星在与地球自转平行的轨道上以与地球自转相同的速度移动，这使它们在天空中看起来是静止的。MEO卫星的轨道高度低于地球静止轨道，通常位于距离地球5,000至12,000公里（3,100至7,500英里）的范围内。每个轨道级别都面临着特定的极端空间挑战，因此在选择组件时，需要仔细评估这些独特条件下的性能和可靠性。

真空环境

太空的真空环境会导致极低的压力，使得材料中捕获的任何蒸气都被排出。这个过程称为除气，这些被释放的化合物会进入封闭区域，如卫星内部。当这些释气蒸气在传感器、光伏材料等关键部件的表面聚集时，它们可能会损坏设备或降低其性能。蒸气也可能在组件表面，包括连接接口处积聚，导致短路或数据和信号传输减少。美国宇航局维护着一个材料数据库，该数据库详细介绍了总质量损失（TML%）和收集的挥发性可凝结材料（CVCM%）的释气特性。ASTM（美国材料与试验协会）标准 E1559（航天器材料释气特性污染的测试方法）和 E595（真空环境中放气产生的总质量损失和收集的挥发物冷凝材料的测试方法）为测量材料的释气特性提供了标准化的方法。

美国宇航局发布了空间站外部污染要求SSP 30426，该要求定义了分子沉积和颗粒释放的限制。为了符合要求，材料必须满足1.0%的TML和/或0.1%的CVCM标准。那些容易放气的材料通常是化学衍生的，例如复合材料。这些材料由于其良好的电阻性能而常用于连接器的设计，成为理想的电绝缘体。因此，打算将产品用于太空飞行的连接器制造商必须证明其产品符合这些严格的释气特性标准。

原子氧

太空中的任何材料都可能暴露于腐蚀性氧化剂原子氧（AO）中。这是当氧气与紫外线辐射反应时形成的。氧中的单个原子与其他氧分子结合。在地球大气层中，反应不会持续，但在太空中，大量的紫外线辐射延长了反应。在LEO中，96%的氧以原子形式存在。金属和塑料会受到AO的影响。例如，如果在聚合物中使用氟，则反应会随着长时间暴露于AO而增加。聚四氟乙烯通常用作电线的绝缘体，当AO存在并暴露在紫外线下时，PTFE会发生反应。具有 ETFE 绝缘层的电线因其良好的介电性能和抗热变化性而成为空间应用的首选。然而，由于阳光是紫外线辐射的重要来源，因此在LEO应用中，ETFE涂层的电线不应暴露在阳光下。连接器制造商正在开发解决方案，以提供一些保护，防止AO的存在。

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紫外线辐射

由于太空中缺乏大气层来抵御太阳的紫外线辐射，其破坏材料的能力变得极为强大。这种辐射对塑料的完整性构成了特别严重的威胁，例如用作连接器绝缘体的塑料。暴露于紫外线辐射会改变聚合物的机械结构，表现为硬化（交联）或弱化（链断裂）。可以将添加剂引入聚合物以减少影响，但即便如此，在LEO卫星和其他空间应用中，还是应尽量减少在暴露的紫外线辐射的区域使用连接器。

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温度

在太空中，温度的变化比地球表面所经历的任何温度变化都要极端得多。这是由于太空中缺乏大气层来扩散热量，同时设备直接暴露在与其轨道位置紧密相关的太阳辐射之下。温度的变化取决于材料的热吸收或辐射特性，可能超过 200 °C。所有材料都具有热膨胀系数（CTE），但并非所有材料都具有相同的热膨胀系数，这意味着同一组件中的两种材料之间可能存在不匹配。当设备在极端温度下循环时，这可能会导致同一系统中 CTE 的不同速率造成的损坏。带电粒子辐射也是空间设备必须考虑的一个重要因素。这种破坏性辐射的主要来源包括银河宇宙射线、太阳质子事件以及地球周围被困的辐射带。

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