Mantenga la integridad de las interconexiones en condiciones criogénicas extremas con los conectores para el espacio profundo

Descripción técnica: Los sistemas espaciales y otros sistemas criogénicos requieren conectores que mantengan la estanqueidad y la continuidad eléctrica en condiciones de ciclos de temperatura extremos, vibraciones, golpes mecánicos y vacío. Los elastómeros convencionales de los conectores MIL-DTL-38999 pueden agrietarse por debajo de su límite inferior de funcionamiento de -65 °C, lo que compromete la estanqueidad frente a las condiciones ambientales. Los conectores Deep Space D38999 de Amphenol Aerospace incorporan elastómeros mejorados y los cambios correspondientes en los materiales para su uso en condiciones criogénicas, al tiempo que mantienen la compatibilidad con los conectores MIL-DTL-38999 correspondientes. En este artículo se analizan la modificación criogénica, los ensayos ambientales independientes y las configuraciones disponibles. También compara disposiciones de insertos destacados que abarcan conexiones de señal de alta densidad y distribución de potencia, con corrientes nominales de 5 a 23 amperios por contacto. (Resumen facilitado por ChatGPT)

Los sistemas espaciales se ven sometidos a cambios extremos de temperatura a lo largo de todo su ciclo de vida. Esto hace que la selección de conectores resulte especialmente complicada para los diseñadores, ya que deben ir más allá de las opciones que suelen ser adecuadas para entornos hostiles. Por ejemplo, el espacio puede exponer los conectores a temperaturas criogénicas por debajo de -153°C, pero los sellos elastoméricos de los conectores circulares estándar MIL-DTL-38999 suelen agrietarse por debajo de -65°C, lo que puede provocar cortocircuitos eléctricos. Además, la vibración del lanzamiento, el choque mecánico y el ciclo térmico pueden dañar las interconexiones y comprometer aún más los sellos, mientras que el vacío duro introduce preocupaciones de desgasificación de materiales.

Los diseñadores necesitan conectores que mantengan la estanqueidad y la conectividad en las duras condiciones del espacio y en otras aplicaciones criogénicas, incluida la computación cuántica.

En este artículo se analizan brevemente los retos que plantea la integridad de las interconexiones en el espacio y en otras aplicaciones criogénicas. Luego muestra cómo los conectores de grado espacial de Amphenol Aerospace Operations ayudan a abordar estos retos manteniendo la compatibilidad con los condensadores y accesorios estándar 38999.

Por qué las condiciones criogénicas extremas hacen que el sellado estándar de los conectores falle

Las misiones espaciales someten a los sistemas de hardware a algunos de los entornos térmicos más extremos, desde los intensos ciclos térmicos entre las fases de iluminación solar y de eclipse orbital en la órbita terrestre baja (LEO) hasta las prolongadas noches criogénicas en la superficie lunar y el frío intenso y prolongado durante el tránsito interplanetario. Un conector que sella correctamente durante la integración y el lanzamiento debe mantener la integridad de la interconexión durante excursiones térmicas prolongadas o corre el riesgo de fallo de la misión.

Los fallos en los conectores suponen un riesgo para las aplicaciones críticas que dependen de las interconexiones de potencia y señal que funcionan en entornos criogénicos. Los sellos agrietados o los componentes elastoméricos pueden causar costosos tiempos de inactividad y pérdida de datos siempre que el frío profundo forme parte del funcionamiento normal. Además de los viajes espaciales, esto incluye aplicaciones que van desde el imán superconductor de los sistemas de resonancia magnética (RM) hasta el procesador cuántico de algunos sistemas de computación cuántica.

Los conectores circulares normalizados según la norma MIL-DTL-38999 dependen de componentes elastoméricos para mantener la estanqueidad entre el ojal y el cable, así como entre los contactos. A temperaturas inferiores a -65 °C, dichos elastómeros suelen agrietarse (Figura 1), lo que provoca la pérdida de la estanqueidad frente al entorno y, en el peor de los casos, puede provocar cortocircuitos eléctricos.

Figura 1: Cuando se someten a temperaturas criogénicas, los sellos estándar de componentes MIL-DTL-38999 presentan grietas o fracturas finas visibles que irradian desde los contactos de los pines. (Fuente de la imagen: Amphenol Aerospace)

El frío intenso no es el único factor que afecta a los sistemas espaciales. El lanzamiento y las maniobras orbitales someten a todas las interconexiones a fuertes vibraciones y golpes mecánicos, lo que puede agravar los daños provocados por los ciclos térmicos; además, los sistemas sensibles al vacío deben tener en cuenta la desgasificación de los materiales. Las grietas provocadas por el frío extremo pueden agrandarse hasta convertirse en fallos que comprometan la estanqueidad ambiental del conector.

Seleccione una versión adaptada al ámbito espacial de una plataforma conocida

Los conectores Deep Space D38999 de Amphenol Aerospace abordan los desafíos criogénicos manteniendo la compatibilidad con la conocida serie estándar de interconexión MIL-DTL-38999. Cada conector Deep Space incorpora la modificación criogénica (750) a una configuración comercial con el código 38999. La modificación mejora los elastómeros y otros componentes necesarios, al tiempo que conserva la interfaz mecánica del conector correspondiente. Los conectores Deep Space D38999 comparten los mismos valores de resistencia a altas temperaturas que las piezas 38999, de hasta +200 °C, dependiendo del modelo.

Dado que la configuración se mantiene sin cambios, los conectores Deep Space son compatibles con sus homólogos estándar y funcionan con las tapas y accesorios estándar 38999 que ya han sido homologados en los diseños existentes. Los ingenieros pueden trabajar dentro de un marco de diseño familiar, especificando la versión Deep Space de un número de pieza conocido como 38999. Hay variantes disponibles en las series 38999 Serie I, Serie II y Serie III, así como en la serie Conexión sin cortocircuitos Junior Tri-Lock (SJT).

La modificación (750) sustituye los elastómeros por una mezcla de silicona capaz de funcionar a -195 °C e incluye otras mejoras en los componentes y materiales que permiten el funcionamiento a esa temperatura extrema. Al mismo tiempo, los sellos mejorados resisten el ajuste de compresión, evitando la degradación del rendimiento asociada a la deformación permanente por estiramiento y compresión durante el funcionamiento normal del conector. Tenga en cuenta que la cifra de -195 °C se refiere al elastómero mejorado y no constituye un valor nominal general para todo el conector, y que no todos los modelos de conector alcanzan esa capacidad debido a otras limitaciones de los componentes. Por consiguiente, los diseñadores deben verificar las especificaciones correspondientes a un estilo concreto.

Superar las dificultades del lanzamiento y las operaciones en el espacio profundo

Los conectores Deep Space están diseñados para mantener la estanqueidad entre el ojal y el cable, así como entre los contactos, a pesar de las variaciones térmicas extremas (temperatura) que deterioran los componentes elastoméricos estándar. El rendimiento de Deep Space D38999 de Ampenol ha sido confirmado mediante una serie de pruebas de esfuerzo ambiental realizadas por un laboratorio independiente en miembros representativos de la familia. En estas pruebas, los pares acoplados del enchufe de pared TVPS00RF-15-35P(750) y el enchufe recto TVS06RF-15-35S(750) fueron sometidos a ciclos térmicos entre -190 °C y +175 °C durante cinco ciclos, con un tiempo mínimo de permanencia de una hora (hr). El límite de +175 °C es una condición de ciclado que se aplica a estas piezas de la clase de +200 °C, no una especificación de las propias piezas. Las muestras completaron la secuencia de pruebas sin fallos.

El vídeo sobre los ciclos térmicos del Deep Space 38999 de Amphenol Aerospace demuestra una vez más su resistencia ante cambios repetidos de temperatura, ya que los conectores Deep Space D38999 permanecen totalmente acoplados y sus terminaciones y cables aislados se mantienen intactos tras los ciclos térmicos criogénicos (Figura 2).

Figura 2: Un par de enchufes y enchufes acoplados de Deep Space D38999 descansa con su arnés de cableado tras la exposición en la cámara en la demostración de ciclo térmico de Amphenol. (Fuente de la imagen: Amphenol Aerospace)

El mismo programa de pruebas también sometió a los pares acoplados a vibraciones aleatorias de 43,92 g RMS durante ocho horas (horas) por eje en dos ejes, mientras que el aerosol de nitrógeno líquido mantenía las muestras cerca de -190 °C. Las discontinuidades eléctricas se monitorizaron a una frecuencia de muestreo de 50 hercios (Hz) durante toda la prueba.

Las mediciones eléctricas realizadas a -190 °C registraron una resistencia de aislamiento superior a 10 gigaohmios (GΩ) en cada contacto de la muestra y una corriente de fuga muy por debajo de 1 mA durante el ensayo de resistencia dieléctrica a 1.300 V_CA. En unas pruebas estáticas prolongadas de 100 horas, los elastómeros Deep Space D38999 mantuvieron su integridad en condiciones que provocan que las piezas de referencia se agrieten y fallen.

Satisfacer las diversas necesidades de interconexión de señal y potencia en aplicaciones criogénicas

Al igual que sus equivalentes estándar 38999, las piezas Deep Space están disponibles en múltiples especificaciones para satisfacer requisitos específicos de señal y potencia. Entre otras configuraciones, la serie Deep Space ofrece pares de conexión compuestos por receptáculos para montaje en pared con contactos de clavija de crimpado y enchufes rectos con contactos de crimpado. Cada receptáculo cuenta con un enchufe a juego con el mismo tamaño numérico de la carcasa y las mismas combinaciones de disposición de los insertos. Por ejemplo, uno de estos pares compatibles es el de los receptáculos TVPS00RF-15-35P(750) y el enchufe TVS06RF-15-35S(750), utilizados en el programa de pruebas de resistencia.

El código de modificación incluye opciones de configuración más allá del elastómero criogénico. El código (750) indica el elastómero mejorado y otros componentes asociados; el sufijo (750P) sustituye los cables twinax y coaxiales por contactos de potencia; y el (750H) sustituye los contactos por clavijas de alta intensidad. Cualquiera de estos modelos puede solicitarse con tratamiento de desgasificación añadiendo una «S», lo que da lugar a las variantes (750S), (750PS) y (750HS) para cargas útiles sensibles al vacío en las que la desgasificación del material supone un problema.

Dentro de cada clase de pares de acoplamiento, la disposición de los insertos define el número de contactos y la configuración de los mismos, lo que a su vez determina la corriente y el voltaje nominal aplicables.

La clase de señal de alta densidad, identificada por el patrón estándar de disposición de inserciones "35", ofrece la mayor cantidad de posiciones y tiene la menor potencia por contacto de 5 A. Tiene tensiones nominales de 400 V_CA y 500 V_CC. Esta clase incluye cuatro configuraciones:

• El modelo 9-35 de 6 posiciones con carcasa de tamaño 9, representado por el TVPS00RF-9-35P(750)
• El modelo 11-35 de 13 posiciones con carcasa de tamaño 11, representado por el TVPS00RF-11-35P(750)
• El modelo 15-35 de 37 posiciones con carcasa de tamaño 15, representado por el par TVPS00RF-15-35P(750) y TVS06RF-15-35S(750) que se utilizó en la prueba de resistencia.
• El modelo 17-35 de 55 posiciones, representado por el TVS06RF-17-35S(750) de alta densidad (Figura 3)

Figura 3: El enchufe recto Deep Space D38999 TVS06RF-17-35S(750) ilustra la configuración de inserciones de alta densidad para la clase de señal. (Fuente de la imagen: Amphenol Aerospace)

Una clase de corriente media eleva la intensidad por clase de contacto a 7,5 A y proporciona un voltaje nominal de 600 V_CA y 850 V_CC en dos configuraciones:

• El modelo 15-19 de 19 posiciones, con una carcasa de tamaño 15 y una configuración de insertos 19, representado por el código TVPS00RF-15-19P(750)
• El modelo 19-32 de 32 posiciones, con una carcasa de tamaño 19 y una disposición de insertos 32, representado por el TVPS00RF-19-32P(750) y el TVS06RF-19-32S(750) (Figura 4),

Figura 4: El enchufe recto TVS06RF-19-32S(750), con su disposición de inserciones de 32 posiciones, ofrece una potencia de clase de corriente media de 7,5 A por contacto. (Fuente de la imagen: Amphenol Aerospace)

Una única configuración de 4 posiciones conforma la clase 13 A con los mismos valores nominales de 600 V_CA y 850 V_CC, combinando el TVPS00RF-13-4P(750) con el conector TVS06RF-13-4S(750) (Figura 5) en una carcasa compacta de tamaño 13 con un área de inserción que ofrece cuatro contactos de gran tamaño.

Figura 5: El enchufe recto de 4 posiciones TVS06RF-13-4S(750) empareja una carcasa compacta tamaño 13 con cuatro grandes contactos de crimpado con una potencia de 13 A. (Fuente de la imagen: Amphenol Aerospace)

En la gama más alta de corriente, el modelo de clase 23 A funciona con los mismos valores nominales de 600 V_CA y 850 V_CC e incluye:

• El modelo 17-6 de 6 posiciones, con una carcasa de tamaño 17 y una configuración de insertos 6, representado por el TVPS00RF-17-6P(750)
• El modelo 21-11 de 11 posiciones, con carcasa de tamaño 21 y disposición de insertos 11, junto con el TVPS00RF-21-11P(750) y el conector TVS06RF-21-11S(750) (Figura 6), que ocupan las carcasas de tamaño 21 más grandes del juego disponible en stock

Figura 6: El enchufe recto de 11 posiciones TVS06RF-21-11S(750) en la carcasa tamaño 21 tiene la mayor potencia de corriente de 23 A por contacto. (Fuente de la imagen: Amphenol Aerospace)

El tamaño de la carcasa por sí solo no determina la clase. Por ejemplo, la carcasa tamaño 17 aparece tanto en la disposición de señales de 55 posiciones como en la de 6 posiciones 23 A. Por lo tanto, los diseñadores deben seleccionar la disposición de los insertos y la configuración de contacto necesarias y, a continuación, confirmar las especificaciones completas correspondientes a cada número de referencia.

Conclusión

Los sellos elastoméricos convencionales en los conectores estándar MIL-DTL-38999 se agrietan y fallan bajo el frío extremo, lo que supone el riesgo de fallo de misión en vehículos espaciales y otras aplicaciones que exponen los sistemas a temperaturas criogénicas. Los conectores Deep Space D38999 de Amphenol Aerospace están diseñados para entornos criogénicos, sin dejar de ser compatibles con los conectores 38999 estándar. Esto permite a los diseñadores trabajar sobre la base de una plataforma de conector con la que ya están familiarizados, al tiempo que seleccionan y validan la configuración específica de Deep Space para su aplicación.