Unendliche Weiten Fortschrittliche Steckverbinder verhindern Reibkorrosion in Weltraumanwendungen

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Die rauen Bedingungen im Weltraum stellen Steckverbinder auf eine harte Probe. Probleme wie Fretting-/Reibkorrosion können zum Scheitern der Mission führen. Dieser Beitrag erläutert, wie Entwickler bei jüngsten Marsmissionen fortschrittliche Steckverbinderdesigns erfolgreich eingesetzt haben, die trotz Stößen, Vibrationen und extremen Temperaturen zuverlässig funktionieren.

Als der Mars-Rover Curiosity 2011 zu seiner Mission zum Roten Planeten aufbrach, begann eine Reise von erstaunlichem Ehrgeiz und Ausmaß. Curiosity wurde an Bord einer Atlas-V-Rakete von Cape Canaveral in Florida gestartet und flog mehrere Monate lang durch den Weltraum, bevor er den anspruchsvollen Eintritt in die glühend heiße Marsatmosphäre überstand und erfolgreich im 150 km breiten Gale-Krater landete.

Das war nur der Anfang einer außergewöhnlichen wissenschaftlichen Mission. Seitdem hat das 3 m lange und 900 kg schwere Raumfahrzeug Tausende von Tagen damit verbracht, die felsige und hügelige Landschaft zu durchqueren und wichtige Informationen über die Geologie, Chemie und potenzielle Bewohnbarkeit des Planeten zu übermitteln. Unglaublicherweise setzt Curiosity seine Mission bis heute fort – eine Langlebigkeit, die den Einfallsreichtum der Wissenschaftler und Entwickler unterstreicht, die dieses interplanetare Unterfangen zu einem dauerhaften Erfolg gemacht haben.

Solch bahnbrechende Weltraumforschung ist die Summe vieler Teile. Curiosity ist ebenso wie sein Nachfolger Perseverance auf die robuste und widerstandsfähige Leistung mehrerer Systeme und Komponenten angewiesen, die über lange Zeiträume hinweg nahtlos zusammenarbeiten müssen. Ein Beispiel dafür sind Steckverbinder: Der Erfolg der Curiosity-Mission hängt von einer zuverlässigen Stromversorgung und Kommunikation an Bord ab. Ohne absolut sichere Verbindungen hätte die gesamte Mission zum Stillstand kommen können.

Die Herausforderung: Verbindungen im Weltraum

Wie gewährleisten Weltraummissionen wie Curiosity und Perseverance zuverlässige Verbindungen für die Stromverteilung, Datenübertragung und Signalführung, wenn Wartung oder Austausch nicht möglich sind? Um diese Frage zu beantworten, lohnt es sich, die zahlreichen Gefahren für diese Verbindungen in der rauen Umgebung des Weltraums zu erläutern. Dazu gehören extreme Temperaturschwankungen und die starken Vibrationen während des Starts. Jeder dieser Faktoren kann die Integrität der Steckverbinder beeinträchtigen, die für den Betrieb von Raumfahrzeugen entscheidend sind. Hier stellt das Phänomen der Reibkorrosion eine erhebliche Herausforderung dar. Wird diese nicht behoben, kann dies den Erfolg ganzer Missionen gefährden.

Reibkorrosion bezeichnet den Verschleiß und die Abnutzung zwischen zwei Kontaktflächen, die wiederholten tangentialen Bewegungen ausgesetzt sind, häufig aufgrund von Vibrationen oder Temperaturwechseln. Diese Mikrobewegungen, die in der Regel nur wenige 1000stel mm betragen, führen dazu, dass die Kontaktflächen aneinander reiben und sich die Schutzbeschichtungen an den Kontaktpunkten des Steckverbinders allmählich abnutzen.

Bei elektrischen Steckverbindern bestehen die Kontakte aus einem Steckerstift oder einer -klinge und einer Buchse. Diese sind meist mit einer dünnen Goldschicht überzogen, die chemisch inert und oxidationsbeständig ist. Gold ist jedoch ein relativ weiches Metall und neigt zu Verschleiß. Unter der Vergoldung bildet eine Schicht aus chemisch abgeschiedenem Nickel eine Barriere zwischen dem Gold und dem Substrat. Nickel ist zwar haltbarer als Gold, neigt aber zur Oxidation, die an der Luft nichtleitende Oxidschichten bildet.

Durch die Mikrobewegungen nutzt sich die Goldbeschichtung ab und legt das darunter liegende Nickel frei. Das Nickel oxidiert, und diese Oxidpartikel sammeln sich in den Vertiefungen der Unebenheiten, die winzige Erhebungen und Vertiefungen in der Oberflächenstruktur des Metalls umfassen. Mit fortschreitender Reibung erhöht die Anwesenheit der Oxidpartikel in diesen Vertiefungen den elektrischen Widerstand. Dies behindert den Stromfluss, was zu Leistungsverlust, Signalverzerrung und schließlich zum vollständigen Ausfall des Steckverbinders führt – und damit zu einem Totalausfall der Mission.

Einschränkungen herkömmlicher Steckverbinder

Entwickler, die an Weltraummissionen arbeiten – wie auch in anderen Bereichen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit, z. B. in der konventionellen Luft-/Raumfahrt- und Verteidigungstechnik, Medizintechnik und Messtechnik – sind sich des Problems der Reibkorrosion bewusst. Traditionelle Methoden zur Bekämpfung dieses Phänomens sind die Erhöhung der Kontaktkraft, das Einbringen von Schmiermitteln oder der Einsatz mechanischer Verriegelungsmechanismen. Jeder dieser Ansätze hat jedoch seine Grenzen oder Nachteile, insbesondere im Weltraum, wo extreme Umgebungsbedingungen und die Notwendigkeit einer langfristigen Zuverlässigkeit ohne Eingriffe eine Rolle spielen.

Daher sind viele handelsübliche Steckverbinder, die auf herkömmlichen Kontaktdesigns basieren, für die rauen Umgebungsbedingungen im Weltraum eher nicht geeignet. So ist das traditionelle Stift- und Buchsenkontaktdesign – bei dem die Enden des Buchsenkontakts zu einer kreisförmigen Form geformt sind, um den Kontakt mit dem Stift herzustellen – anfällig für Reibkorrosion. Dies trifft insbesondere in Anwendungen zu, die Vibrationen, Stößen oder Temperaturwechseln ausgesetzt sind.

Der Stimmgabelkontakt ähnelt dem Stift- und Buchsenkontakt, hat jedoch ein anderes Design. Diese Kontakte werden aus flachem Material gestanzt und gabelförmig geformt. Stimmgabelkontakte werden häufig in Band- und Rollenformaten geliefert, wobei der Buchsenteil selektiv beschichtet ist, um Kosten zu sparen. Der Stiftkontakt ist hier quadratisch und wird in handelsübliche PCB-Steckverbinder eingegossen. Wie der Stift- und Buchsenkontakt bietet auch der Stimmgabelkontakt zwei Kontaktpunkte zwischen dem Stecker- und Buchsenteil. Diese Kontakte weisen jedoch in rauen Umgebungen wie den genannten eine eher schlechte Leistungsfähigkeit auf.

Schließlich gibt es noch den gebogenen Metallkontakt, der auch als Abschirm- oder Massekontakt bezeichnet wird. Dieser besteht aus einem gestanzten, selektiv beschichteten Kontakt, der im Band- und Rollenformat geliefert wird. Dieses Kontaktdesign ist einfach, verfügt über einen einzigen Kontaktpunkt und wird häufig in kostengünstigen Anwendungen wie Batteriekontakten verwendet. Gebogene Metallkontakte sind zwar kostengünstig und einfach im Aufbau, haben jedoch einen entscheidenden Nachteil: Bei übermäßiger Kompression kann es zu Kaltverformung und bleibender Verformung kommen. Daher ist dieser Kontakttyp nicht für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit zu empfehlen, bei denen eine gleichbleibende Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit gefordert sind.

Fortschrittliches Kontaktdesign für Weltraumanwendungen

Was ist also die Lösung für eine zuverlässige Verbindung im Weltraum? Die Entwickler der Projekte Curiosity und Perseverance fanden die Antwort, indem sie sich mit der Historie einer leistungsstarken Kontakttechnik befassten, die ursprünglich Mitte der 1950er Jahre entwickelt wurde, um elektrische Unterbrechungen zu beheben, die durch starke Vibrationen im Schienenverkehr verursacht wurden. Im Laufe der Jahre hat sich der Hypertac®-Hyperboloid-Kontakt durch kontinuierliche Weiterentwicklung für seine Zuverlässigkeit in anspruchsvollen Anwendungen etabliert.

Dieser Kontakt besteht aus einem hyperboloidförmigen Korb aus Drähten, die schräg zur Achse der Buchse verlaufen. Diese Drähte sind chemisch vernickelt und vergoldet, wobei die Goldschicht 50 m dick ist. Wird der Steckerstift in den Korb eingeführt, spannen sich die Drähte um ihn herum und bilden eine Vielzahl redundanter linearer Kontaktpunkte. Diese sorgen für einen niederohmigen Strompfad zwischen Stift und Korb. Die Kontaktfläche beträgt etwa 360° und erstreckt sich über die gesamte Länge des Stifts.

Aufgrund seines Aufbaus hat der Hypertac-Hyperboloid-Kontakt eine höhere Strombelastbarkeit als vergleichbare Kontakte und ist für bis zu 100.000 Steckzyklen ausgelegt. Dadurch eignet er sich für Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern, wie in den bereits genannten. Während wiederholtes Stecken im Weltraum kein Problem darstellt, hat sich die bewährte Funktion der Hypertac-Kontakttechnik in ihrer miniaturisierten Ausführung zum bevorzugten Kontakt im Bereich höchster Zuverlässigkeit entwickelt. Sie war die perfekte Lösung für Curiosity und Perseverance.

In beiden Missionen kamen 2mm-cPCI-Steckverbinder von Smiths Interconnect zum Einsatz, die auf der Hypertac-Hyperboloid-Technik basieren. Im Jet Propulsion Laboratory wurden strenge Tests unter extremen Umgebungsbedingungen durchgeführt, darunter Temperaturschwankungen, korrosive Atmosphären, übermäßige Stöße und Vibrationen, Kontakt-Steck-/Aussteckzyklen und andere wichtige Anforderungen der NASA. Der cPCI-Steckverbinder hat sich unter härtesten Bedingungen in anspruchsvollen Anwendungen, in denen Ausfälle nicht toleriert werden, bewährt und ist damit die ideale Komponente für die Mars-Rover.

Vorteile von Hypertac in hochzuverlässigen Systemen

Die Kommerzialisierung der Hypertac-Hyperboloid-Kontakttechnik schreitet schnell voran. Sie bildet heute die Grundlage weiterer Steckverbinderserien, die in hochzuverlässigen Anwendungen zum Einsatz kommen. Das KVPX-Steckverbindersystem von Smiths Interconnect beispielsweise basiert auf dieser Technik, um eine robuste und zuverlässige Lösung für Umgebungen zu bieten, in denen Steckverbinder extremen Bedingungen wie Vibrationen, Stößen und Temperaturwechseln standhalten müssen. KVPX-Steckverbinder sind mit weltraumtauglichen 0,4mm-Hyperboloid-Buchsen ausgestattet, die aufgrund der mehreren linearen Kontaktpunkte und der geringen Einsteckkräfte eine hohe Beständigkeit gegen Reibkorrosion bieten. Die selbstreinigende Wirkung des Kontakts gewährleistet eine zuverlässige elektrische Leistungsfähigkeit selbst unter schwierigsten Umgebungsbedingungen.

KVPX-Steckverbinder erfüllen die elektrischen Anforderungen der Normen VITA 46 und VITA 48 für Embedded-Systeme in Luft-/Raumfahrt- und militärischen Anwendungen. Die Steckverbinder ermöglichen Datenübertragungsraten bis zu 16 GBit/s für differentielle Signale und bis zu 8 GHz für Single-Ended-/referenzbezogene Signale. Darüber hinaus übertreffen sie die Vibrationsstandards: Erfolgreiche Tests haben gezeigt, dass sie Vibrationen bis zu 15 Geff und Stößen bis 100 G standhalten und damit die Anforderungen von VITA 47 übertreffen. Das KVPX-System ist für über 4000 Steckzyklen ausgelegt und somit eine robuste Wahl für Programme mit hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit, wie beispielsweise die neuesten Kampfjets der fünften Generation.

Zukunft der Weltraumforschung sichern

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Curiosity und Perseverance ein goldenes Zeitalter der modernen Weltraumforschung eingeläutet haben. Zahlreiche weitere Missionen befinden sich derzeit in der Entwicklung und Durchführung, die unsere Wissensgrenzen weiter vorantreiben werden. Der Erfolg all dieser Unternehmungen hängt von zuverlässigen Strom- und Datenverbindungen innerhalb der Systeme ab.

Fretting-/Reibkorrosion bleibt eine große Herausforderung bei Steckverbindern in rauen Umgebungen. Durch Technik wie dem Hypertac-Hyperboloid-Kontakt lässt sie sich jedoch effektiv reduzieren. Die auf Hypertac-Kontakttechik basierenden Steckverbindersysteme von Smiths Interconnect haben sich als Lösung für anspruchsvolle Anwendungen bewährt – nicht nur bei Curiosity und Perseverance, sondern auch in der Luft-/Raumfahrt- und Verteidigungstechnik als auch in anderen Branchen.

Um mehr über Reibkorrosion und die Hypertac-Hyperboloid-Kontakttechnik zu erfahren, laden Sie unser Whitepaper „Understanding Fretting Corrosion in Ruggedised Backplane Connectors“ (Reibkorrosion in robusten Backplane-Steckverbindern verstehen) hier herunter oder sehen Sie sich unser On-Demand-Webinar an. (mbf)

* Kevin DeFord ist Product Commercial Senior Manager, Kyle Gobble ist Product Line Manager, DSA und Benedetta Conte ist Product Marketing and Communications Manager bei Smiths Interconnect.

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