航天级组件的技术成熟度

与将地球上的产品推向市场相比，将产品发射到太空要复杂得多。太空中的组件必须能够承受太空环境的挑战，要在预期寿命内可靠运行且无需维护，并支持发射的重量和尺寸限制。

在这种环境下，产品设计人员转向已经过设计、测试和审查，可成功用于太空应用的航天合格零件 (QPS)。QPS 已达到美国国家航空航天局 (NASA) 规定的最高技术成熟度 (TRL)。

TRL 分 1 到 9 级，反映了产品从概念到成熟性能的过程（图 1）。TRL 1 至 3 针对基本概念到概念验证，展示该产品理论上如何运作。TRL 4 到 TRL 6 覆盖初步测试和模拟。TRL 7 和 8 则通过了原型实际测试和技术的最终展示，将概念变为了现实。

图 1：NASA TRL 表示航天产品从最初概念到性能成熟的过程。只有 TRL 为 9 的零件在按照公认标准进行制造和测试后，才能被视为 QPS 零件。（图片来源：Cinch Connectivity Solutions）

TRL 达到 9 级的产品已在实际空间应用中取得成功。除了达到这一较高的 TRL 水平外，零件还需要通过特定的测试程序，才能被视为 QPS。控制这些要求的标准因零件类型而异。例如，QPS 衰减器必须按照 MIL-DTL-3933 T 级标准进行测试，QPS 电子连接器则受 NASA 的 EEE-INST-002 标准管辖。

了解天基应用所面临的具体挑战，可以帮助设计人员选择性能符合其要求的现有 QPS，缩短从概念到部署的时间，并按时、按预算将产品推向市场。

克服脱气

在真空和极端温度下运行的能力是太空组件必须克服的最大障碍之一。距离地球 1,234 至 22,234 英里的中地球轨道 (MEO) 上的真空，全球定位系统 (GPS) 卫星在此高度运行，平均真空度为 1 mTorr 至 1 µTorr。与此同时，这些应用和其他应用中的组件在阴影下的温度低至 -270°C，而在阳光直射下的温度则高达 +121°C。

非金属零件暴露于真空和高温环境下时，可能会发生“脱气”现象。该现象是指制造过程中残留在材料内部的气体向表面迁移。这种迁移可能导致材料内部产生裂纹，从而削弱其强度。释放出的气体还可能在其他零件上凝结和冻结，造成光学器件模糊和传感器堵塞等损坏。

脱气的严重程度是通过组件在真空和热条件下损失的总质量 (TML) 来衡量的，以原始质量的百分比表示。制造商还会测量可收集挥发性冷凝材料 (CVCM) 的百分比，即在较冷表面冷凝的脱气物质的数量。这两项测试都是按照 ASTM E595 协议要求进行的，在该协议中，样品在 +125°C 和低于 5 x10^-5 Torr 的条件下保持 24 小时。

大多数电子组件由于使用非金属绝缘和屏蔽材料，必须通过脱气测试才能被指定为 QPS 零件。Cinch Connectivity Solutions 的 Cinch Dura-Con™ 空间屏蔽式 micro-D 插头和插座（图 2）就是这种情况。Dura-Con 连接器中的非金属、插针周围的热固性绝缘体和乙烯-四氟乙烯 (ETFE) 电线绝缘层在测试中的损耗小于其总重量的 1%，CVCM 小于 0.01% 。

图 2：Dura-Con 连接器使用低脱气绝缘材料，超过了 NASA 针对 LEO 应用电子连接器的 EEE-INST-002 标准的要求。（图片来源：Cinch Connectivity Solutions）

这些镀镍连接器符合 MIL-DTL-83513 标准，适用于微型矩形电气连接器。它们可容纳 9 至 100 个针位，基底面宽 0.775" 至 2.160"，高 0.298" 至 0.384"。

根据 NASA 的 EEE-INST-002 电子连接器选择标准，这些连接器的设计和低脱气水平使其可应用于高度达 1,200 英里的低地球轨道 (LEO)。哈勃太空望远镜、国际空间站以及使全球电信成为可能的微型卫星星座都在这个区域的轨道上运行。

EEE-INST-002 标准还规定了电子连接器的三个关键性等级。1 级连接器是任务关键型连接器，2 级连接器要求高可靠性，3 级连接器为标准可靠性等级。Dura-Con 连接器归为 2 级。

减少辐射干扰

除了真空和极端温度的危害外，太空中的组件还必须能应对更高辐射水平。如果没有地球大气层的保护，这些组件就会受到全谱紫外线 (UV) 辐射。在低地球轨道之外，伽马射线和其他电离辐射也令人担忧。辐射会缩短非金属零件的寿命，并且通常会通过射频干扰 (RFI) 和电磁干扰 (EMI) 降低电磁信号的质量。

像 Cinch Connectivity Solutions 的 Trompeter QPS 电气连接器这样能够解决这一问题的电气连接器具有强大的射频干扰和电磁干扰屏蔽功能，能够满足 MIL-STD-1553B 数据总线规范的要求。

它们也主要由金属制成，包括镀金铍铜触头和镍基体。低脱气聚四氟乙烯 (PTFE) 电介质材料可实现小于 1.0% 的 TML 和小于 0.10% 的 CVCM。

空间级 Trompeter 系列包括两种连接方式的小型连接器。TRB 连接器采用卡口式锁定（图 3），而 TRT 连接器则采用螺纹连接（图 4）。每种类型都提供多个设计，以允许通过穿板、电缆末端或印刷电路板 (PCB) 进行连接。

图 3：TRB 航天级小型卡口连接器具有出色的射频干扰和电磁干扰屏蔽性能，并且脱气量低。（图片来源：Cinch Connectivity Solutions）

图 4：TRT 航天级小型螺纹连接器可通过穿板、电缆或 PCB 连接。（图片来源：Cinch Connectivity Solutions）

TRS 超小型卡口连接器（图 5）和 TTS 超小型螺纹连接器（图 6）与大型同类产品一样具有强大的信号传输功能。它们的尺寸较小，可以更有效地利用卫星和其他轨道飞行器的有限空间。

超小型零件还解决了空间应用的另一个设计难题：将其发射到轨道上的成本。2025 年，将一公斤质量的物体发射到低地球轨道的成本为 3,000 美元。虽然这比航天飞机时代每公斤 50,000 美元的价格低了不止一个数量级，但重量仍然非常重要。超小型 QPS 连接器有助于减轻重量和节约成本。

图 5：TRS 航天级超小型卡口连接器可减轻发射重量和成本，同时保持出色的信号传输性能。（图片来源：Cinch Connectivity Solutions）

图 6：TTS 航天级超小型螺纹连接器使用低脱气绝缘材料，超过 NASA 针对 LEO 应用电子连接器的 EEE-INST-002 标准的要求。（图片来源：Cinch Connectivity Solutions）

Trompeter 连接器脱气少、重量轻、信号传输质量高，因此被用于低地球轨道的通信卫星、中地球轨道的 GPS 卫星以及 NASA 的火星探测器。

专为太空发射和持久使用而打造的组件

成本考虑并不是将组件发射到太空的唯一设计挑战。零件必须能够承受发射时的加速度和振动以及热冲击，并且在这些冲击之后仍能像在试验台上一样性能良好。

MIL-DTL-3933 标准规定了无线电和微波固定衰减器的鉴定和筛选要求，这些衰减器可在不扭曲波形的情况下降低信号功率。该标准提供了具体指导，标为 T 级。

QPS 衰减器（图 7）经过测试，符合 MIL-DTL-3933 T 级要求，衰减值范围为 0 dB 至 20 dB，精度为 ±0.3 dB 至 ±0.7 dB。它们采用不锈钢和铍铜制成，带有聚四氟乙烯介质和氟橡胶垫圈，符合或超过脱气要求。

图 7：QPS 衰减器可将无线电或微波信号的功率从 0 dB 降低到 20 dB。它们已用于 GPS 卫星和星际飞行任务。（图片来源：Cinch Connectivity Solutions）

这些衰减器有三个筛选等级，可反映衰减器的最终用途。A 级检查所有零件在峰值功率应用前后的衰减性能，适用于非飞行应用。B 级是最低限度的太空飞行前筛选，在评估中增加了热冲击和真空调节等发射应力，用于进入低地轨道的卫星零件。C 级在筛选过程中增加了热循环和振动，建议用于任何太空零件，包括那些飞往地球静止轨道（距离地球 22234 英里）及更远的零件。

结语

在以前的太空飞行任务中成功执行任务的 QPS 组件的 TRL 达到了 9 级，证明其具有较长的免维护寿命，可承受极端温度、冲击、振动、真空和辐射。QPS 零件制造商已经制定了筛选协议，以确保其航天级、星载零件 100% 地能够应对当前和未来在轨或深空运行所带来的挑战。