Für raue Umgebungen ausgelegte elektronische Weltraumsysteme erfordern hochspezialisierte Verbindungselemente, um unter den extremen Bedingungen im All die maximale technische Leistungsfähigkeit zu erreichen und die Datenübertragung zu sichern. Sebastien Charbonnel, Managing Director Central Europe bei Nicomatic, gibt im Interview Einblicke in das Thema. (Bild: Nicomatic)
Herr Charbonnel, warum kann ich keinen „normalen“ Steckverbinder für die Raumfahrt spezifizieren?
„Normale“ oder Standard-Steckverbinderserien weisen alle unterschiedliche Merkmale und Eigenschaften auf. Bei der Auswahl eines Steckverbinders kommt es darauf an, eine Lösung zu finden, die den Größen- und Gewichtsanforderungen der jeweiligen Anwendung entspricht, die korrekten Daten-/Signalübertragungsgeschwindigkeiten liefert, die erforderliche Anzahl von Stiften aufweist, der Anzahl von Steckvorgängen standhält und Umgebungsfaktoren wie Temperatur, Feuchtigkeit, Spritzwasser, Vibrationen und Stößen standhält.
Es liegt auf der Hand, dass die Anforderungen an Steckverbinder für Haushaltsgeräte, die wir ebenfalls vertreiben, andere sind als für die Raumfahrt. Der Weltraum ist im wahrsten Sinne des Wortes eine vollkommen andere Umgebung, die spezifische und einzigartige Herausforderungen mit sich bringt, und die Arbeit in dieser Umgebung erfordert Lösungen, die nicht wirklich zum Standard gehören.
Wir bei Nicomatic haben viel Erfahrung mit Raumfahrtanwendungen – die Steckverbinder der DMM-, CMM- und EMM-Serie wurden in den letzten Jahren allesamt für Raumfahrtanwendungen spezifiziert, darunter für das ExoMars-Programm (CMM-Serie im TGO-Weltraummodul), das chinesische Raumfahrtprogramm Jade Rabbit (kundenspezifischer Steckverbinder im Jade Rabbit-Rover) sowie zahlreiche andere internationale Raumfahrt- und Satellitenprogramme.
Unsere Komponenten sind hochspezialisiert, um unter den extremen Bedingungen im Weltraum zuverlässig ohne Kompromisse oder Ausfälle zu funktionieren. Sie sind stoß- und vibrationsbeständig (kritisch bei Start und Landung), funktionieren in sauerstofffreien Umgebungen, sind strahlungsbeständig und vertragen Temperaturzyklen von -60 bis 250 °C.
Wenn Versagen keine Option ist: Die Übersicht zur Elektronik im Weltraum
Der Weltraum ist eine Herausforderung für die Elektronik in Satelliten und Raumfahrtsysteme, insbesondere aufgrund der intensiven Strahlungsumgebung. In unserem Themenschwerpunkt erhalten Sie einen Blick auf die Möglichkeiten, die sich bieten, um die empfindlichen Schaltkreise zu schützen und wir beantworten weitere Fragen rund um das Thema.
Was ist das Besondere an weltraumtauglichen Steckverbindern?
Der spezielle und einzigartige Charakter einiger unserer Lösungen macht sie in der Raumfahrt erfolgreich, und dies ist eine sehr starke Branche für Nicomatic. Unsere Verbindungslösungen sind extrem kompakt und leicht sowie hochgradig modular aufgebaut und ermöglichen eine große Anzahl verschiedener Kombinationen. So bieten beispielsweise die EMM-Standard-Mikrosteckverbinder im Raster 1,27 mm nach MIL-DTL-83513-G eine beliebige Pinauswahl von 4 bis 60 Signalkontakten sowohl in Board-to-Board- als auch in Board-to-Wire-Konfigurationen sowie austauschbare Hardware, umgekehrte Kontakte und 90°-Rückseitenschutz. EMM-Verbindungen halten Vibrationen, Stößen und extremen Temperaturschwankungen stand – alles Dinge, die auch im Weltraum vorkommen – und erfüllen die ASTM E595 (ECSS-Q-ST-70-02C)-Spezifikation für thermische Vakuumausgasung.
Die Robustheit, Sauerstofffreiheit und Strahlungsbeständigkeit unserer leichten CMM-Signal-, Stromversorgungs- und Koax-Steckverbinder im 2 mm-Raster hat zu ihrem erfolgreichen Einsatz in mehreren Raumfahrtanwendungen geführt, darunter das TGO-Weltraummodul bei der ExoMars-Mission. Diese Serie bietet mehr als 20 Millionen mögliche Anordnungen, also eine nahezu unbegrenzte Flexibilität. Wenn eine unserer modularen Serien nicht passt, dann passt oft eine kreative, maßgeschneiderte Lösung von Nicomatic, was uns dazu bringt, wie diese entwickelt werden.
Was sind die Herausforderungen bei der Entwicklung von weltraumtauglichen Komponenten?
Bei der Entwicklung von Komponenten für den Weltraum müssen eine Reihe von Fragen beantwortet werden. Zu den grundlegenden Fragen gehören:
- Welche Kriterien sind für dieses Projekt am wichtigsten – Platzersparnis, Gewichtsersparnis, Leistung, oder alle drei zusammen?
- Gibt es noch weitere entscheidende Faktoren?
- Bei Satelliten – Ist das Design für eine GEO- oder LEO-Anwendung bestimmt?
- Mit welchem Teil eines Satelliten beschäftigen Sie sich?
- Testen Sie neue Materialien für einem Nano-Satelliten und suchen Sie nach Feedback zu innovativen Ansätzen?
Elektronische Raumfahrtsysteme für raue Umgebungen erfordern hochspezialisierte Verbindungskomponenten, um unter den extremen Bedingungen im Weltraum wie beispielsweise Stößen, Vibrationen, G-Kräften, extremen Temperaturen sowie dem Betrieb im Vakuum technische Spitzenleistungen und eine sichere Datenübertragung zu ermöglichen.
Welche Rolle spielen Normen für Elektronik im Weltraum?
Der Zugang zum Weltraum verändert sich und öffnet sich zunehmend für private Unternehmen. Betrachten Sie NewSpace als den zukünftigen Standard oder orientieren Sie sich weiterhin an einem ESA-Standard? Die Antworten können für ein Start-up-Unternehmen anders ausfallen als für ein größeres, etabliertes Unternehmen.
Der NewSpace-Ansatz senkt die Eintrittsbarrieren und ermöglicht einen kostengünstigeren Zugang zum Weltraum, um mehr verwertbare Daten für Wissenschaftler zu liefern – SpaceX, Blue Origin und die Dove-Satelliten von Planet Labs sind die bekanntesten Beispiele dafür. Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) unterstützt dagegen nachdrücklich die Europäische Kooperation für Raumfahrtnormung (ECSS), eine 1994 ins Leben gerufene Initiative zur Entwicklung eines einheitlichen Satzes benutzerfreundlicher Normen für alle europäischen Raumfahrtaktivitäten. Sie wendet gemeinsame Normen für Projektmanagement, Entwurf, Entwicklung, Prüfung und Qualifizierung von Hardware und Software an.
Eine Norm sollte niemals eine Sackgasse für ein Projekt darstellen oder das erste Ziel darstellen. Wir finden zunächst die Lösung, die an eine bestimmte technische Anforderung angepasst ist. Dann testen wir diese in unserem Labor, um sie zu qualifizieren, woraufhin sie in der Umgebung des Kunden oder durch ein unabhängiges und akkreditiertes Labor bestätigt werden kann. Wenn beispielsweise die LAT 1&2-Tests erfüllt werden müssen, und wir von unserem Design überzeugt sind, kommt dieser Aspekt in einem weiteren Schritt zur Validierung eines natürlichen Tests zum Tragen.
Heute beginnen wir üblicherweise mit einer Space-Grade-Selbsterklärung der Konformität. Wenn dies nicht ausreicht, können wir mit unseren Kunden ein persönliches Gespräch führen, um das Thema zu erweitern. Was möchten unsere Kunden erreichen? Was sind ihre Erwartungen?
Muss ein Steckverbinder für jede Weltraummission neu entwickelt werden?
Im Laufe der Jahre haben wir bei Nicomatic viele innovative Lösungen für Weltraumanwendungen entwickelt. Diese Erfolgsbilanz und unser technologisches Know-how in Bezug auf Bauelemente sorgen dafür, dass jedes neue Projekt auf einer tieferen Wissensbasis durchgeführt wird. Dies sowie die Erfahrung unserer innovativen Ingenieure bilden eine solide Grundlage für alle Raumfahrtprojekte, an denen wir arbeiten.
Ein Space-Grade-Bauteil mit interner Bewertung dürfte in den meisten Fällen ausreichen, auch ein MIL-Normteil kann weltraumkompatibel sein, wenngleich nicht in allen Ausführungen. Eine Raumnorm ist manchmal unabdingbar, kann aber gelegentlich auch als Grundlage dienen, von der einige, aber nicht alle Aspekte übernommen werden. Um eine innovative Lösung zu liefern, die den Kriterien des Kunden entspricht, entwirft und fertigt Nicomatic entweder eine vollständig maßgeschneiderte Lösung oder eine, die mit Kombinationen aus unseren modularen Serien in einem innovativen Design für „nie zuvor realisierte oder getestete Lösungen für die unbekannten Phänomene des Weltraums“ entwickelt wurde.
Der Weltraum, unendliche Weiten. Und unendliche Möglichkeiten. Das All hat vor allem für die Forschung Potenzial, aber auch Grundlagen für die Entwicklung neuer Technologien können dort gelegt werden. Daher werden die Raumfahrt und andere Weltraum-Technologien immer wichtiger. Was sich in dem Bereich gerade bewegt und worin die Chancen für die Industrie liegen, erfahren Sie bei den Kollegen von Produktion.de.
Wie gehen Sie kundenspezifische Lösungen an?
Kundenspezifische Lösungen sind eine Spezialität von Nicomatic, und wir haben einen guten Ruf als Hersteller von robusten kundenspezifischen Lösungen. Unser Fachwissen wird aus verschiedenen Gründen häufig in Anspruch genommen, nicht zuletzt, weil der typische Zyklus vom Entwurf bis zur Produktion nur 12 Wochen beträgt und es keine Mindestbestellmenge gibt. Wir lieben Herausforderungen und „ outside of the box“ zu denken. Bei Raumfahrtanwendungen ist die Entwicklung von Sonderanfertigungen für diese Art der Nutzung in rauen Umgebungen naturgemäß unsere Leidenschaft und unser Interesse. Potenzielle Kunden mit einem anspruchsvollen Design können sich mit einem Nicomatic-Ingenieur vor Ort zusammensetzen, um die Anforderungen zu besprechen, und gemeinsam Lösungen zu finden, an die der Kunde möglicherweise noch nicht gedacht hat. Es besteht zudem die Möglichkeit, den Vertriebs- und Anwendungsingenieuren von Nicomatic eine Anforderungsskizze oder -beschreibung sowie drei Must-Have-Merkmale zuzusenden, und innerhalb von maximal 72 Stunden eine Expertenmeinung zur Machbarkeit des Projekts zu erhalten.
Wie werden die Komponenten getestet?
Je nach den Anforderungen des Endbenutzers können die Komponenten intern getestet werden – Nicomatic verfügt über ein eigenes Testlabor und 40 Jahre Erfahrung in der Luft-, Verteidigungs- und Raumfahrttechnik – oder von einer externen Stelle anhand einer Norm getestet und vollständig qualifiziert werden, was die längste und teuerste Methode ist.
Eine vollständige Zertifizierung wie die der ESA ist zeitaufwändig und mit erheblichen Kosten verbunden, da jedes einzelne Teil geprüft werden muss. Wenn Sie also ein komplettes Paket von Lösungen ausgearbeitet haben, von einem Kabelbaum über spezielle Flachkabel bis hin zu verschiedenen Arten von Steckverbindern, können die Kosten mehrere hunderttausend Euro betragen.
Können Sie einige aktuelle Beispiele für Raumfahrtprojekte von Nicomatic nennen?
Nicomatic war im Rahmen des Heritage-Programms mit verschiedenen Anwendungen erfolgreich, darunter:
- Kamera für Erdbeobachtungssatelliten
- Rauscharmer kryogener Verstärker für die Radioastronomie
- Solarpaddles für einen Kommunikationssatelliten
- Spektrometer für ein wissenschaftliches Programm
- On-Board-Datenverarbeitung für Magneto-Teile
- Roboterarm
- Automatisches Abbruchsystem
- Satelliten-Videomodul
- Schubvektorsteuerung für Lenkraketen
- Steuerung für die Bodenstation
- ACS Atmospheric Chemistry Suite
Daher sagen wir bei Nicomatic: „Kreativität ist Teil unserer DNA“ und wir lieben es, diese zu nutzen, um die Herausforderungen im Bereich der Raumfahrtanwendungen zu lösen.
