太空合格元件的技術t成熟度等級

將產品送到太空遠比將地球用產品推向市場複雜。在太空中使用的元件必須能承受太空環境的挑戰，在預期壽命內無需維護就能可靠運作，更要支援發射時的重量與尺寸限制。

在這種環境下，產品設計人員會採用已經過設計、測試並通過審核，可在太空應用中順利使用的太空合格零件 (QPS)。QPS 已達到美國國家航空暨太空總署 (NASA) 制訂的最高技術成熟度等級 (TRL)。

TRL 等級分為 1 至 9，可反映產品從概念到成功運作的整個歷程 (圖 1)。TRL 1 至 3 注重的是將基本想法發展成概念的驗證，以展示此項目的理論運作方式。從 TRL 4 到 TRL 6，零件會進行初步測試和模擬。TRL 7 和 8 則將概念實體化，會對原型進行實際測試及技術的最終展示。

圖 1：NASA 的 TRL 可展示太空用產品從初期概念到效能實證的過程。只有達到 TRL 9 的零件，並且依照公認標準製造與測試，才能視為 QPS。(圖片來源：Cinch Connectivity Solutions)

達到 TRL 9 的產品表示已在實際太空應用中成功展現效能。除了達到高 TRL 等級之外，零件還要通過特定的測試程序，才能被視為 QPS。控制這些要求的標準會隨元件類型而有所不同。例如，QPS 衰減器必須依據 MIL-DTL-3933 等級 T 進行測試，QPS 電子連接器則受 NASA 的 EEE-INST-002 標準規範。

瞭解太空應用的特定挑戰有助於設計人員挑選符合要求的既有 QPS，可縮短從概念到部署的過程，並可確保產品準時上市且符合預算。

克服逸氣問題

能在真空環境及極端溫度下運作，是太空元件必須克服的最大挑戰之一。離地 1,234 至 22,234 英里的中地球軌道 (MEO) 中有真空層，也是全球定位系統 (GPS) 衛星運作的區域，平均真空度約為 1 mTorr 至 1 µTorr。同時，在這些及其他應用中的元件，在陰影中需承受低至 -270°C 的溫度，而在陽光直射下則可達 +121°C。

若暴露在真空與高溫環境中，非金屬零件可能會發生逸氣，此現象是指製造過程中困在材料內部的氣體會遷移至表面。此遷移會導致材料內部產生裂縫，進而削弱其強度。釋放出的氣體也可能會在元件的其他部分凝結並結冰，導致光學元件模糊和感測器受污染等問題。

逸氣的嚴重程度是透過元件在真空和高溫下所損失的總質量 (TML) 來衡量，此損失會以原始質量的百分比表示。製造商也會測量可收集揮發性冷凝物質 (CVCM) 的百分比，即在較冷表面上凝結的逸氣物質數量。兩項測試皆依 ASTM E595 規定執行，樣品保持在 +125°C 且壓力低於 5 x 10^-5 Torr 並持續 24 小時。

大多數電子元件必須通過逸氣測試才可指定為 QPS，因為其採用非金屬的絕緣和屏蔽材料。Cinch Connectivity Solutions 的 Cinch Dura-Con™ 太空屏蔽 micro-D 插頭和插座 (圖 2) 就屬這類元件。Dura-Con 連接器中的非金屬材料、針腳周圍的熱固性絕緣體以及乙烯四氟乙烯 (ETFE) 電線絕緣層，會在測試中損失的總質量低於 1%，且 CVCM 低於 0.01%。

圖 2：Dura-Con 連接器採用低逸氣絕緣材料，可超越 NASA 針對 LEO 應用電子連接器挑選所規定的 EEE-INST-002 標準。(圖片來源：Cinch Connectivity Solutions)

這些鍍鎳連接器符合 MIL-DTL-83513 標準，適用於微型矩形電氣連接器。其覆蓋區為寬 0.775" 至 2.160"、高 0.298" 至 0.384"，可容納 9 至 100 個針腳位置。

憑藉設計與低程度的逸氣，因此適合最高達 1,200 英里的低地球軌道 (LEO) 應用，符合 NASA 的電子連接器挑選標準 EEE-INST-002。哈伯太空望遠鏡、國際太空站以及促成全球電信的微型衛星星座皆在此區域繞行。

EEE-INST-002 標準亦針對電子連接器制訂三個關鍵性等級。第 1 級連接器為任務關鍵型，第 2 級連接器則需要高可靠度，第 3 級連接器則具有標準可靠性。Dura-Con 連接器經過篩選，需達第 2 級。

降低輻射干擾

除了真空和極端溫度的危害外，太空用元件還必須因應輻射的增加。在缺乏地球大氣層保護的情況下，這些元件將直接暴露在全波段的紫外線 (UV) 輻射中。在 LEO 軌道外的伽瑪射線和其他電離輻射也必須納入考量。輻射會縮短非金屬元件的壽命，而且一般來說，無線射頻干擾 (RFI) 及電磁干擾 (EMI) 也會導致電磁信號衰退。

可抵抗此類干擾的電氣連接器，例如 Cinch Connectivity Solutions 的 Trompeter QPS 電氣連接器，就具備強固的 RFI 和 EMI 屏蔽，因此能符合 MIL-STD-1553B 數據匯流排規範。

此元件主要由金屬製成，包括鍍金的鈹銅觸點和鎳質主體。低逸氣的多四氟乙烯 (PTFE) 介電材料可達到 TML 低於 1.0％ 及 CVCM 低於 0.10％。

太空等級的 Trompeter 系列包括兩種連接樣式的微型連接器。TRB 連接器採用卡口式鎖定 (圖 3)，TRT 連接器則使用螺紋固定 (圖 4)。每種類型都有多種設計，因此可穿板連接、電纜端接或透過印刷電路板 (PCB) 連接。

圖 3：TRB 太空級微型卡口式連接器具有優異的 RFI 和 EMI 屏蔽能力以及低逸氣特性。(圖片來源：Cinch Connectivity Solutions)

圖 4：TRT 太空級微型螺紋連接器可穿透隔板連接、纜線端接，或固定在 PCB 上。(圖片來源：Cinch Connectivity Solutions)

TRS 超微型卡口式連接器 (圖 5) 和 TTS 超微型螺紋連接器 (圖 6) 具備與較大型款式相等的穩健訊號傳輸效能。因尺寸較小，因此能更有效地利用衛星及其他軌道載具上的有限空間。

超微型零件亦可解決太空應用中的另一項設計難題：發射到軌道的成本。在 2025 年，將一公斤質量發射 LEO 的成本為 3,000 美元。雖然這比太空梭時代每公斤 5 萬美元的成本低了十倍以上，但重量仍是相當昂貴的考量。超微型 QPS 連接器可幫助減輕重量並節省成本。

圖 5：TRS 太空級超微型卡口式連接器不僅可減輕發射重量與成本，同時還可維持優異的訊號傳輸效能。(圖片來源：Cinch Connectivity Solutions)

圖 6：TTS 太空級超微型螺紋連接器採用低逸氣的絕緣材料，可超越 NASA 針對 LEO 應用電子連接器挑選所規定的 EEE-INST-002 標準。(圖片來源：Cinch Connectivity Solutions)

Trompeter 連接器具有低逸氣、輕量化及高品質的訊號傳輸特性，因此可用於 LEO 通訊衛星、MEO GPS 衛星，以及 NASA 火星探測車上。

專為發射打造的耐用元件

成本考量並非將元件送入太空的唯一設計挑戰。零件必須能承受發射時的加速度與振動，以及熱衝擊，且經過這些衝擊後的效能必須與在測試架上測試時相同。

MIL-DTL-3933 標準有明訂無線電與微波固定衰減器的認證與篩選要求，這些衰減器能在波形不失真的情況下降低訊號功率。此標準可提供明確指引，並且標記為 T 級。

QPS 衰減器 (圖 7) 經測試符合 MIL-DTL-3933 的 T 級要求，可提供 0 dB 至 20 dB 的衰減值，準確度介於 ±0.3 dB 至 ±0.7 dB。由不鏽鋼與鈹銅製成，並搭配 PTFE 介電材料及氟橡膠墊圈，因此可符合甚至超越逸氣要求。

圖 7：QPS 衰減器可將無線電或微波訊號的功率從 0 dB 降低至 20 dB，因此已應用於 GPS 衛星及星際任務。(圖片來源：Cinch Connectivity Solutions)

這些衰減器提供三種屏蔽等級，可因應衰減器的最終應用需求。等級 A 會在施加峰值功率前後檢查所有零件的衰減效能，適用於非飛航應用。等級 B 為最低要求的太空飛行前篩選，其增加了熱衝擊和真空調節等發射應力的評估，適用於進入 LEO 的衛星零件。等級 C 則將熱循環和振動加到篩選過程中，建議用於所有太空用零件，包括前往地球靜止軌道 (離地球 22,234 英里) 及更遠區域的零件。

結論

已在先前太空飛行任務中成功展示而達到 TRL 等級 9 的 QPS 元件，已證明擁有長期免維護壽命，並可承受極端溫度、衝擊、振動、真空及輻射的考驗。QPS 製造商已制訂篩選規定，可確保其太空級、太空用零件 100% 如今與未來皆能在軌道或深空作業中因應相關挑戰。