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挠性电路与人造卫星

十月 20, 2017 | Dave Becker, All About Flex
挠性电路与人造卫星

第一颗人造卫星是前苏联于1957年发射的。美国于1958年成功发射了该国的第一颗人造卫星——探索者1号,同时宣告其“赢得”外太空竞赛[1]。今天人造卫星发挥诸多重要作用。它们可用于电子通讯、天气观测、全球定位导航、气候分析、空间观测、国家管理及军事应用。目前活跃在轨道上的有1300多颗人造卫星[2] 。每年约有80颗人造卫星发射到太空。新的人造卫星供应商仍在其他应用领域继续着声势浩大的技术竞赛。

挠性电路应用于人造卫星制造已有几十年了。它们被用于天线、电源总线、电子互连、太阳能阵列、电池连接及热管理。在太空应用继续激增的同时,由较轻的高可靠性FPC提供的设备也在稳步增长。超大的挠性电路(长度>22英寸)常应用于各种卫星子系统的互连电路,取代了较重且庞大的线束。大于15英尺的挠性电路也已应用。

人造卫星通常是根据轨道高度分类的:

低地球轨道(Low Earth Orbit,简称为LEO)距离地球表面100英里至1200英里。人造卫星如国际空间站(ISS)、地球观察站及间谍卫星一般都处于LEO,因为在这个高度范围内可以更好地观察地球表面。人造卫星停留在较低的高度是因为在更高的高度时辐射暴露会限制人类在空间站的停留时间。而且需要偶尔维护的卫星在LEO则更容易到达。如果不偶尔推进一下,LEO卫星的轨道寿命就会比较短,因为大气相对较密、阻力较大。多数LEO卫星都有自推进功能。

中地球轨道(Medium Earth Orbit,简称为MEO)距离地球表面1200英里至22000英里。用于无线通讯的人造卫星一般处于MEO。它们的高度足够高,可以使通讯覆盖面最大化;同时又足够低,允许相对低功率的发射机能够正常运行。

高地球轨道(High Earth Orbit,简称为HEO)距离地球表面大于22,000英里。维持稳定轨道所需要的速度取决于卫星的高度。高度越高,所要求的速度越低。高度为22236英里时,人造卫星将进入同步轨道,此时卫星的速度与地球的旋转速度相同。从地球表面看,进入地球同步轨道的卫星是静止的,因为相对于地球来讲它保持在一个不变的位置上。地球同步轨道卫星常用于天气观测,因为卫星可以长期观察地球的同一个区域。

很多人造卫星的发射只需要它们持续运转几年。从理论上讲,如果大气阻力很小不会造成轨道衰减,很高的地球轨道卫星就可以永久停留在轨道内。中、低地球轨道卫星不借助推进也可在轨道内停留几年,但最终会衰减到失去轨道。由于磨损和撕裂、设备发生故障或与空中碎片碰撞,很多卫星会在空中爆炸。NASA正在跟踪轨道内的17000个人造物体,据估计这些碎片只是其中的一小部分[3]。卫星的寿命取决于轨道的高度、材料和电子器件的牢固度以及其用途。

卫星电子系统的物理要求会随其运行而变化,发射人造卫星时元器件部件必须承受极大的发射压力。强烈的冲击和持续振动对互连有着不同寻常的可靠性要求。通过把硬的线束和刚性电路板集成到挠性电路产品中而去除了连接器可得到高可靠布线系统;同时将功率消耗降至最低是太空中电子互连的另一个主要特性;再次挠性电路通过可控阻抗电路携带大量数据的能力是其被采用于高性能应用中的另一个原因。

太空应用所要求的高真空环境会使排气成为一个问题。在真空中释放的气体会引发问题,如敏感元器件和多数专用摄相机镜头会产生冷凝,设备的视觉能力会模糊。ASTM国际组织已经开发了一项测试标准——ASTM E 595作为评估排气的方法[4]。现在市面上已有各种挠性电路结构,其中无粘接剂的基板是太空应用中比较受欢迎的材料。

由于挠性电路可以用较少的空间实现较轻的封装,所以在很多人造卫星应用中是最理想的;而且挠性电路也很可靠,且有较长的预期寿命。它们还可设计为具有严格的阻抗控制,这常常是高频信号的要求。与其替代物相比,它的轻量化也是其优势;挠性散热器电路可用来帮助维护系统电子设备运行所需的热控制。

参考资料

  1. 探索者1号:第一颗美国卫星
  2. 新交互图只是显示了有多少卫星在绕着地球运行?
  3. 太空碎片和人类太空飞船,NASA网站
  4. 排气是什么及它有什么问题?

其他资料:

军用太空官方寻求快速部署新卫星以应对威胁   www.spacenews.com.

OneWeb新卫星工厂结构正在快速变动        www.spacenews.com

谁会赢得外太空?www.bbcnews.com

https://defensesystems.com/articles/2014/03/21/satellite-communications-future-options.aspx

标签:
#柔性电路  #航空航天 

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