专为航天器机载计算系统设计的高密度连接器

几十年来，太空探索一直是美国宇航局（NASA）和欧洲航天局（ESA.）等大型国际机构的专属业务。然而，近年来，这种情况发生了很大变化。现在大量的商业企业和学术机构正在进入这个领域，导致出现了一种“新太空（New Space）”现象。

推动这一趋势的根本动力包括相关技术的成本降低以及开源参考设计的出现，这些有助于降低工程壁垒，使较小的企业能够将他们设计和制造的航天设备送入轨道。此外，这也意味着其中所需的技术和财力资源远远少于过去。

总部位于白金汉郡（Buckinghamshire）的4Links在“新太空”开发中发挥着重要作用。该公司成立于 2000 年，为中小企业提供完成其太空项目所需的工程技术和咨询服务。4Links还与更大的机构和公司合作，其中包括空中客车公司和 Clearspace等。

4Links 团队最近的一个关注重点是为软件和硬件开发一个平台，能够使面向太空（space-bound）的系统开发变得快速、简单且具有成本效益，该平台命名为 Loki，取名于以破坏性著称的北欧神，平台的目的是鼓励设计重复使用，而无需从头开始每个新的项目。

图 1：4Links 的 Loki 开发平台（右侧显示的为子系统接口区域）。

Loki 的目标是为太空领域的客户提供一个完全可配置的处理平台，客户可以在该平台上构建自己的机载计算机。Loki平台专为采用日益流行的 SpaceWire 网络基础设施方法（4Links 创始人Paul Walker 积极参与建立）的卫星而设计，并基于可编程逻辑和模块化结构，减少了所涉及的工程工作量，从而缩短了完成时间，并降低了相关的成本。

Loki 由带有夹层板（mezzanine board）的 Eurocard 格式载板（carrier board）组成，夹层板负责所有固定的功能，包括处理、内存、系统管理。夹层的中心是一个高性能 Xilinx Kintex UltraScale FPGA 器件，它可以在发射前重新编程，甚至可以在飞行中更新。 I/O 载板管理所有接口，它可以作为网关，涵盖了与不同卫星子系统的通信以及为 FPGA 夹层的输入。

夹层板能够放置在具有不同 I/O 配置的载板上，这种能力可以很容易地根据每个客户的具体要求修改设置。 Loki 的另一个关键优势是该板只需通过一次认证，然后即可用于多种配置。因此，一切都可以在极短的时间内准备好，可能只需一个月时间。

正如 4Links 工程总监 Spencer Saunders 所解释的那样：“这种载板/夹层板方法使这个平台对我们的客户非常具有吸引力。该平台更加敏捷，从而能够加快开发进程。对用户来说，另一个好处是他们最初可以让一个板得到认证，然后再重新配置其他板。这种认证能够避免客户开始每个新项目时都需要进行昂贵的重新认证。”

工程考虑

由于 Loki 旨在用于卫星和其他轨道运行硬件，因此必须将硬件的总重量保持在最低限度。此外，必须认识到大多数“新太空”项目的成本敏感性，这意味着在设计中使用 满足MIL-SPEC 的定制组件根本不可行，必须改用具有高度灵活性的商用现成替代品。最重要的是，这些部件必须具有很强的抗损坏能力。尽管暴露在极端温度、机械冲击和振动环境下，所有选定的组件都需要能够长时间运行。

载板如何与每个子系统连接给 4Links 开发团队带来了几个需要克服的额外设计挑战。除了符合前面列出的所有要求外，安装必要连接器时允许的空间非常小，需要采用特定的高引脚密度配置。

寻找有效的互连解决方案

Micro-D 格式等传统的连接器解决方案对于这种类型的项目实施尺寸太大，PCB 会占用过多宝贵的空间。此外，由于此类连接器采用金属外壳，重量更大，因此，需要查找其它解决方案。

一年多前，Harwin 和 4Links 开始讨论 Loki平台。在对样品进行广泛测试后，确定Gecko-SL 连接器是 完成I/O 载板及其所有子系统接口功能的绝佳选择。

图 2：Harwin 紧凑、轻巧的 Gecko-SL 连接器已被证明在众多太空企业中非常受欢迎。

Harwin 的 1.25mm 间距 Gecko-SL 连接器与指定的标准 Micro-D 组件相比具有明显优势，它明显重量更轻、更紧凑。与 Gecko 系列的所有部件一样，Gecko-SL 连接器能够提供关键任务系统所需的极高可靠性：足够牢固，可以耐受最苛刻的工作条件。即使受到强烈的扭力，螺钉锁定机构也能够保持可靠连接。4 指铍铜触点设计可确保互连保持不受重冲击 (50G/100G) 和振动 (20G) 的影响。 Gecko-SL 连接器的工作温度范围为 – 65～ +150°C。此外，它们还具有令人印象深刻的除气（outgassing）性能。

Gecko-SL 连接器有多种引脚数选项，这对 Loki 平台也很重要，可为 4Links 的技术人员提供更大的连接组合灵活性，他们可以成功地将其适应载板上的可用区域。这样的优化设计结果是，未使用引脚占用的空间最终会很少。

4Links 的 Saunders 表示：“Harwin 的 Gecko-SL 连接器为我们提供了所需的高引脚密度，其实施方式比我们考虑的竞争解决方案要好很多，而且只需要为其分配最小的电路板面积。此外，通过Gecko-SL 连接器的不同版本，可以获得更高的引脚数灵活性。这意味着我们不必采用过多引脚的产品，这种具有所需引脚数的连接器可以为每个引脚分配适当功能，而不会出现引脚未被使用，因此避免PCB空间被不必要地占用。我们从 Harwin 得到的高质量产品以及随之而来的技术支持，对于将 Loki 平台推向市场至关重要。”

Loki 平台已经成为用于天气监测、地球观测和空间碎片清除等众多低地球轨道 (LEO) 卫星任务的机载计算系统的基础，许多基于Loki 平台的其他各种项目也将很快进行。