Aterramento no espaço

Estou trabalhando em um projeto que será lançado dentro de um foguete Blue Origin New Shepard e preciso saber os detalhes de como nosso experimento será fundamentado. O experimento terá uma fonte de alimentação de 5 V USB 3.0 e alimentará um Raspberry Pi Zero W. Como eu aterraria nossos componentes eletrônicos nesta cápsula?

Converse com os projetistas de naves espaciais, eles precisam ter alguém para coordenar as especificações elétricas dos equipamentos de bordo e você provavelmente precisará atender às especificações deles.

Provavelmente, você deve conectar o terra no RPi ao gabinete para blindagem elétrica. Se houver outras experiências na carga útil, você deve ter algumas diretrizes do engenheiro de sistemas sobre os assuntos da EMC. Apenas aleatoriamente, aqui está um exemplo do que você deve obter (esse link é para um CubeSat). Por exemplo, a saída de gás é particularmente importante se houver ótica envolvida em qualquer parte da carga útil. Haverá CDIs.

Se o ambiente estiver desprovido de ar, será necessário garantir um projeto térmico adequado para liberar o calor, sem permitir que as temperaturas de junção dos chips subam muito, e as forças G e a vibração durante o lançamento são tipicamente severas, portanto provavelmente haverá uma conexão térmica e mecânica bastante sólida da placa de circuito impresso à carcaça.

Você precisa trazer um recipiente cheio de terra e conectá-lo ao terra do circuito.

Não você não. A terra como terra tem pouco significado especial se: a) a terra não for usada como condutor de retorno em uma rede elétrica; b) não for necessário garantir que as partes condutoras do equipamento não tenham um potencial perigoso em relação à terra (o que causa um acidente muito provável que se espere que as pessoas permaneçam na Terra).

Para obter conselhos sobre como fazê-lo - como mencionado em outras respostas, faça o que o fornecedor de lançamento solicitar.

Como eu aterraria nossos eletrônicos nesta cápsula?

Você o aterra no gabinete, mas percebe que o gabinete será 'flutuante' e poderá alterar a tensão, o que não fará diferença para os componentes eletrônicos dentro do gabinete se o gabinete for condutor, se o gabinete não for contínuo, isso poderá criar problemas com o carregamento.

No entanto, pode haver problemas para quaisquer 'potenciais expostos' porque eles coletam cargas de superfície do ambiente espacial (que inclui plasma). A Estação Espacial Internacional pode mudar a tensão para algo como -10 a 25V em relação a uma carga neutra. Portanto, não me preocuparia muito se você não tivesse potenciais expostos, se você tiver células solares ou sensores na parte externa da superfície da rede, o carregamento da superfície precisará ser contabilizado.

O ambiente do espaço-tempo é um local desagradável que inclui radiação (solar e cósmica), plasmas e vácuo. Isso pode criar problemas para a eletrônica comercial devido à temperatura. O vácuo pode realmente corroer alguns materiais (como PVC), por isso é importante garantir que os materiais sejam compatíveis com o vácuo. A bateria também precisa ser compatível com vácuo. A maioria dos epóxi IC é compatível com vácuo, mas isso precisa ser verificado.

Nota lateral: Kapton é compatível com vácuo e tem uma ampla faixa de temperatura, ótimo para uso em naves espaciais, é um material maravilhoso.

Também seria vantajoso testar seu projeto no vácuo por vários dias para garantir que ele ainda funcione. Você também precisará garantir que o gabinete não seja hermético (um vaso de pressão), o que geralmente não é permitido.

Você também deve garantir que a temperatura dos componentes eletrônicos esteja dentro da temperatura operacional, pois as coisas podem ficar muito quentes ou frias, pois não há ar para equilibrar a temperatura.

Você pode querer entrar em contato com uma comunidade de foguetes , há estudantes que lançam projetos o tempo todo em foguetes.

Uma tensão não é um número absoluto. Uma tensão é uma diferença de potencial entre dois pontos. Se você diz que a tensão é "0V", o que isso significa é que o nó que você está medindo tem o mesmo potencial que o seu "terra" (a diferença de potencial entre o nó e o terra é 0V). Se você diz que a tensão é "12V", isso significa que o nó que você está medindo tem um potencial 12 volts maior que o solo. Mais uma vez, a tensão é uma diferença e, portanto, seu ponto de referência ("terra") é arbitrário. Você pode colocá-lo em qualquer lugar do seu circuito e tudo o que significa é que qualquer outra tensão que você mede é a diferença de potencial entre o terra escolhido e o nó que você está medindo.

Nos projetos CubeSat em que trabalhei, a estrutura de alumínio foi usada como ponto de aterramento. E todos os subsistemas tinham suas terras compatíveis com um conector PC104.

É melhor conversar com um engenheiro de sistemas de energia ou projeto.

Em parte, o que você pode fazer por um terreno pode depender das especificações do lançamento, será necessário verificar. Suponho que o experimento será lançado autocontido no espaço livre. Com toda a probabilidade, você deve prender o terminal negativo da bateria (presumo) que esteja alimentando sua fonte de alimentação USB de 5v no chassi ou no gabinete de metal adequado do experimento e usá-lo como referência. Qualquer equipamento que exija aterramento pode ser conectado ao chassi. Se o seu experimento faz transmissões, presumo que ele tenha algum tipo de arranjo de antena fora do gabinete.

Como muitos já disseram, esse problema já foi resolvido para você. Os técnicos do projeto terão as especificações de aterramento para você. No entanto, para ajudá-lo a entender o que está acontecendo ...

O aterramento no espaço funciona da mesma maneira que você aterra um automóvel. O "chassi" representa o plano elétrico aterrado e o "poste negativo da bateria" (o potencial de referência da fonte de alimentação do foguete) está conectado a ele. Isso é necessário porque a combinação desses pneus bonitos que tomamos como garantidos na era moderna e do asfalto isola o carro de um tradicional "chão de terra".

Lembre-se, seu circuito opera com a diferença de potenciais elétricos. Vamos supor que esteja rodando em 1.1v. Não importa se as tensões reais de terra e de fonte são 0v e 1.1v ou 10.000v e 10.001.1v, o Rasberry ainda funcionará.

É importante lembrar que chamar o termo "0v" é um conceito matemático, não necessariamente uma questão da realidade. Isso facilita a matemática, e é por isso que assumimos. Desde que tenhamos uma maneira previsível de obter a diferença necessária entre as duas referências, não nos importamos realmente com o que essas referências realmente são.

Há muito tempo, ajudei a projetar circuitos Futurebus, projetados para operar em satélites. Esses chips incluíam circuitos que conectam os dois planos para garantir tensões transitórias em um plano (terra ou fonte) também ocorriam no plano oposto para garantir que a diferença de potencial operacional dentro do chip fosse sempre a mesma, estabilizando a operação do chip em um ambiente onde o "solo terrestre" tradicional não existia.

Isso foi importante porque a chapa de terra e os planos de origem e a resistência dos fios que conectam o chip ao resto do mundo foram grandes o suficiente para causar variações locais de tensão nos planos (causando a diferença de potencial). Na terra, você ignora um pouco isso, porque substituir o chip pela chance de um para um pode falhar não é grande coisa. O espaço não é tão acolhedor. (Observe que isso foi há muito tempo. A ciência moderna dos materiais pode ter metais que não exigem mais esse nível de paranóia.)

Aterrar no seu caso significa conectar-se à carga média da maior massa disponível (que é o corpo do foguete em vez da Terra). Essa será a referência do valor do solo e o restante será uma diferença de tensão quando comparado a isso.