Erdung im Weltraum

Ich arbeite an einem Projekt, das in einer Blue Origin New Shepard- Rakete gestartet wird, und muss wissen, wie unser Experiment begründet sein wird. Das Experiment wird mit einem 5-V-USB-3.0-Netzteil und einem Raspberry Pi Zero W betrieben. Wie würde ich unsere Elektronik in dieser Kapsel erden?

Sprechen Sie mit den Konstrukteuren von Raumfahrzeugen, sie müssen jemanden haben, der die elektrischen Spezifikationen für die Bordausrüstung koordiniert, und Sie müssen wahrscheinlich deren Spezifikationen erfüllen.

Sie sollten wahrscheinlich die Erdung des RPi zur elektrischen Abschirmung mit dem Gehäuse verbinden. Wenn die Nutzlast andere Experimente enthält, sollten Sie einige Richtlinien des Systemingenieurs zu EMV-Fragen haben. Nur zufällig, hier ist ein Beispiel, was Sie bekommen sollten (dieser Link ist für einen CubeSat). Beispielsweise ist das Ausgasen besonders wichtig, wenn an einem Teil der Nutzlast (en) eine Optik beteiligt ist. Es wird ICDs geben.

Wenn die Umgebung luftleer sein soll, müssen Sie eine angemessene thermische Auslegung sicherstellen, um die Wärme abzuleiten, ohne zuzulassen, dass die Sperrschichttemperaturen der Chips zu hoch werden, und die G-Kräfte und Vibrationen während des Starts sind in der Regel ziemlich stark Es wird wahrscheinlich eine ziemlich solide thermische und mechanische Verbindung von der Leiterplatte zum Gehäuse geben.

Sie müssen einen Behälter voller Erde mitbringen und ihn mit der Schaltungsmasse verbinden.

Nein, tust du nicht. Erde als Erde hat nur eine geringe besondere Bedeutung, wenn a) Erde nicht als Rückleiter in einem Stromnetz verwendet wird, b) nicht sichergestellt werden muss, dass leitende Geräteteile kein gefährliches Potential gegenüber Erde aufweisen (was zu einem schweren Unfall führt) wahrscheinlich, wenn erwartet wird, dass Menschen auf der Erde stehen).

Um Ratschläge zu erhalten, wie in den anderen Antworten angegeben, führen Sie die Schritte aus, die Ihnen der Anbieter des Startprogramms vorschreibt.

Wie würde ich unsere Elektronik in dieser Kapsel erden?

Sie erden das Gehäuse mit dem Gehäuse, stellen jedoch fest, dass das Gehäuse "potentialfrei" ist und die Spannung ändern kann, was für die Elektronik im Gehäuse keinen Unterschied macht, wenn das Gehäuse leitfähig ist oder wenn das Gehäuse nicht durchgehend ist Probleme beim Laden.

Es kann jedoch Probleme für alle "exponierten Potentiale" geben, da diese Oberflächenladungen aus der Weltraumumgebung (einschließlich der von Plasma) sammeln. Die Internationale Raumstation kann die Spannung in Bezug auf eine neutrale Ladung auf etwa -10 bis 25 V ändern. Ich würde mir also keine Sorgen machen, wenn Sie keine exponierten Potentiale haben, wenn Sie Solarzellen oder Sensoren an der Außenseite haben, muss die Nettoflächenladung berücksichtigt werden.

Die Umgebung zur Raumzeit ist ein unangenehmer Ort, der Strahlung (Sonne und Kosmos), Plasmen und Vakuum umfasst. Dies kann aufgrund der Temperatur zu Problemen für die kommerzielle Elektronik führen. Vakuum kann tatsächlich einige Materialien (wie PVC) abtragen, daher ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Materialien vakuumverträglich sind. Der Akku muss außerdem vakuumtauglich sein. Die meisten IC-Epoxide sind vakuumkompatibel, dies muss jedoch überprüft werden.

Randnotiz: Kapton ist vakuumtauglich und hat eine große Temperaturspanne, die sich hervorragend für Raumfahrzeuge eignet. Es ist ein Wundermaterial.

Es wäre auch von Vorteil, wenn Sie Ihr Projekt mehrere Tage lang im Vakuum testen würden, um sicherzustellen, dass es weiterhin funktioniert. Sie müssen auch sicherstellen, dass das Gehäuse nicht luftdicht ist (ein Druckbehälter), der im Allgemeinen nicht zulässig ist.

Sie sollten auch sicherstellen, dass die Temperatur der Elektronik innerhalb der Betriebstemperatur liegt, da es sehr heiß oder kalt werden kann, da keine Luft vorhanden ist, um die Temperatur auszugleichen.

Vielleicht möchten Sie sich an eine Raketen-Community wenden , es gibt Studenten, die ständig Projekte mit Raketen starten.

Eine Spannung ist keine absolute Zahl. Eine Spannung wird eine Differenz im Potential zwischen zwei Punkten. Wenn Sie sagen, dass eine Spannung "0V" ist, bedeutet dies, dass sich der Knoten, den Sie messen, am befindet gleiche Potential als „Masse“ (die Differenz im Potential zwischen dem Knoten und der Masse ist 0V). Wenn Sie sagen, dass die Spannung "12V" ist, bedeutet dies, dass der Knoten, den Sie messen, ein Potential hat, das 12 Volt höher als die Masse ist. Auch hier ist die Spannung ein Unterschied und somit ist Ihr Bezugspunkt ("Masse") beliebig. Sie können es an einer beliebigen Stelle in Ihrem Schaltkreis platzieren. Das bedeutet, dass jede andere Spannung, die Sie messen, die Potentialdifferenz zwischen der ausgewählten Masse und dem Knoten ist, den Sie messen.

Auf dem CubeSat Projekten, an denen ich gearbeitet habe, wurde die Aluminiumstruktur als Erdungspunkt verwendet. Und für jedes Subsystem wurde die Erdung mit einem PC104-Anschluss abgestimmt.

Sprechen Sie am besten mit einem Energieversorgungs- oder Projektsystemtechniker.

Zum Teil hängt das, was Sie für einen Boden tun können, von den Umgebungsspezifikationen des Starts ab, die Sie überprüfen müssen. Ich gehe davon aus, dass das Experiment in sich abgeschlossen in den freien Raum gestartet wird. Höchstwahrscheinlich sollten Sie den Minuspol der Batterie (ich nehme an) klemmen, um Ihr 5-V-USB-Netzteil mit dem geeigneten Metallgehäuse oder dem Testfall zu versorgen, und diesen als Referenz verwenden. Alle Geräte, die geerdet werden müssen, können an das Chassis angeschlossen werden. Wenn Ihr Experiment Übertragungen durchführt, gehe ich davon aus, dass es eine Art Antennenanordnung außerhalb des Gehäuses gibt.

Wie viele gesagt haben, wurde dieses Problem bereits für Sie gelöst. Die Projekttechniker haben die Erdungsspezifikationen für Sie. Damit Sie verstehen, was los ist ...

Die Erdung im Weltraum funktioniert genauso, wie Sie ein Auto erden. Das "Chassis" stellt die geerdete elektrische Ebene dar und der "negative Batteriepol" (das Bezugspotential für die Stromversorgung der Rakete) ist damit verbunden. Dies ist notwendig, weil die Kombination dieser schönen Reifen, die wir in unserer heutigen Zeit für selbstverständlich halten, und Asphalt das Auto von einem traditionellen "Erdboden" isoliert.

Denken Sie daran, dass Ihre Schaltung mit dem Unterschied der elektrischen Potentiale arbeitet. Nehmen wir an, es läuft auf 1.1v. Es spielt keine Rolle, ob die tatsächlichen Erd- und Quellenspannungen 0 V und 1,1 V oder 10.000 V und 10.001,1 V betragen, der Rasberry funktioniert weiterhin.

Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass das Nennen des Bodens "0v" ein mathematisches Konzept ist, nicht unbedingt eine Frage der Realität. Es macht die Mathematik einfach, weshalb wir es annehmen. Solange wir eine vorhersehbare Möglichkeit haben, den Unterschied zwischen den beiden Referenzen zu ermitteln, ist es uns egal, was diese Referenzen tatsächlich sind.

Vor langer Zeit half ich beim Entwurf von Futurebus-Schaltungen, die für den Betrieb in Satelliten ausgelegt waren. Diese Chips enthielten Schaltungen, die die beiden Ebenen verbanden, um transiente Spannungen auf einer Ebene (Masse oder Quelle) zu gewährleisten. Dies geschah auch auf der gegenüberliegenden Ebene, um sicherzustellen, dass die Betriebspotentialdifferenz im Chip immer gleich war, wodurch der Betrieb des Chips in einer Umgebung stabilisiert wurde, in der a traditioneller "Erdboden" existierte nicht.

Dies war wichtig, da das Blatt-Rho der Masse- und Source-Ebene und der Widerstand der Drähte, die den Chip mit dem Rest der Welt verbinden, groß genug waren, um lokale Spannungsschwankungen in den Ebenen zu verursachen (wodurch die Potentialdifferenz schwankte). Auf der Erde ignorieren Sie dies ein wenig, da es keine große Sache ist, den Chip bei der 1-Millionen-Chance zu ersetzen, wenn er ausfällt. Der Raum ist nicht so zuvorkommend. (Beachten Sie, dass dies vor langer Zeit geschehen ist. Die moderne Materialwissenschaft enthält möglicherweise Metalle, für die dieses Maß an Paranoia nicht mehr erforderlich ist.)

Erdung bedeutet in Ihrem Fall, sich an die durchschnittliche Ladung der größten verfügbaren Masse anzuschließen (das ist der Körper der Rakete anstelle der Erde). Dies ist der Bezugswert für den Boden und der Rest ist eine Spannungsdifferenz im Vergleich dazu.