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Par Alfred Fuchs, Chef de ligne de produit EGSE, Convergence Creators (CVC) Aerospace

La prolifération des satellites artificiels lancés dans l’espace pour des applications scientifiques et commerciales est un phénomène stupéfiant  ; parmi les près de 7 000 satellites qui ont été déployés à ce jour, près de la moitié sont encore en orbite et environ 1 000 sont encore en activité. Il n’est pas exagéré de dire que la vie moderne ne serait pas la même sans la technologie des satellites et il n’est donc pas surprenant d’apprendre que cette industrie est en pleine croissance.

L’utilisation d’appareils électroniques sophistiqués dans un environnement rude suppose d’énormes exigences en termes de qualité et de fiabilité ; pour ces raisons, la technologie des satellites reste un domaine spécialisé et il est clair que l’espace est l’un des environnements les plus difficiles que puissent surmonter les objets fabriqués par l’homme. Si les missions de réparation ne sont pas rares, la viabilité d’un satellite est directement influencée par sa capacité à fonctionner sans faille pendant toute son temps de service - qu’il s’agisse d’un, de deux ou de cinq ans, voire plus (généralement 20 !). La préparation d’un satellite destiné à fonctionner dans l’espace ne laisse par conséquent aucune place à l’erreur. C’est pourquoi les essais et la vérification d’un satellite avant le décollage se doit d’être une procédure approfondie, exhaustive et, si possible, concluante.

Le Défi

Les essais constituent un élément essentiel du cycle de production. C’est pourquoi il est essentiel de tenir compte de toutes les ressources nécessaires. Des problèmes se posent, cependant, lorsque ces ressources commencent à dominer le calendrier et le budget. C’est de plus en plus le cas avec la technologie des satellites  ; au fur et à mesure qu’augmente la complexité des satellites, les exigences imposées au matériel nécessaire pour vérifier ces systèmes augmentent également. Le problème est aggravé par le fait que, généralement, chaque satellite développé est différent ; que ce soit du point de vue de la puissance, des communications ou encore de la charge utile. Autrement dit, l’équipement d’essai est également sur mesure.

Le défi à relever par les entreprises qui développent des systèmes de test sur mesure, par exemple Siemens CVC Aerospace, n’est pas seulement de parvenir à une solution respectueuse du budget et du calendrier, mais également de développer un système qui soit capable de tester un dispositif de plus en plus complexe. L’industrie des satellites est naturellement conservatrice ; une fois qu’un équipement est qualifié pour le vol, il ne sera plus modifié sans bonne raison. Toutefois, le nombre d’unités qui s’intègrent de nos jours dans un satellite augmente rapidement, tandis que la redondance impose tout simplement des pressions accrues sur le processus d’essai.

La méthode établie pour la mise en oeuvre de ces solutions de test sur mesure consiste à utiliser plusieurs racks 19 pouces pour chaque (sous-)système important ; les communications RF, le système d’alimentation et la charge utile ont généralement plus d’un rack dédié, et il est même possible d’avoir plusieurs sous-systèmes pour chacun de ces aspects. En outre, il n’est pas rare que les sous-systèmes soient géographiquement distribués, ce qui signifie qu’il faut construire plusieurs racks de test. Tous ces défis peuvent être surmontés, mais le facteur aggravant est la complexité accrue ; le nombre de connexions physiques qui doivent être faites entre l’UUT (unité testée) et l’équipement d’essai ne cesse d’augmenter, et il en va de même pour le nombre de connexions nécessaires dans les racks de test. Physiquement, les constructeurs sont à court d’espace pour mettre en oeuvre le niveau nécessaire d’interconnexions à l’aide d’un câblage classique.

La Solution

Après une période de discussion, Siemens CVC Aerospace a pris la décision stratégique d’explorer une solution alternative à l’utilisation de faisceaux de câbles pour distribuer des signaux autour de racks de test. L’objectif n’était pas de simplement de répondre aux limites physiques des faisceaux de câbles, mais également d’aborder la diversité liée aux essais de satellites, en créant une plate-forme qui puisse simplifier le développement de solutions de test sur mesure.

L’Agence spatiale européenne ayant demandé une solution de test de satellites, Siemens CVC a pris la décision audacieuse et novatrice de répondre à ce besoin en utilisant les PCB en tant que principale méthode d’interconnexion. Le système serait également porteur de niveaux de puissance significatifs. Il était par conséquent nécessaire de fournir un débit d’air suffisant pour le refroidissement. Pour cette raison, l’équipe de conception basée à Vienne décida de construire une solution à trois faces à l’aide de deux « cartes latérales » innovantes, dont chacun serait utilisé pour acheminer 2 500 traces de signal et 300 traces de puissance (pouvant transporter jusqu’à 12A), connectés à l’aide d’un petit fond de panier et de PCB souples. Cette disposition permettrait de maintenir un niveau de configurabilité tout en maximisant le débit d’air disponible à travers le rack.

Avec plus de 1 mètre de longueur, le premier défi était de trouver un fournisseur capable de fabriquer les PCB de la carte latérale ; seuls trois fournisseurs ont été identifiés et Viasystems (société basée aux États-Unis mais qui fabrique en Chine) a été choisie.

Le prochain défi était de trouver des outils capables de travailler de manière fiable sur une conception de cette taille. La modélisation du système a été traitée à l’aide de la propre suite Solid Edge de Siemens, tandis que la conception de PCB proprement dite a été réalisée à l’aide d’Altium Designer.

L’équipe était convaincue qu’Altium Designer pourrait faire face à la complexité, mais elle était également confrontée à un autre défi, à savoir le nombre de couches qui pourraient être prises en charge. L’évaluation initiale a indiqué que la conception aurait besoin de 48 couches ; Altium Designer peut accueillir 32 couches actives et 16 couches négatives, de sorte que cela était possible. Toutefois, après consultation avec le fabricant de PCB, il est apparu que, pour rester viable commercialement, l’équipe serait contrainte de réduire le nombre de couches et de le ramener à « seulement » 34 ; bien que cela ne ferait qu’accroître la complexité de la conception, ce fut considéré comme un compromis acceptable pour atteindre les objectifs commerciaux.

Le prochain défi auquel fut confrontée l’équipe de conception était le routage de milliers de signaux et de centaines de rails d’alimentation tout en maintenant l’intégrité du signal. Le nombre de couches actives ayant été réduit, le nombre de couches de blindage disponibles était également moindre ; c’est pourquoi l’équipe a été contrainte de router manuellement tous les signaux par paires en utilisant les couches adjacentes, tout en routant les traces de puissance perpendiculairement afin de fournir un niveau de blindage électrique.

Router un PCB de cette taille à cette densité de signal serait difficile quelles que soient les conditions, mais afin d’accueillir à la fois les signaux et les traces de puissance dans l’espace disponible, il était évident que l’équipe devrait éviter l’utilisation de traversées ; pour résumer, toutes les traces devaient être acheminées sans changer de couches.

Un autre facteur essentiel de la réussite du projet a été le fait de choisir des connecteurs capables d’offrir la densité nécessaire, sans quoi le projet aurait inévitablement échoué. Le connecteur choisi dispose de 18 x 10 connexions et le projet utilise un nombre important d’entre elles.

Conclusion

La plate-forme développée, à l’aide de trois PCB rigides pontés en partie grâce aux PCB souples, a le potentiel de permettre une réutilisation importante, et permet de répondre à 80% des besoins de test des systèmes de satellites. Bien qu’essentiellement passif, le PCB de fond de panier comporte suffisamment de place pour 300 résistances maximum, ce qui lui permet de jouer un rôle plus important dans le processus global de test. En conséquence, la plate-forme permet une plus grande flexibilité, des temps de développement plus courts et une plus grande fiabilité que l’approche traditionnelle qui utilise des faisceaux de fils classiques.

Bien que des PCB aient été utilisés pour l’interconnexion dans des racks de test dans le cadre de projets antérieurs, l’on pensait que les exigences de ces systèmes étaient parvenues à un point où la seule possibilité viable serait de remplacer, si possible, les faisceaux de câbles par l’interconnexion avec les PCB. Même si le projet en question utilise encore une quantité importante de câblage interne, il n’aurait pas été du tout possible sans l’utilisation des PCB.

L’aspect le plus important du projet a peut-être été que les PCB étaient sans défaut du premier coup et, suite à ce succès, l’équipe de conception a de nouveau démontré sa confiance dans la technologie en réalisant récemment une conception PCB 3D souple.

En fait, l’approche par PCB a été si bien reçue qu’elle a pratiquement transformé la culture de conception chez Siemens CVC Aerospace, tandis que les possibilités offertes par les PCB souples ont encouragé d’autres services chez Siemens à envisager une telle approche.

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