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连接器在无人机中的应用探究

作者:管理员 来源:本站 浏览数:3685 发布时间:2011/1/17 17:22:07


摘要:无人机对于国防越来越重要,无人机所承受的环境要恶劣得多,因此对使用的元器件要求更加苛刻,需要大量专用连接器满足需求。本文介绍了无人机对连接器的性能要求,详述了连接器在无人机的应用分布和主要使用类型:小圆形连接器、微/纳小型矩形连接器、小型高密度光纤连接器、复合材料轻型连接器。

关键词:连接器;无人机;性能要求;应用

  连接器是一种在航空、航天等军事应用系统中几乎无处不在的重要基础元件,而飞机(飞行器)以及航空电子设备系统则是军用连接器最大和最集中的应用领域,连接器在飞机和航空电子设备系统中起着传输信号或传输功率的互连作用。无人机(Unmanned Vehicles, UV)由于在情报侦察、目标捕获、目标攻击等方面的优势日趋突出,对于国防越来越重要,故成为军事强国大力发展的武器装备。与有人驾驶飞机相比,智能化程度高、技术更复杂、工作环境更恶劣,因此对包括连接器在内的元器件提出更加苛刻要求。

无人机简述

  无人机,从广义上说包括所有的运输模式、武装飞机乃至水下工具、未爆弹处理机器人等。通常所说的无人机,是指狭义上的无人驾驶飞机(Unmanned Aerial Vehicles,UAV),本文主要讨论后者。无人机在军事武库中发展活跃,目前约占国防相关军事航空活动的80%。与传统的有人驾驶飞机相比,无人机具有无可替代的优势:能够在受到极度威胁的地区执行任务、行程更远、持续能力更强并且由于无飞行员支持系统、机身减小,无人机制造和部署的成本大大降低。军用无人机主要功能是侦察、监视与目标捕捉,其次是干扰和攻击。著名无人机有“全球鹰”、“捕食者”、“火力侦察兵”、X-45和X-47; “阴影”、“搜索鹰”等(见图1)。

  无人机必须满足更严酷的电、机械和环境性能要求,因此布线和布缆的EMI、振动和冲击、温度循环、防液体性能、接触件的微振腐蚀以及其他寿命和可靠性要求,也必须满足住军级性能基准。

  尽管无人机与有人机具有许多相同的性能要求,但是无人机对于构成该平台互连布线的连接器、后壳、电缆和导线保护具有额外的要求。减轻质量、尺寸、耐冲击和振动、电磁兼容、防腐以及高速/带宽数据处理是无人机内互连布缆的关键设计要求,这些要求从无人机本身延伸到包括地面控制/支持系统内使用的电子设备以及无人机电子装置的有效载荷。


图1部分著名的军用无人机

无人机对连接器的性能要求

  无人机设计师在评估用户长期总成本,以及应用环境需求时,必须规定高性能的互连技术,如MIL-DTL-38999(耐环境快速分离高密度小型圆形连接器)、MIL-C-26482(耐环境快速分离高可靠圆形连接器)或其他军级连接器。这些高性能连接器可为无人机设计师实现以下目标:提高工作寿命、减少安装和维护成本、降低测试和鉴定成本、改善可靠性和安全性。

  由于无人机的活动范围和持续航行能力是关键因素,并且实际上“人工-便携式”无人机在战术设置中很重要,所以无人机系统的设计师还必须最大限度减小互连元件的质量和尺寸,以便为无人机有效载荷技术、通讯、飞行控制和推进系统释放出空间。无人机不论大还是小,天生对尺寸和质量敏感,这使互连技术条件成为整个设计过程中的一个关键要素。

  陆基或海基无人机系统面临的要求大多是相同的:提高工作寿命和可靠性,而且还遭遇独特的环境挑战和连接器封装问题,如快速-锁紧以及现场清洁能力和耐化学性能。此外,如空基无人机一样,陆基或海基无人机系统可以从尺寸和质量的减小中获得极大益处。

  军级无人机中必须满足的较重要的互连性能基准如下所述。

  机械/材料封装性能

  ·武器冲击:300g;

  ·振动:20-30g;

  ·温度冲击:符合EIA-364-32;

  ·工作温度范围:-55~+150°C;

  ·耐湿(凝结);

  ·键锁;

  ·高性能接触件;

  ·支持22~28号信号线;

  ·支持电源/电池系统至12号导线。

  电气性能

  ·500VDC;

  ·最小3A电流(连续额定值),对功率接触件达23A;

  ·外壳-外壳电阻低;

  ·屏蔽/接地;

  ·兼容平衡阻抗/高速信号;

  ·在1MHz,EMI屏蔽效率达65dB。

  耐环境性能(现场和人力便携系统)

  ·满足MIL-STD-810F;

  ·寿命≥1000次插合循环;

  ·现场可清洁;

  ·耐化学品;

  ·浸没:1m,1hour。

连接器在无人机中的应用

应用分布

  军用无人机应用连接器的典型电子系统包括:引擎控制和传感器、着陆/对接系统、飞行控制、燃料电池传感器、数据处理与导航,以及有效载荷技术,如高清晰红外相机系统、高速图像处理、专用安全数据通讯电子、目标与火控(武器)系统、水雷探测、声纳、雷达或无线电装置,图2示出了无人机内使用互连元件的子系统和电子载荷装置。

  这些电子系统一般配置军用标准插座连接器,便于装入无人机内。无人机规定采用各种结构的高性能矩形和圆形连接器,如MIL-DTL-38999系列III、MIL-DTL-83513 (微型D形)及其他军级连接器。无人机互连系统工程师改善布线系统关键特性和/或减少尺寸和质量的最好机会之一是改变无人机上“黑盒子”有效载荷和其他电子设备上的连接器的技术条件。正确的选择黑盒子上的连接器使工程师能够规定用尺寸和质量减小的电缆线束来连接无人机的子系统,这就使无人机产生了性能和尺寸/质量要求。


图2 无人机子系统及电子载荷设备

  图2中所标出的这些部位是无人机上使用包括小而轻的连接器、和/或互连电缆线束组件的全部区域。采用了小而轻且满足了高性能标准的连接器可确保无人机的可靠性、安全性和工作寿命。图3示出了具有代表性电子有效载荷设备的无人机功率、信号和数据传输互连线束示意简图。如在传统飞机上一样,电缆线束基本上与组合式设备设计在一起,便于安全的在无人机内安装和替换。由于无人机载荷量有限,且长时间在目标区域上空徘徊,因此需要减少连接器的尺寸和质量。互连系统的设计也要求长期耐久性、耐凝结腐蚀(特别是插合的接触件上),并耐引擎引起的振动以及(可能的)武器振动。在机械性能方面,所有连接器均要求能承受住因燃料和溶剂暴露而导致的损害,抗EMI并且要含有定位键来防止误插。

采用的主要连接器类型

  许多传统军用圆形连接器和矩形连接器完全不能满足目前无人机设计师需要。仅尺寸和质量问题就常常使设计师无法在无人机内指定采用普通的高可靠军用连接器,如常见的MIL-DTL-38999系列III。但其他因素,如缺乏有效的EMI屏蔽或环境密封是妨碍在关键任务无人机平台使用众多军用连接器的附加障碍。许多连接器,如普遍存在的MIL-DTL-24308 D形超小型连接器,几乎不具备目前高性能无人机所要求每一特性,如可靠的耐振动与冲击性能、耐化学性能或有效的EMI屏蔽/接地。许多无人机用连接器是专门针对满足各种无人机系统的高性能要求而研制的。综合起来,在无人机中主要采用以下几种连接器:小圆形连接器、微小型(1.27mm间距)/纳小型(0.635mm间距)矩形连接器、小型高密度光纤连接器、复合材料轻型连接器。


图3 典型无人机内互连线路示意图

小圆形连接器(MIL-DTL-38999系列)

  无人机用典型小圆形连接器包括Glenair公司80系列及Souriau公司8STA系列等。Glenair 80系列(图4)是MIL-DTL-38999连接器的替代品,但它更小而轻,且具有同等牢靠的电、机械和环境性能,具有成熟的后松式压接接触系统。与同等密封38999连接器相比,质量减轻71%,尺寸减小52%,极适用于更小更轻的无人机平台。80系列具有许多绝缘安装板排列方式(3-85个接触件)、屏蔽附件,后外壳和锁紧方式,Glenair提供可选的80系列产品,具有EMI/EMP滤波和(/或)气密封能力。标准型80系列采用23号接触件,接触间距0.076英寸。接触件采用压接-刺破技术安装于铍铜固定卡夹内,密度约为38999圆形连接器的两倍,质量约为一半。80系列是一种在无人机上使用十分广泛的一种成熟产品,使用80系列的无人机包括 “火力侦察兵”无人直升机、 “捕食者”、 “阴影”、 “搜索鹰”以及”值勤者”无人机。


图4 GLENAIR公司的80系列

  Souriau的8STA系列(图5)在无人机上用量大,8STA是高密度超小型设计,没有尾部附件,最小产品质量仅6.1g,平均质量比标准的MIL-C-38999要轻50%~70%。8STA的接触件单芯电流3~80A,同时还可加装各种高频同轴\双绞接触件,用于传输各种高速信号。接触件与导线用压接方式连接,连接方式为快速卡口连接,500次插拔寿命。工作温度范围为-55~+175℃。防水等级为IP67级(即在1m的水深,浸水30min以上),耐振动指标为147m/s2 (10~2000Hz),冲击指标为3 毫秒ms300g,安装方便。


图5 苏里奥公司的8STA系列

微小型(MIL-DTL-83513)/纳小型(MIL-DTL-32139)矩形连接器

  无人机用典型微小型连接器包括Souriau公司生产的MicroComp 微矩形连接器(图6)和Glenair的微小型D形连接器,接触间距1.27mm 可替代MIL-DTL-83513标准D型连接器。MicroComp是世界上最小的带可卸接触件的高密度、复合材料壳体的矩形连接器,从7芯到104芯有9种型谱排列,壳体是玻璃纤维填充的复合材料,质量比同类产品轻35%以上,壳体表面镀金(航天级)和镀镍(航空级)。使用高可靠的26号针/孔,耐振动冲击性能极好,随机振动达到44G,冲击指标为50G/s。500次插拔,满足军标要求;工作温度范围为-55~+175℃。


图6 Souriau公司的 MicroComp系列

  Glenair的微小型D形(图7)与Souriau不同,采用的是绞线插针接触件(图7),它比冲压成形的接触件更紧固,且提供了一种接触电阻较低的极佳的导线固定方法,绞线插针导线固定套筒还允许气密性压接,保证了优异的拉伸性能和电路电阻低于冲压成形套筒。该公司微矩形连接器,外形和质量极小,但在苛刻的条件下仍保持最佳性能。Glenair微小型矩形连接器广泛用于许多无人机计划中,如包括“捕食者”、“阴影”、“值勤者”、“火力侦察兵”等,最近以色列Insitu公司指定Glenair公司定制设计的微小型D形连接器用于其第二代“搜索鹰”无人机的盲插机翼接头上,以及无人机的推进系统和远程控制器。


图7 Glenair公司微/纳小型连接器

  无人机用纳小型矩形连接器(MIL-DTL-32139),接触间距0.635mm,是1.27mm间距微矩形连接器(MIL-DTL-83513)的升级产品(或者说替代品),其技术水平以Glenair和Omnetics、Airborn最为突出,遗憾的是实力雄厚的Souriau公司尚未推出此类产品。

  Glenair的89系列纳小型矩形连接器(图7)是板级I/O用矩形连接器的最新发展,它与上述该公司的微小型连接器一样,仍采用擅长的高可靠绞线插针接触件(TwistPin Contact)技术,外壳为轻质耐腐蚀的铝、钛或不锈钢。令人咋舌的是接触件材料,史无前例的采用了一种金合金材料(其中含金高达70%,铂8%,银5%,其余为铜和锌)制成,故不需镀金,凸现了其高贵不凡的品质。配接30号和32号细导线,额定电流1A,工作电压70VAC(有效值)。

  这种连接器与同类微小型连接器相比,尺寸仅为后者的1/8,质量仅为后者的1/4多一点,耐冲击和振动性能明显优于后者。安装形式灵活:可以直角PCB安装、垂直安装、表面贴装等。这种纳小型连接器适用于各种无人机,特别是适用于工作环境极其严酷的无人机环境,未来将取代微小型连接器。


图8 Omnetics公司的柔性插针和Bi-Lobe系列纳小型连接器

  Omnetics公司也是业界著名的高可靠连接器制造商,该公司的Bi-Lobe系列纳矩形连接器(图8),也堪称纳小型连接器中的著名品牌,它的特点是采用柔性插针(Flex Pin)技术,接触件采用铍铜合金-17200制成,互配能力强,与所有标准的微/纳型插孔互配,采用一件式结构,这种弹性接触件厚而长,镀以50微英寸厚的镍和50微英寸厚的金,成本较低,但表面寿命耐久。耐冲击振动性能出色,25位微小型连接器耐冲击30G,间断<1ms,耐振动20G,间断<1ms;而25位纳小型连接器,则耐冲击100G,间断<10ms,耐振动20G,间断<10ms。其他关键指标包括:插合循环2000次;工作温度-55~+200°C;额定电流每个接触件1A。另外该品牌产品的品种多样,可提供EMI屏蔽型、快速锁闭型、快速手拧螺钉互锁型以及气密封型等。

  该连接器在无人机应用中的使用优势在于:体积小、质量轻,增加了有效载荷;采用固定螺钉,极耐振动;坚固的结构便于无人机牢靠着陆;支持致密的电子封装。

小型光纤连接器

  无人机采用光纤连接器的原因在于:首先是由于无人机的功能不断扩大,基于铜传输的EMI问题越来越突出,例如,舰载无人机经过战舰上庞大的相控阵天线时,无人机方向舵操纵装置因EMI而反复出现故障。其次是要传输的数据越来越庞大,带宽也越来越高,这促使电子系统架构由1553B向军用以太网((Ethernet)过渡。光纤连接器因质量轻、抗EMI且高带宽,而极适用于无人机。

  目前在未爆弹处理用战术移动地面系统仍至目标捕捉和侦察用海军无人机中,光纤媒介的应用已经在不断上升,目前为满足带宽或高速数据的要求,通常在无人机设计初始阶段就确定采用光纤。在某些场合,设计师已经采用光纤媒介取代铜媒介来解决EMI问题。无人机用光纤互连产品的制造商包括Glenair、Souriau以及Amphenol、ITTCannon及Molex等。


图9 Glenair公司的无人机用光纤连接器(由左至右):MIL-DTL-38999连接器、高密度光纤连接系统、前松式光纤连接系统

  Glenair为无人机提供了三类优质光纤互连产品(图9)。MIL-DTL-38999连接器采用了独特的对准技术和精密的陶瓷套管,同心度和直径公差控制在1微米之内,满足了无人机高带宽和低损耗应用的要求;高密度光纤连接系统,配接M85045/16线缆。接触系统插损值低于0.5dB,适用于需要减少尺寸和质量以及突出光和耐环境性能的无人机应用领域;前松式光纤连接系统,采用独特的16号端体组件,允许快速将光媒介集成于许多圆形和矩形连接器外壳和系统内。通过将固定件和环境密封件直接置于端体组件上,可不需高成本的工装和设计,制造出独特的光纤地连接器外壳封装。这对于提供光电混装型连接器特别方便。


图10 Souriau公司 MIL-C-38999III中使用四同轴接触件

  Souriau研制出一种新的接触件技术——四同轴接触件(图10),四同轴接触件是在一个极小的零件中实现以太网信号数据的高速双向(全复)传输(100Mbit/s),而没有任何数据丢失。这种性能高超的方案的尺寸也比常规配线方式减小了50%。因此,采购和安装费用也大为降低。在Souriau的高性能光纤连接器中可安装多达700芯ELIO光纤接触件,密度极高。另外,Amphenol的CTOS和CTOL系列光纤连接器,性能优异,也适用于无人机,二者的插耗最大值仅2.8dB,密封性能出色,在大于1m深的水下,可浸没24hours,插合次数超过5000~10000次,光学清洁简单,用布即可。

复合材料连接器

  质量是无人机中相当重要的一个技术指标,质量意味着有效载荷的增大,质量减轻主要靠特殊的复合材料,目前飞机的外部机身结构以及机内部的元件逐步向复合材料转移的新趋势,这一趋势使所有的内部元件(连接器、电缆等)遇到了崭新而苛刻的环境条件,如雷击(可在电缆线束内引起极高电流)。


图11 Souriau公司复合材料壳体连接器

  在复合材料的研制方面,Souriau居于领先地位,历经20年的努力掌握了先进的高压模塑和镍层涂镀方法,使得该公司的研制的复合材料圆形连接器(图11)大大优于MIL-DTL-38999,它通过了防流体结冰试验,镍镀层可以经受住侵蚀性流体,另外经受住了500μs的10000A电流冲击试验,可耐雷击。阻燃,耐化学腐蚀,目前成功配套波音787“梦想”飞机、F-35飞机等。


图12 Glenair公司研制的三种无人机用复合材料互连元件:后壳、连接盒和编织层

  Glenair的复合材料互连元件,采用了复合热塑料性塑料,不仅能减轻质量而且具有防腐和耐冲击和振动作用,Glenair为无人机提供多种类型的复合热塑料性复合材料连接器后壳附件、连接盒和抗EMI金属化编织层(图12)。这三类产品对于无人机的设计具有重要意义,目前成功用于目前的捕食者、值勤者及其他的无人机计划中。该公司获得专利的复合材料摇臂应力消除后壳,将三种款式合为一体:直式、90° 和45° ,满足严格的 AS85049机械和电气标准,安装简单,该公司是唯一一家提供完整的光纤专用后壳产品线的光纤连接器制造商;复合材料防EMI/RFI连接盒:极适于无人机内的恶劣环境,产品满足MIL-S-901D和MIL-STD-167SHIPS的振动和冲击要求,和雷击性能规范;复合材料金属化抗EMI编织层,与普通金属编织层相比,质量下降50%,而EMI屏蔽性能相同,甚至更优。

结语

  《军事与航空航天电子》(Military & Aerospace Electronics)杂志近期指出,“随着国防系统进入网络中心战(network centric warfare)时代,以及无人机对于国防越来越重要,国防军事和航天用电连接器和电光连接器必须满足恶劣环境标准,这一点变得比以往任何时候都紧迫……军事系统设计师将比以往任何时候都迫切需要更轻、更小、更强固和更廉价的电连接器和光连接器”。高可靠的坚固连接器对于无人机的设计至关重要,连接器失效,将导致丢失信号,丢失功率,引起系统会失效。

  遗憾的是,目前供应的许多连接器在10G的超重力下无法可靠工作,连接器的问题并未引起应有的重视,那种认为连接器只是“插插拔拔”的观点是完全错误的,连接器看似结构简单,其实失效机理很复杂,其失效率难以准确量化,至今仍是唯一无法划分失效率等级的电子元器件。无人机应用迫切需求高品质连接器,这对军用连接器制造商是机遇,更是严峻挑战。

参考文献:

  [1]张裴. 苏理奥无人机专用航空连接器介绍[R].连接器与开关第十届学术会议论文集,2008.10

  [2] Keller J. Unmanned vehicles and network-centric warfare increase demands on rugged military connectors[J]. Military & Aerospace Electronics, November 2008

  [3]Glenair公司产品手册,2008

  [4]Omnetics Connector Corporation公司产品手册, 2008

  [5]Souriau公司.Ethernet 100Mbps Quadrax[OL]. http://www.souriau.com/index.php?id=512