連接器在無人機中的應用探究

摘要：無人機對于國防越來越重要，無人機所承受的環(huán)境要惡劣得多，因此對使用的元器件要求更加苛刻，需要大量專用連接器滿足需求。本文介紹了無人機對連接器的性能要求，詳述了連接器在無人機的應用分布和主要使用類型：小圓形連接器、微/納小型矩形連接器、小型高密度光纖連接器、復合材料輕型連接器。

關鍵詞：連接器;無人機;性能要求;應用

　　連接器是一種在航空、航天等軍事應用系統(tǒng)中幾乎無處不在的重要基礎元件，而飛機(飛行器)以及航空電子設備系統(tǒng)則是軍用連接器最大和最集中的應用領域，連接器在飛機和航空電子設備系統(tǒng)中起著傳輸信號或傳輸功率的互連作用。無人機(Unmanned Vehicles， UV)由于在情報偵察、目標捕獲、目標攻擊等方面的優(yōu)勢日趨突出，對于國防越來越重要，故成為軍事強國大力發(fā)展的武器裝備。與有人駕駛飛機相比，智能化程度高、技術更復雜、工作環(huán)境更惡劣，因此對包括連接器在內的元器件提出更加苛刻要求。

無人機簡述

　　無人機，從廣義上說包括所有的運輸模式、武裝飛機乃至水下工具、未爆彈處理機器人等。通常所說的無人機，是指狹義上的無人駕駛飛機(Unmanned Aerial Vehicles，UAV)，本文主要討論后者。無人機在軍事武庫中發(fā)展活躍，目前約占國防相關軍事航空活動的80%。與傳統(tǒng)的有人駕駛飛機相比，無人機具有無可替代的優(yōu)勢：能夠在受到極度威脅的地區(qū)執(zhí)行任務、行程更遠、持續(xù)能力更強并且由于無飛行員支持系統(tǒng)、機身減小，無人機制造和部署的成本大大降低。軍用無人機主要功能是偵察、監(jiān)視與目標捕捉，其次是干擾和攻擊。著名無人機有“全球鷹”、“捕食者”、“火力偵察兵”、X-45和X-47; “陰影”、“搜索鷹”等(見圖1)。

　　無人機必須滿足更嚴酷的電、機械和環(huán)境性能要求，因此布線和布纜的EMI、振動和沖擊、溫度循環(huán)、防液體性能、接觸件的微振腐蝕以及其他壽命和可靠性要求，也必須滿足住軍級性能基準。

　　盡管無人機與有人機具有許多相同的性能要求，但是無人機對于構成該平臺互連布線的連接器、后殼、電纜和導線保護具有額外的要求。減輕質量、尺寸、耐沖擊和振動、電磁兼容、防腐以及高速/帶寬數(shù)據(jù)處理是無人機內互連布纜的關鍵設計要求，這些要求從無人機本身延伸到包括地面控制/支持系統(tǒng)內使用的電子設備以及無人機電子裝置的有效載荷。

圖1部分著名的軍用無人機

無人機對連接器的性能要求

　　無人機設計師在評估用戶長期總成本，以及應用環(huán)境需求時，必須規(guī)定高性能的互連技術，如MIL-DTL-38999(耐環(huán)境快速分離高密度小型圓形連接器)、MIL-C-26482(耐環(huán)境快速分離高可靠圓形連接器)或其他軍級連接器。這些高性能連接器可為無人機設計師實現(xiàn)以下目標：提高工作壽命、減少安裝和維護成本、降低測試和鑒定成本、改善可靠性和安全性。

　　由于無人機的活動范圍和持續(xù)航行能力是關鍵因素，并且實際上“人工-便攜式”無人機在戰(zhàn)術設置中很重要，所以無人機系統(tǒng)的設計師還必須最大限度減小互連元件的質量和尺寸，以便為無人機有效載荷技術、通訊、飛行控制和推進系統(tǒng)釋放出空間。無人機不論大還是小，天生對尺寸和質量敏感，這使互連技術條件成為整個設計過程中的一個關鍵要素。

　　陸基或?；鶡o人機系統(tǒng)面臨的要求大多是相同的：提高工作壽命和可靠性，而且還遭遇獨特的環(huán)境挑戰(zhàn)和連接器封裝問題，如快速-鎖緊以及現(xiàn)場清潔能力和耐化學性能。此外，如空基無人機一樣，陸基或?；鶡o人機系統(tǒng)可以從尺寸和質量的減小中獲得極大益處。

　　軍級無人機中必須滿足的較重要的互連性能基準如下所述。

　　機械/材料封裝性能

　　·武器沖擊：300g;

　　·振動：20-30g;

　　·溫度沖擊：符合EIA-364-32;

　　·工作溫度范圍：-55~+150°C;

　　·耐濕(凝結);

　　·鍵鎖;

　　·高性能接觸件;

　　·支持22～28號信號線;

　　·支持電源/電池系統(tǒng)至12號導線。

　　電氣性能

　　·500VDC;

　　·最小3A電流(連續(xù)額定值)，對功率接觸件達23A;

　　·外殼-外殼電阻低;

　　·屏蔽/接地;

　　·兼容平衡阻抗/高速信號;

　　·在1MHz，EMI屏蔽效率達65dB。

　　耐環(huán)境性能(現(xiàn)場和人力便攜系統(tǒng))

　　·滿足MIL-STD-810F;

　　·壽命≥1000次插合循環(huán);

　　·現(xiàn)場可清潔;

　　·耐化學品;

　　·浸沒：1m，1hour。

連接器在無人機中的應用

應用分布

　　軍用無人機應用連接器的典型電子系統(tǒng)包括：引擎控制和傳感器、著陸/對接系統(tǒng)、飛行控制、燃料電池傳感器、數(shù)據(jù)處理與導航，以及有效載荷技術，如高清晰紅外相機系統(tǒng)、高速圖像處理、專用安全數(shù)據(jù)通訊電子、目標與火控(武器)系統(tǒng)、水雷探測、聲納、雷達或無線電裝置，圖2示出了無人機內使用互連元件的子系統(tǒng)和電子載荷裝置。

　　這些電子系統(tǒng)一般配置軍用標準插座連接器，便于裝入無人機內。無人機規(guī)定采用各種結構的高性能矩形和圓形連接器，如MIL-DTL-38999系列III、MIL-DTL-83513 (微型D形)及其他軍級連接器。無人機互連系統(tǒng)工程師改善布線系統(tǒng)關鍵特性和/或減少尺寸和質量的最好機會之一是改變無人機上“黑盒子”有效載荷和其他電子設備上的連接器的技術條件。正確的選擇黑盒子上的連接器使工程師能夠規(guī)定用尺寸和質量減小的電纜線束來連接無人機的子系統(tǒng)，這就使無人機產(chǎn)生了性能和尺寸/質量要求。

圖2 無人機子系統(tǒng)及電子載荷設備

　　圖2中所標出的這些部位是無人機上使用包括小而輕的連接器、和/或互連電纜線束組件的全部區(qū)域。采用了小而輕且滿足了高性能標準的連接器可確保無人機的可靠性、安全性和工作壽命。圖3示出了具有代表性電子有效載荷設備的無人機功率、信號和數(shù)據(jù)傳輸互連線束示意簡圖。如在傳統(tǒng)飛機上一樣，電纜線束基本上與組合式設備設計在一起，便于安全的在無人機內安裝和替換。由于無人機載荷量有限，且長時間在目標區(qū)域上空徘徊，因此需要減少連接器的尺寸和質量。互連系統(tǒng)的設計也要求長期耐久性、耐凝結腐蝕(特別是插合的接觸件上)，并耐引擎引起的振動以及(可能的)武器振動。在機械性能方面，所有連接器均要求能承受住因燃料和溶劑暴露而導致的損害，抗EMI并且要含有定位鍵來防止誤插。