連接器在無人機中的應用探究

吳世湘

摘要：由于無人機所承受的環(huán)境惡劣，因此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

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-471“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。

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。

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℃。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；外殼一外殼電阻低；屏蔽／接地；兼容平衡阻抗／高速信號；在1MHz，EMI(電磁干擾)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：lm，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。正確地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)，這就使無人機產生了性能和尺寸／質量要求。

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、以及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，便于安全地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。

采用的主要連接器類型

許多傳統(tǒng)軍用圓形連接器和矩形連接器完全不能滿足目前無人機設計師需要。僅尺寸和質量問題就常常使設計師無法在無人機內指定采用普通的高可靠軍用連接器，如常見的MIL-DTL-38999系列Ⅲ。但其他因素，如缺乏有效的EMI屏蔽或環(huán)境密封是妨礙在關鍵任務無人機平臺使用眾多軍用連接器的附加障礙。許多連接器，如普遍存在的MIL-DTL-24308 D形超小型連接器，幾乎不具備目前高性能無人機所要求每一特性，如可靠的耐振動與沖擊性能、耐化學性能或有效的EMI屏蔽／接地。許多無人機用連接器是專門針對滿足各種無人機系統(tǒng)的高性能要求而研制的。綜合起來，在無人機中主要采用以下幾種連接器：小圓形連接器、微小型(1.27mm間距)／納小型(0.635mm間距)矩形連接器、小型高密度光纖連接器、復合材料輕型連接器。

小圓形連接器(MIL-DTL-38999系列)

無人機用典型小圓形連接器包括Glenair公司80系列及Souriau公司8STA系列等。Glenair 80系列是MIL-DTL-38999連接器的替代品，但它更小而輕，且具有同等牢靠的電、機械和環(huán)境性能，具有成熟的后松式壓接接觸系統(tǒng)。80系列是一種在無人機上使用十分廣泛的成熟產品，使用80系列的無人機包括“火力偵察兵”無人直升機、“捕食者”、“陰影”、“搜索鷹”以及“值勤者”無人機。Souriau的8STA系列(圖4)在無人機上用量大，8STA是高密度超小型設計，沒有尾部附件，最小產品質量僅6.1g，平均質量比標準的MIL-C-38999要輕50％～70％。8STA的接觸件單芯電流3～80A，同時還可加裝各種高頻同軸＼雙絞接觸件，用于傳輸各種高速信號。

微小型(MIL-DTL-83513)／納小型(MIL-DTL-32139)矩形連接器

無人機用典型微小型連接器包括Souriau公司生產的MicroComp微矩形連接

器和Glenair的微小型D形連接器，接觸間距1.27mm可替代MIL-DTL-83513標準D型連接器。MicroComp是世界上最小的帶可卸接觸件的高密度、復合材料殼體的矩形連接器，從7芯到104芯有9種型譜排列，殼體是玻璃纖維填充的復合材料，質量比同類產品輕35％以上，殼體表面鍍金(航天級)和鍍鎳(航空級)。Glenair的微小型D形(圖5)與Souriau不同，采用的是絞線插針接觸件，它比沖壓成形的接觸件更緊固，且提供了一種接觸電阻較低的極佳的導線固定方法，絞線插針導線固定套筒還允許氣密性壓接，保證了優(yōu)異的拉伸性能和電路電阻低于沖壓成形套筒。該公司微矩形連接器的外形和質量極小，但在苛刻的條件下仍保持最佳性能。Glenair微小型矩形連接器廣泛用于許多無人機計劃中，如包括“捕食者”、“陰影”、“值勤者”、“火力偵察兵”等，最近以色列Insitu公司指定Glenair公司定制設計的微小型D形連接器用于其第二代“搜索鷹”無人機的盲插機翼接頭上，以及無人機的推進系統(tǒng)和遠程控制器。

無人機用納小型矩形連接器(MIL-DTL-32139)，接觸間距0.635mm，是1.27mm間距微矩形連接器(MIL-DTL-83513)的升級產品(或者說替代品)，其技術水平以Glenair和Omnetics、Airborn最為突出，遺憾的是實力雄厚的Souriau公司尚未推出此類產品。Glenair的89系列納小型矩形連接器是板級I／O用矩形連接器的最新發(fā)展，它與上述該公司的微小型連接器一樣，仍采用擅長的高可靠絞線插針接觸件(TwistPinContact)技術，外殼為輕質耐腐蝕的鋁、鈦或不銹鋼。令人咋舌的是接觸件材料，史無前例地采用了一種金合金材料(其中含金高達70％，鉑8％，銀5％，其余為銅和鋅)制成，故不需鍍金，凸現(xiàn)了其高貴不凡的品質。

這種連接器與同類微小型連接器相比，尺寸僅為后者的1／8，質量僅為后者的1／4多一點，耐沖擊和振動性能明顯優(yōu)于后者。安裝形式靈活：可以直角PCB(印制電路板)安裝、垂直安裝、表面貼裝等。這種納小型連接器適用于各種無人機，特別是適用于工作環(huán)境極其嚴酷的無人機環(huán)境，未來將取代微小型連接器。

Omnetics公司也是業(yè)界著名的高可靠連接器制造商，該公司的Bi-Lobe系列納矩形連接器(圖4)特點是采用柔性插針(Flex Pin)技術，接觸件采用鈹銅合金，17200制成，互配能力強，與所有標準的微／納型插孔互配。

該連接器在無人機應用中的優(yōu)勢在于：體積小、質量輕，增加了有效載荷；采用固定螺釘，極耐振動；堅固的結構便于無人機牢靠著陸；支持致密的電子封裝。

小型光纖連接器

無人機采用光纖連接器的原因在于：首先是由于無人機的功能不斷擴大，基于銅傳輸?shù)腅MI問題越來越突出，例如，艦載無人機經過戰(zhàn)艦上龐大的相控陣天線時，無人機方向舵操縱裝置因EMI而反復出現(xiàn)故障。其次是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)越來越龐大，帶寬也越來越高，這促使電子系統(tǒng)架構由1553B向軍用以太網(wǎng)過渡。光纖連接器因質量輕、抗EMI且高帶寬，而極適用于無人機。

目前在未爆彈處理用戰(zhàn)術移動地面系統(tǒng)乃至目標捕捉和偵察用海軍無人機中，光纖媒介的應用已經在不斷上升，目前為滿足帶寬或高速數(shù)據(jù)的要求，通常在無人機設計初始階段就確定采用光纖。在某些場合，設計師已經采用光纖媒介取代銅媒介來解決EMI問題。無人機用光纖互連產品的制造商包括Glenair、Souriau以及Amphenol、ITTCannon及Molex等。

Glenair為無人機提供了三類優(yōu)質光纖互連產品。MIL-DTL-38999連接器采用了獨特的對準技術和精密的陶瓷套管，同心度和直徑公差控制在1μm之內，滿足了無人機高帶寬和低損耗應用的要求；高密度光纖連接系統(tǒng)配接M85045／16線纜。接觸系統(tǒng)插損值低于0.5dB，適用于需要減少尺寸和質量以及突出光和耐環(huán)境性能的無人機應用領域；前松式光纖連接系統(tǒng)采用獨特的16號端體組件，允許快速將光媒介集成于許多圓形和矩形連接器外殼和系統(tǒng)內。通過將固定件和環(huán)境密封件直接置于端體組件上，可不需高成本的工裝和設計，制造出獨特的光纖地連接器外殼封裝。這對于提供光電混裝型連接器特別方便。

Souriau研制出一種新的接觸件技術一四同軸接觸件，四同軸接觸件是在一個極小的零件中實現(xiàn)以太網(wǎng)信號數(shù)據(jù)的高速雙向(全復)傳輸(100Mbit／s)，而沒有任何數(shù)據(jù)丟失。這種性能高超的方案的尺寸也比常規(guī)配線方式減小了50％。因此，采購和安裝費用也大為降低。

復合材料連接器

質量是無人機中相當重要的一個技術指標，質量意味著有效載荷的增大，質量減輕主要靠特殊的復合材料，目前的趨勢是飛機的外部機身結構以及機內部的元件逐步向復合材料轉移，這一趨勢使所有的內部元件(連接器、電纜等)遇到了嶄新而苛刻的環(huán)境挑戰(zhàn)，如雷擊(可在電纜線束內引起極高電流)。

在復合材料的研制方面，Souriau居于領先地位，掌握了先進的高壓模塑和鎳層涂鍍方法，使得該公司研制的復合材料圓形連接器大大優(yōu)于MIL-DTL-38999，它通過了防流體結冰試驗，鎳鍍層可以經受住侵蝕性流體，另外經受住了500μs的10000A電流沖擊試驗，可耐雷擊。阻燃，耐化學腐蝕，目前成功配套波音787“夢想”飛機、F-35飛機等。Glenair的復合材料互連元件，采用了復合熱塑料性塑料，不僅能減輕質量而且具有防腐和耐沖擊和振動作用，Glenair為無人機提供多種類型的復合熱塑料性復合材料連接器后殼附件、連接盒和抗EMI金屬化編織層(圖6)。這三類產品對于無人機的設計具有重要意義，目前成功用于捕食者、值勤者及其他的無人機計劃中。該公司獲得專利的復合材料搖臂應力消除后殼，將三種款式合為一體：直式、90°和45°，滿足嚴格的AS85049機械和電氣標準，安裝簡單，該公司是唯一一家提供完整的光纖專用后殼產品線的光纖連接器制造商；復合材料防EMI／RFI連接盒：極適于無人機內的惡劣環(huán)境，產品滿足MIL-S-901D和MIL-STD-167SHIPS的振動和沖擊要求，和雷擊性能規(guī)范；與普通金屬編織層相比，復合材料金屬化抗EMI編織層，質量下降50％，而EMI屏蔽性能相同，甚至更優(yōu)。

結語

高可靠的堅固連接器對于無人機的設計至關重要，連接器失效，將導致丟失信號，丟失功率，引起系統(tǒng)會失效。

遺憾的是，目前供應的許多連接器在10G的超重力下無法可靠工作，連接器的問題并未引起應有的重視，那種認為連接器只是“插插拔拔”的觀點是完全錯誤的，連接器看似結構簡單，其實失效機理很復雜，其失效率難以準確量化，至今仍是唯一無法劃分失效率等級的電子元器件。無人機應用迫切需求高品質連接器，這對軍用連接器制造商是機遇，更是嚴峻挑戰(zhàn)。