连接器在无人机中的应用探究

      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较大和较集中的应用领域，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较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;

　　·较小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较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，较小产品质量仅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

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