軍用航空連接器在無人機(jī)系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用研究

連接器是一種在航空、航天等軍事應(yīng)用系統(tǒng)中幾乎無處不在的重要基礎(chǔ)元件，而飛機(jī)(飛行器)以及航空電子設(shè)備系統(tǒng)則是軍用航空連接器最大和最集中的應(yīng)用領(lǐng)域，連接器在飛機(jī)和航空電子設(shè)備系統(tǒng)中起著傳輸信號或傳輸功率的互連作用。無人機(jī)(Unmanned Vehicles， UV)由于在情報偵察、目標(biāo)捕獲、目標(biāo)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(qiáng)國大力發(fā)展的武器裝備。與有人駕駛飛機(jī)相比，智能化程度高、技術(shù)更復(fù)雜、工作環(huán)境更惡劣，因此對包括連接器在內(nèi)的元器件提出更加苛刻要求。

無人機(jī)簡述

無人機(jī)，從廣義上說包括所有的運(yùn)輸模式、武裝飛機(jī)乃至水下工具、未爆彈處理機(jī)器人等。通常所說的無人機(jī)，是指狹義上的無人駕駛飛機(jī)(Unmanned Aerial Vehicles，UAV)，本文主要討論后者。無人機(jī)在軍事武庫中發(fā)展活躍，目前約占國防相關(guān)軍事航空活動的80%。與傳統(tǒng)的有人駕駛飛機(jī)相比，無人機(jī)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(wù)、行程更遠(yuǎn)、持續(xù)能力更強(qiáng)并且由于無飛行員支持系統(tǒng)、機(jī)身減小，無人機(jī)制造和部署的成本大大降低。軍用無人機(jī)主要功能是偵察、監(jiān)視與目標(biāo)捕捉，其次是干擾和攻擊。著名無人機(jī)有“全球鷹”、“捕食者”、“火力偵察兵”、X-45和X-47; “陰影”、“搜索鷹”等。

無人機(jī)必須滿足更嚴(yán)酷的電、機(jī)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(zhǔn)。

盡管無人機(jī)與有人機(jī)具有許多相同的性能要求，但是無人機(jī)對于構(gòu)成該平臺互連布線的連接器、后殼、電纜和導(dǎo)線保護(hù)具有額外的要求。減輕質(zhì)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(jī)內(nèi)互連布纜的關(guān)鍵設(shè)計要求，這些要求從無人機(jī)本身延伸到包括地面控制/支持系統(tǒng)內(nèi)使用的電子設(shè)備以及無人機(jī)電子裝置的有效載荷。

無人機(jī)對連接器的性能要求

無人機(jī)設(shè)計師在評估用戶長期總成本，以及應(yīng)用環(huán)境需求時，必須規(guī)定高性能的互連技術(shù)，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(jī)設(shè)計師實現(xiàn)以下目標(biāo)：提高工作壽命、減少安裝和維護(hù)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(jī)的活動范圍和持續(xù)航行能力是關(guān)鍵因素，并且實際上“人工-便攜式”無人機(jī)在戰(zhàn)術(shù)設(shè)置中很重要，所以無人機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計師還必須最大限度減小互連元件的質(zhì)量和尺寸，以便為無人機(jī)有效載荷技術(shù)、通訊、飛行控制和推進(jìn)系統(tǒng)釋放出空間。無人機(jī)不論大還是小，天生對尺寸和質(zhì)量敏感，這使互連技術(shù)條件成為整個設(shè)計過程中的一個關(guān)鍵要素。

陸基或?；鶡o人機(jī)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(dú)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(xué)性能。此外，如空基無人機(jī)一樣，陸基或?；鶡o人機(jī)系統(tǒng)可以從尺寸和質(zhì)量的減小中獲得極大益處。

軍用航空連接器在無人機(jī)中的應(yīng)用分布

軍用無人機(jī)應(yīng)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(dǎo)航，以及有效載荷技術(shù)，如高清晰紅外相機(jī)系統(tǒng)、高速圖像處理、專用安全數(shù)據(jù)通訊電子、目標(biāo)與火控(武器)系統(tǒng)、水雷探測、聲納、雷達(dá)或無線電裝置，圖2示出了無人機(jī)內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)插座連接器，便于裝入無人機(jī)內(nèi)。無人機(jī)規(guī)定采用各種結(jié)構(gòu)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(jī)互連系統(tǒng)工程師改善布線系統(tǒng)關(guān)鍵特性和/或減少尺寸和質(zhì)量的最好機(jī)會之一是改變無人機(jī)上“黑盒子”有效載荷和其他電子設(shè)備上的連接器的技術(shù)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(zhì)量減小的電纜線束來連接無人機(jī)的子系統(tǒng)，這就使無人機(jī)產(chǎn)生了性能和尺寸/質(zhì)量要求。

無人機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的連接器可確保無人機(jī)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(shè)備的無人機(jī)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(jī)上一樣，電纜線束基本上與組合式設(shè)備設(shè)計在一起，便于安全的在無人機(jī)內(nèi)安裝和替換。由于無人機(jī)載荷量有限，且長時間在目標(biāo)區(qū)域上空徘徊，因此需要減少連接器的尺寸和質(zhì)量。互連系統(tǒng)的設(shè)計也要求長期耐久性、耐凝結(jié)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(jī)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(dǎo)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(jī)設(shè)計師需要。僅尺寸和質(zhì)量問題就常常使設(shè)計師無法在無人機(jī)內(nèi)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(guān)鍵任務(wù)無人機(jī)平臺使用眾多軍用航空連接器的附加障礙。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(jī)所要求每一特性，如可靠的耐振動與沖擊性能、耐化學(xué)性能或有效的EMI屏蔽/接地。許多無人機(jī)用連接器是專門針對滿足各種無人機(jī)系統(tǒng)的高性能要求而研制的。綜合起來，在無人機(jī)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(fù)合材料輕型連接器。

無人機(jī)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(jī)械和環(huán)境性能，具有成熟的后松式壓接接觸系統(tǒng)。與同等密封38999連接器相比，質(zhì)量減輕71%，尺寸減小52%，極適用于更小更輕的無人機(jī)平臺。80系列具有許多絕緣安裝板排列方式(3-85個接觸件)、屏蔽附件，后外殼和鎖緊方式，Glenair提供可選的80系列產(chǎn)品，具有EMI/EMP濾波和(/或)氣密封能力。標(biāo)準(zhǔn)型80系列采用23號接觸件，接觸間距0.076英寸。接觸件采用壓接-刺破技術(shù)安裝于鈹銅固定卡夾內(nèi)，密度約為38999圓形連接器的兩倍，質(zhì)量約為一半。80系列是一種在無人機(jī)上使用十分廣泛的一種成熟產(chǎn)品，使用80系列的無人機(jī)包括 “火力偵察兵”無人直升機(jī)、 “捕食者”、 “陰影”、 “搜索鷹”以及”值勤者”無人機(jī)。

Souriau的8STA系列在無人機(jī)上用量大，8STA是高密度超小型設(shè)計，沒有尾部附件，最小產(chǎn)品質(zhì)量僅6.1g，平均質(zhì)量比標(biāo)準(zhǔn)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。接觸件與導(dǎo)線用壓接方式連接，連接方式為快速卡口連接，500次插拔壽命。工作溫度范圍為-55～+175℃。防水等級為IP67級(即在1m的水深，浸水30min以上)，耐振動指標(biāo)為147m/s2 (10~2000Hz)，沖擊指標(biāo)為3 毫秒ms300g，安裝方便。

無人機(jī)用典型微小型連接器包括Souriau公司生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)D型連接器。MicroComp是世界上最小的帶可卸接觸件的高密度、復(fù)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(fù)合材料，質(zhì)量比同類產(chǎn)品輕35%以上，殼體表面鍍金(航天級)和鍍鎳(航空級)。使用高可靠的26號針/孔，耐振動沖擊性能極好，隨機(jī)振動達(dá)到44G，沖擊指標(biāo)為50G/s。500次插拔，滿足軍標(biāo)要求;工作溫度范圍為-55～+175℃。

Glenair的微小型D形(圖7)與Souriau不同，采用的是絞線插針接觸件(圖7)，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(dǎo)線固定方法，絞線插針導(dǎo)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，外形和質(zhì)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(jī)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(shè)計的微小型D形連接器用于其第二代“搜索鷹”無人機(jī)的盲插機(jī)翼接頭上，以及無人機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)和遠(yuǎn)程控制器。

無人機(jī)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(chǎn)品(或者說替代品)，其技術(shù)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(chǎn)品。

Glenair的89系列納小型矩形連接器(圖7)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(TwistPin Contact)技術(shù)，外殼為輕質(zhì)耐腐蝕的鋁、鈦或不銹鋼。令人咋舌的是接觸件材料，史無前例的采用了一種金合金材料(其中含金高達(dá)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(zhì)。配接30號和32號細(xì)導(dǎo)線，額定電流1A，工作電壓70VAC(有效值)。

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(zhì)量僅為后者的1/4多一點(diǎn)，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(jī)，特別是適用于工作環(huán)境極其嚴(yán)酷的無人機(jī)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，也堪稱納小型連接器中的著名品牌，它的特點(diǎn)是采用柔性插針(Flex Pin)技術(shù)，接觸件采用鈹銅合金-17200制成，互配能力強(qiáng)，與所有標(biāo)準(zhǔn)的微/納型插孔互配，采用一件式結(jié)構(gòu)，這種彈性接觸件厚而長，鍍以50微英寸厚的鎳和50微英寸厚的金，成本較低，但表面壽命耐久。耐沖擊振動性能出色，25位微小型連接器耐沖擊30G，間斷<1ms，耐振動20G，間斷<1ms;而25位納小型連接器，則耐沖擊100G，間斷<10ms，耐振動20G，間斷<10ms。其他關(guān)鍵指標(biāo)包括：插合循環(huán)2000次;工作溫度-55~+200°C;額定電流每個接觸件1A。另外該品牌產(chǎn)品的品種多樣，可提供EMI屏蔽型、快速鎖閉型、快速手?jǐn)Q螺釘互鎖型以及氣密封型等。

該連接器在無人機(jī)應(yīng)用中的使用優(yōu)勢在于：體積小、質(zhì)量輕，增加了有效載荷;采用固定螺釘，極耐振動;堅固的結(jié)構(gòu)便于無人機(jī)牢靠著陸;支持致密的電子封裝。

小型光纖連接器

無人機(jī)采用光纖連接器的原因在于：首先是由于無人機(jī)的功能不斷擴(kuò)大，基于銅傳輸?shù)腅MI問題越來越突出，例如，艦載無人機(jī)經(jīng)過戰(zhàn)艦上龐大的相控陣天線時，無人機(jī)方向舵操縱裝置因EMI而反復(fù)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(gòu)由1553B向軍用以太網(wǎng)((Ethernet)過渡。光纖連接器因質(zhì)量輕、抗EMI且高帶寬，而極適用于無人機(jī)。

目前在未爆彈處理用戰(zhàn)術(shù)移動地面系統(tǒng)仍至目標(biāo)捕捉和偵察用海軍無人機(jī)中，光纖媒介的應(yīng)用已經(jīng)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(jī)設(shè)計初始階段就確定采用光纖。在某些場合，設(shè)計師已經(jīng)采用光纖媒介取代銅媒介來解決EMI問題。無人機(jī)用光纖互連產(chǎn)品的制造商包括Glenair、Souriau以及Amphenol、ITTCannon及Molex等。

Glenair為無人機(jī)提供了三類優(yōu)質(zhì)光纖互連產(chǎn)品。MIL-DTL-38999連接器采用了獨(dú)特的對準(zhǔn)技術(shù)和精密的陶瓷套管，同心度和直徑公差控制在1微米之內(nèi)，滿足了無人機(jī)高帶寬和低損耗應(yīng)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(zhì)量以及突出光和耐環(huán)境性能的無人機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域;前松式光纖連接系統(tǒng)，采用獨(dú)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(nèi)。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(shè)計，制造出獨(dú)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(shù)——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(fù))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(fèi)用也大為降低。在Souriau的高性能光纖連接器中可安裝多達(dá)700芯ELIO光纖接觸件，密度極高。另外，Amphenol的CTOS和CTOL系列光纖連接器，性能優(yōu)異，也適用于無人機(jī)，二者的插耗最大值僅2.8dB,密封性能出色，在大于1m深的水下，可浸沒24hours，插合次數(shù)超過5000～10000次，光學(xué)清潔簡單，用布即可。

復(fù)合材料連接器

質(zhì)量是無人機(jī)中相當(dāng)重要的一個技術(shù)指標(biāo)，質(zhì)量意味著有效載荷的增大，質(zhì)量減輕主要靠特殊的復(fù)合材料，目前飛機(jī)的外部機(jī)身結(jié)構(gòu)以及機(jī)內(nèi)部的元件逐步向復(fù)合材料轉(zhuǎn)移的新趨勢，這一趨勢使所有的內(nèi)部元件(連接器、電纜等)遇到了嶄新而苛刻的環(huán)境條件，如雷擊(可在電纜線束內(nèi)引起極高電流)。

在復(fù)合材料的研制方面，Souriau居于領(lǐng)先地位，歷經(jīng)20年的努力掌握了先進(jìn)的高壓模塑和鎳層涂鍍方法，使得該公司的研制的復(fù)合材料圓形連接器大大優(yōu)于MIL-DTL-38999，它通過了防流體結(jié)冰試驗，鎳鍍層可以經(jīng)受住侵蝕性流體，另外經(jīng)受住了500μs的10000A電流沖擊試驗，可耐雷擊。阻燃，耐化學(xué)腐蝕，目前成功配套波音787“夢想”飛機(jī)、F-35飛機(jī)等。

Glenair的復(fù)合材料互連元件，采用了復(fù)合熱塑料性塑料，不僅能減輕質(zhì)量而且具有防腐和耐沖擊和振動作用，Glenair為無人機(jī)提供多種類型的復(fù)合熱塑料性復(fù)合材料連接器后殼附件、連接盒和抗EMI金屬化編織層。這三類產(chǎn)品對于無人機(jī)的設(shè)計具有重要意義，目前成功用于目前的捕食者、值勤者及其他的無人機(jī)計劃中。該公司獲得專利的復(fù)合材料搖臂應(yīng)力消除后殼，將三種款式合為一體：直式、90° 和45° ，滿足嚴(yán)格的 AS85049機(jī)械和電氣標(biāo)準(zhǔn)，安裝簡單，該公司是唯一一家提供完整的光纖專用后殼產(chǎn)品線的光纖連接器制造商;復(fù)合材料防EMI/RFI連接盒：極適于無人機(jī)內(nèi)的惡劣環(huán)境，產(chǎn)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;復(fù)合材料金屬化抗EMI編織層，與普通金屬編織層相比，質(zhì)量下降50%，而EMI屏蔽性能相同，甚至更優(yōu)。

結(jié)語

《軍事與航空航天電子》(Military & Aerospace Electronics)雜志近期指出，“隨著國防系統(tǒng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(network centric warfare)時代，以及無人機(jī)對于國防越來越重要，國防軍事和航天用電連接器和電光連接器必須滿足惡劣環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)，這一點(diǎn)變得比以往任何時候都緊迫……軍事系統(tǒng)設(shè)計師將比以往任何時候都迫切需要更輕、更小、更強(qiáng)固和更廉價的電連接器和光連接器”。高可靠的堅固連接器對于無人機(jī)的設(shè)計至關(guān)重要，連接器失效，將導(dǎo)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(yīng)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(yīng)有的重視，那種認(rèn)為連接器只是“插插拔拔”的觀點(diǎn)是完全錯誤的，連接器看似結(jié)構(gòu)簡單，其實失效機(jī)理很復(fù)雜，其失效率難以準(zhǔn)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(jī)應(yīng)用迫切需求高品質(zhì)連接器，這對軍用航空連接器制造商是機(jī)遇，更是嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。