連接器在無人機(jī)中的應(yīng)用探究

　　Glenair的89系列納小型矩形連接器(圖7)是板級(jí)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(zhǎng)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(hào)和32號(hào)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?jī)H為后者的1/4多一點(diǎn)，耐沖擊和振動(dòng)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。

圖8 Omnetics公司的柔性插針和Bi-Lobe系列納小型連接器

　　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8)，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(zhǎng)，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(dòng)性能出色，25位微小型連接器耐沖擊30G，間斷<1ms，耐振動(dòng)20G，間斷<1ms;而25位納小型連接器，則耐沖擊100G，間斷<10ms，耐振動(dòng)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(gè)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(shì)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(dòng);堅(jiān)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(shí)，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(dòng)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(jì)初始階段就確定采用光纖。在某些場(chǎng)合，設(shè)計(jì)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。

圖9 Glenair公司的無人機(jī)用光纖連接器(由左至右)：MIL-DTL-38999連接器、高密度光纖連接系統(tǒng)、前松式光纖連接系統(tǒng)

　　Glenair為無人機(jī)提供了三類優(yōu)質(zhì)光纖互連產(chǎn)品(圖9)。MIL-DTL-38999連接器采用了獨(dú)特的對(duì)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(hào)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(jì)，制造出獨(dú)特的光纖地連接器外殼封裝。這對(duì)于提供光電混裝型連接器特別方便。

圖10 Souriau公司 MIL-C-38999III中使用四同軸接觸件

　　Souriau研制出一種新的接觸件技術(shù)——四同軸接觸件(圖10)，四同軸接觸件是在一個(gè)極小的零件中實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)信號(hào)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(gòu)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(jiǎn)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(gè)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(shì)，這一趨勢(shì)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)。

圖11 Souriau公司復(fù)合材料殼體連接器

　　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(圖11)大大優(yōu)于MIL-DTL-38999，它通過了防流體結(jié)冰試驗(yàn)，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(yàn)，可耐雷擊。阻燃，耐化學(xué)腐蝕，目前成功配套波音787“夢(mèng)想”飛機(jī)、F-35飛機(jī)等。

圖12 Glenair公司研制的三種無人機(jī)用復(fù)合材料互連元件：后殼、連接盒和編織層

　　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(dòng)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(圖12)。這三類產(chǎn)品對(duì)于無人機(jī)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jiǎn)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(dòng)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(guó)防系統(tǒng)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(network centric warfare)時(shí)代，以及無人機(jī)對(duì)于國(guó)防越來越重要，國(guó)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(shí)候都緊迫……軍事系統(tǒng)設(shè)計(jì)師將比以往任何時(shí)候都迫切需要更輕、更小、更強(qiáng)固和更廉價(jià)的電連接器和光連接器”。高可靠的堅(jiān)固連接器對(duì)于無人機(jī)的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，連接器失效，將導(dǎo)致丟失信號(hào)，丟失功率，引起系統(tǒng)會(huì)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(cuò)誤的，連接器看似結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，其實(shí)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(jí)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(duì)軍用連接器制造商是機(jī)遇，更是嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]張裴. 蘇理奧無人機(jī)專用航空連接器介紹[R].連接器與開關(guān)第十屆學(xué)術(shù)會(huì)議論文集,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公司產(chǎn)品手冊(cè),2008

　　[4]Omnetics Connector Corporation公司產(chǎn)品手冊(cè), 2008

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