Przewodnik po doborze i stosowaniu złączy wysokiej niezawodności pod kątem współczynnika rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C)

Projektanci systemów do zastosowań w obronności oraz lotnictwie i kosmonautyce stoją w obliczu coraz bardziej rygorystycznych wymagań dotyczących optymalizacji współczynnika rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C). Ponieważ ich projekty stają się coraz bardziej złożone i kompaktowe, muszą one równoważyć te wymagania z wysokimi parametrami działania i niezawodnością. Tradycyjne złącza często nie pozwalają na pogodzenie tych sprzecznych wymagań, co stawia projektantów przed wyzwaniem znalezienia alternatyw, które sprostają zarówno wymaganiom projektowym, jak i eksploatacyjnym systemów.

W niniejszym artykule omówiono, w jaki sposób zaawansowane technologie złączy zaprojektowane specjalnie z myślą o współczynniku rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C) mogą zaspokoić unikalne potrzeby zastosowań w obszarach obronności, lotnictwa i kosmonautyki. Następnie przedstawiono rozwiązania o wysokiej niezawodności firmy Harwin i pokazano, w jaki sposób są one stosowane w różnych scenariuszach w obronności, lotnictwie i kosmonautyce w celu uzyskania niezawodnego współczynnika rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C).

Czynniki decydujące o miniaturyzacji złączy

Od podwodnych systemów peryskopowych, które zostały zmodernizowane do obrazowania wielospektralnego, po bezzałogowe statki powietrzne (UAV) wyposażone w coraz większą liczbę czujników, wymagania dotyczące zaawansowanej elektroniki w ograniczonych przestrzeniach stają się z roku na rok coraz bardziej złożone. Minimalizacja rozmiaru komponentu pozwala na użycie dodatkowych czujników i innych funkcji w celu zwiększenia możliwości systemu i poprawy parametrów aerodynamiki.

Złącza, które tradycyjnie kategoryzowane są jako większe komponenty, mają kluczowe znaczenie dla powodzenia miniaturyzacji. Zmniejszenie rozmiarów złącza wymaga zmniejszenia rastra styków i obniżenia wagi przy jednoczesnym zachowaniu trwałości i zapewnieniu stałych parametrów elektrycznych w ekstremalnych warunkach.

Firma Harwin odpowiedziała na te wyzwania, oferując kompleksowe grupy złączy zaprojektowane specjalnie z myślą o optymalizacji współczynnika rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C). Jej podejście koncentruje się na trzech kluczowych zasadach projektowania:

1. Zmniejszenie rozmiarów rastra do zaledwie 1,25mm przy zachowaniu wysokiej obciążalności prądowej
2. Wykorzystanie wielopalcowych styków z miedzi berylowej w celu zapewnienia integralności sygnału w ekstremalnych warunkach
3. Zastosowanie obudów termoplastycznych odpornych na wysokie temperatury z selektywnym wykorzystaniem metali lekkich zapewniających trwałość

Taka filozofia projektowania obejmuje wszystkie grupy produktów o wysokiej niezawodności, od złączy sygnałowych o wysokiej gęstości, po rozwiązania mieszane i wysokiej mocy.

Wpływ zmniejszenia wagi złącza na mobilność i sprawność

Redukcja wagi ma kluczowe znaczenie dla optymalizacji całego współczynnika rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C), szczególnie w przypadku zastosowań lotniczych i mobilnych. Lżejsze komponenty mogą wydłużyć czas lotu i poprawić zwrotność, jednocześnie umożliwiając przewóz większej ilości sprzętu.

Nowoczesne złącza mikrominiaturowe pozwalają znacznie obniżyć wagę w porównaniu z tradycyjnymi złączami przemysłowymi dzięki strategicznemu doborowi materiałów. Na przykład obudowy główne mogą być wykonane z odpornych na wysokie temperatury tworzyw termoplastycznych wypełnionych szkłem. Jednocześnie projektanci mogą selektywnie stosować lekkie stopy aluminium tylko wtedy, gdy do ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) i przed zakłóceniami o częstotliwościach radiowych (RFI) oraz do zapewnienia trwałości mechanicznej wymagany jest metal.

Nawet w zastosowaniach wysokoprądowych, w których tradycyjne konstrukcje w dużej mierze opierają się na komponentach metalowych, takie kombinacje materiałów pozwalają utrzymać wysokie parametry elektryczne i mechaniczne przy jednoczesnej minimalizacji masy złącza.

Zarządzanie kosztami złączy bez szkody dla niezawodności

W projektach skoncentrowanych na współczynniku rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C) zrównoważenie redukcji kosztów i wysokiej niezawodności stanowi ciągłe wyzwanie dla projektantów systemów o znaczeniu krytycznym. W przypadku złączy oznacza to dobór konstrukcji i materiałów, które zapewniają długoterminową trwałość przy minimalnych kosztach.

Kluczową strategią zarządzania kosztami jest koncentracja na całkowitym koszcie posiadania, a nie tylko na początkowej cenie komponentu. Podczas gdy złącza o wysokiej niezawodności mogą charakteryzować się wyższymi kosztami początkowymi, ich dłuższy okres użytkowania i mniejsze wymagania w zakresie konserwacji mogą przynieść znaczne oszczędności długoterminowe. Jest to szczególnie cenne w zastosowaniach, w których złącza muszą wytrzymywać ekstremalne warunki, w tym wysokie drgania, wahania temperatury i powtarzające się cykle łączenia.

Ponadto znormalizowane i modułowe konstrukcje złączy mogą obniżyć koszty produkcji i konserwacji dzięki łatwiejszej integracji i wymianie. Złącza spełniające popularne normy branżowe zapewniają zamienność i usprawniają zarządzanie zapasami, zmniejszając wydatki w całym cyklu życia produktu.

Równowaga pomiędzy dostarczaną mocą i wymiarami

Złącza odgrywają również kluczową rolę w zarządzaniu zasilaniem. Wyzwanie polega na opracowaniu złączy, które będą w stanie obsłużyć znaczne obciążenia przy zachowaniu kompaktowych rozmiarów i zapewnieniu minimalnych strat mocy. Złącza o wysokiej niezawodności muszą zapewniać sprawne przenoszenie mocy, minimalizować wytwarzanie ciepła i zapobiegać wyładowaniom łukowym, a wszystko to przy jednoczesnym spełnieniu wymagań dotyczących przestrzeni i ciężaru nowoczesnych systemów.

Osiągnięcie sprawności i niezawodności wymaga materiałów i konstrukcji styków zapewniających niską rezystancję. Złącza charakteryzujące się wytrzymałą powłoką styków, zaawansowaną izolacją i zoptymalizowaną geometrią styków mogą dostarczać stabilne zasilanie nawet w ekstremalnych warunkach pracy.

Kluczową kwestią jest zestawienie połączeń sygnałowych i zasilających w jednym, kompaktowym złączu. Chociaż zintegrowanie linii sygnałowych i zasilających zmniejsza ogólną powierzchnię złącza i zwalnia cenną przestrzeń, to stwarza również wyzwania jeśli chodzi o radzenie sobie z potencjalnymi zakłóceniami między ścieżkami zasilania i sygnałowymi.

Przykład zastosowania: kokpity myśliwców odrzutowych

Analiza typowych przypadków pomaga zilustrować, jak te zasady projektowania sprawdzają się w praktyce. Na przykład jednostki sterujące oświetleniem (LCU) w samolotach myśliwskich wymagają niezawodnych złączy do zarządzania oświetleniem w różnych warunkach lotu i podczas różnych misji. Systemy te sterują oświetleniem kokpitowym, zewnętrznym, noktowizyjnym i awaryjnym, co wymaga komponentów zapewniających zmienne natężenie oświetlenia w ciasnych przestrzeniach. Ograniczona przestrzeń jednostki sterującej oświetleniem (LCU) wymaga komponentów niskoprofilowych, które można skutecznie zintegrować bez pogorszenia parametrów działania.

Złącza Gecko SL firmy Harwin posiadają raster 1,25mm i stanowią kompaktowe, lekkie rozwiązanie, które może być o 75% lżejsze i o 45% mniejsze od złączy Micro-D. Dzięki temu szczególnie dobrze sprawdzają się w środowiskach o dużej gęstości, takich jak jednostki sterujące oświetleniem (LCU). Kluczowe cechy grupy Gecko SL:

• 2,8A na jeden styk w izolacji i 2,0A na wszystkich stykach jednocześnie
• Konstrukcja styków wykonana z miedzi berylowej z czterema palcami zapewnia wysoką niezawodność
• Listwy wykonane z termoplastycznego tworzywa sztucznego wypełnionego włóknem szklanym UL94V-0 (nie zawierającego halogenów i fosforu czerwonego)

Wariant G125-MC10605M1-0150L posiada sześciopozycyjną wtyczkę zakończoną indywidualnymi odprowadzeniami przewodowymi (ilustracja 1). Dostępna jest szeroka gama innych stylów zespołów, a także lekkie kaptury aluminiowe, które zapewniają lepszą ciągłość elektryczną, ochronę kabli i skuteczne ekranowanie przed zakłóceniami elektromagnetycznymi i zakłóceniami o częstotliwościach radiowych (EMI/RFI).

Ilustracja 1: złącza Gecko SL są pomocne w środowiskach o ograniczonej przestrzeni, takich jak kokpity samolotów odrzutowych. Wariant G125-MC10605M1-0150L zawiera sześciopozycyjne wtyczki zakończone indywidualnymi odprowadzeniami przewodowymi. (Źródło ilustracji: Harwin)

Oprócz tego, że posiadają kompaktowe rozmiary, złącza Gecko SL są wyjątkowo wytrzymałe. Wytrzymują wstrząsy do 100g przez 6ms i drgania do 20g przez 6 godzin, dzięki czemu idealnie sprawdzają się w lotnictwie i kosmonautyce. Dzięki znamionowej trwałości 1000 cykli łączenia, złącza te zapewniają niezawodność podczas wielokrotnego podłączania i rozłączania, co jest powszechnym wymogiem w zastosowaniach wymagających intensywnej konserwacji.

Przykład zastosowania: złącza w bezzałogowych statkach powietrznych (UAV) z sygnałami mieszanymi

Inny przykład: bezzałogowe statki powietrzne działające w zastosowaniach obronnych wymagają wytrzymałych i kompaktowych złączy, które zachowują funkcjonalność w trudnych warunkach. W pojazdach tych występują znaczne drgania i wstrząsy, co sprawia, że integralność sygnału ma kluczowe znaczenie dla ich systemów pokładowych.

Złącza Datamate Mix-Tek firmy Harwin stawiają czoła tym wyzwaniom, integrując linie zasilające i sygnałowe w jednej kompaktowej obudowie. Ta zajmująca niewiele miejsca konstrukcja posiada raster 2mm, który zapewnia dużo miejsca na płytce drukowanej (PCB) dla dodatkowych komponentów, co ostatecznie poprawia możliwości i parametry bezzałogowego statku powietrznego (UAV). Omawiane złącza minimalizują straty mocy i sygnału dzięki niskim rezystancjom zestykowym wynoszącym 6mΩ dla styków sygnałowych i 25mΩ dla styków zasilania. Wytrzymują 500 cykli łączenia i zapewniają trwałość w zastosowaniach wymagających częstej konserwacji i ponownego podłączania.

Przykładem jest urządzenie M80-5T10805M1-02-331-00-000, które zawiera dwa styki zasilające o natężeniu 20A każdy i osiem styków sygnałowych o prądzie znamionowym 3A każdy (ilustracja 2). Ta konfiguracja spełnia wymagania dotyczące zasilania systemów o znaczeniu krytycznym oraz potrzeby sterowania i komunikacji w zakresie danych w większości zastosowań bezzałogowych statków powietrznych (UAV).

Ilustracja 2: złącze M80-5T10805M1-02-331-00-000 łączy w jednej obudowie dwa styki zasilania i osiem styków sygnałowych o rastrze 2mm. Sprawdza się w zastosowaniach o ograniczonej przestrzeni, takich jak bezzałogowe statki powietrzne (UAV). (Źródło ilustracji: Harwin)

Przykład zastosowania: baterie dużej mocy do bezzałogowych statków powietrznych (UAV)

Zorientowane na obronność bezzałogowe statki powietrzne (UAV) często wymagają znacznej mocy, ponieważ działają z baterii o mocy od dziesiątek do setek kilowatów. Złącza łączące te baterie z krytycznymi komponentami, takimi jak silniki, muszą niezawodnie obsługiwać wysokie prądy przy jednoczesnej minimalizacji strat mocy.

Złącza o wysokiej niezawodności Kona firmy Harwin spełniają te wymagania, obsługując prąd 60A i napięcie 3000V na styk. Ich raster 8,50mm obsługuje znaczne obciążenia przy zachowaniu wytrzymałości klasy obronnej. Rezystancja zestykowa 2mΩ zapewnia minimalne straty mocy.

Dobrym przykładem jest urządzenie KA1-MV10205M1 (ilustracja 3), które posiada dwa męskie wtyki stykowe o łącznej maksymalnej obciążalności prądowej 120A. To złącze jest dobrze przystosowane do połączeń bateryjnych bezzałogowych statków powietrznych (UAV), które wymagają niezawodnego zasilania przy jednoczesnym spełnieniu wymagań w zakresie współczynnika rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C).

Ilustracja 3: złącza KA1-MV10205M1 mają prąd znamionowy 60A i napięcie 3000V na styk i posiadają konstrukcję z sześcioma palcami, zapewniającą stabilność w warunkach silnych wstrząsów. (Źródło ilustracji: Harwin)

Złącza Kona wykorzystują styki berylowo-miedziane z powłoką ze złota, posiadają konstrukcję z sześcioma palcami zapewniającą stabilność połączeń w warunkach silnych wstrząsów i mają raster 8,5mm. Osłony ze stopu aluminium i blokady śrubowe ze stali nierdzewnej zapewniają lekkość i trwałość konstrukcji.

Podsumowanie

Wybór odpowiedniego złącza ma kluczowe znaczenie dla zrównoważenia różnorodnych wymagań optymalizacji współczynnika rozmiarów, wagi, mocy i kosztów (SWaP-C). Zaawansowane rozwiązania w dziedzinie złączy firmy Harwin udowadniają, że możliwe jest połączenie kompaktowości, lekkiej konstrukcji, sprawności energetycznej i trwałości, które pozwala projektantom sprostać złożonym wymaganiom zastosowań w lotnictwie i kosmonautyce oraz obronności.