黃代忠, 馬紅杰*, 劉新剛

(1.珠海格力電工有限公司, 珠海 519110; 2.浙江萬(wàn)馬傳輸技術(shù)有限公司, 杭州 311300)

0 引 言

隨著科技的不斷發(fā)展,無(wú)人機(jī)和低空飛行器在各個(gè)領(lǐng)域的需求與日俱增。常規(guī)的系留式無(wú)人機(jī)使用特殊的定制型線(xiàn)纜——系留電纜,用以供應(yīng)能量和傳輸信號(hào)。系留電纜的長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)會(huì)影響無(wú)人機(jī)飛行的高度以及飛行的時(shí)長(zhǎng)。在直流供電情況下,無(wú)人機(jī)飛行高度越高,意味著線(xiàn)纜長(zhǎng)度越長(zhǎng),電纜發(fā)熱功率越大,線(xiàn)纜整體的質(zhì)量也越大。

常規(guī)的系留電纜一般由傳輸電能的導(dǎo)線(xiàn)和傳輸信號(hào)的光纖組成[1-4]:導(dǎo)線(xiàn)的導(dǎo)體材料一般為鍍錫銅線(xiàn),絕緣材料一般為聚乙烯(PE);光纖為普通單模光纖;護(hù)套為熱塑性聚氨酯彈性體(TPU)材質(zhì)。成型方式一般為擠出,由于受材料自身的限制,系留電纜耐溫等級(jí)不超過(guò)80 ℃,有效距離較短,若長(zhǎng)時(shí)間使用,其發(fā)熱功率較大,將影響無(wú)人機(jī)的飛行高度和使用時(shí)長(zhǎng)。

當(dāng)無(wú)人機(jī)從靜態(tài)到動(dòng)態(tài)升空時(shí),對(duì)系留電纜的瞬時(shí)拖曳力非常大,傳統(tǒng)的系留電纜材料和結(jié)構(gòu)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代無(wú)人機(jī)的使用需要。

為滿(mǎn)足實(shí)際使用需求,對(duì)系留電纜進(jìn)行系統(tǒng)性研究,參考實(shí)際使用過(guò)程中的部分?jǐn)?shù)據(jù),綜合考慮了結(jié)構(gòu)和材料對(duì)系留電纜性能的影響,通過(guò)對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品開(kāi)展分析和改進(jìn),實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量輕、體積小,抗拉特性以及耐高溫性能提升的目標(biāo)[5-6]。

1 系留電纜的材料和結(jié)構(gòu)

1.1 改進(jìn)前系留電纜的結(jié)構(gòu)和材料

改進(jìn)前的系留電纜結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1,改進(jìn)前系留電纜各層結(jié)構(gòu)所使用的材料見(jiàn)表1。

圖1 改進(jìn)前的系留電纜結(jié)構(gòu)圖

表1 改進(jìn)前系留電纜的各層結(jié)構(gòu)材料

1.2 現(xiàn)有系留電纜的弊端及改進(jìn)要求

由于無(wú)人機(jī)技術(shù)的革新需要,現(xiàn)有系留電纜存在耐溫低,抗拉強(qiáng)度不能滿(mǎn)足要求,以及耐壓特性不夠優(yōu)異等弊端。系留電纜的耐電壓特性和耐溫特性是量化無(wú)人機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)長(zhǎng)的重要依據(jù)。系留電纜的抗拉性能是保證其在持續(xù)受到外力作用下信號(hào)穩(wěn)定傳輸?shù)闹匾匦?此外力主要來(lái)源于兩個(gè)方面:①無(wú)人機(jī)由靜態(tài)變成動(dòng)態(tài)升空的瞬間,在連接器或者光纖與連接器的連接處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常大的瞬間拖曳力;②在長(zhǎng)期使用過(guò)程中,由于環(huán)境變化、風(fēng)阻、系留電纜自重和搖擺的影響,拉力會(huì)一直作用在系留電纜上。

無(wú)人機(jī)工業(yè)的快速發(fā)展,要求所使用的系留電纜在保證原有性能不降低的情形下,體積更小,質(zhì)量更輕。

系留電纜性能改進(jìn)的量化指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 改進(jìn)前系留電纜性能的量化指標(biāo)

2 改進(jìn)方案

根據(jù)技術(shù)要求以及客戶(hù)實(shí)際使用的需要,本工作從系留電纜材料、制備工藝及結(jié)構(gòu)等3個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

2.1 選取材料

2.1.1 光單元

選用G657D彎曲不敏感光纖,采用聚酰亞胺(PI)樹(shù)脂作為光纖的涂覆層,能夠保證光纖在260 ℃以下長(zhǎng)期使用,綜合考慮體積小、質(zhì)量輕的要求,使用聚四氟乙烯(PTFE)生料帶作為光纖的緊包層[7]。該材料具備以下兩方面的優(yōu)勢(shì):①可隔離電單元產(chǎn)生的熱量;②PTFE生料帶質(zhì)軟,系留電纜在空中擺動(dòng)或收卷時(shí)可作為機(jī)械壓力緩沖層,以保證光纖傳輸信號(hào)的穩(wěn)定性。

緊包光纖外層輔以螺旋扁鋼帶鎧裝,主要作用如下:①提高光單元的抗擠壓性能,保證光纖不因擠壓而變形;②提高光單元與連接器連接處的抗拉強(qiáng)度,確保在實(shí)際使用過(guò)程中,瞬間拖曳下以及長(zhǎng)期懸浮空中時(shí),光纖不會(huì)因受力而發(fā)生微彎和拉伸,從而保證信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.1.2 電單元

借鑒美國(guó)輕型航空航天電纜標(biāo)準(zhǔn)SAE AS 22759-82B的設(shè)計(jì)理念。在保證產(chǎn)品性能的情況下,可以有效減小系留電纜的質(zhì)量和體積。導(dǎo)體材料選用鍍鎳退火高強(qiáng)度合金導(dǎo)體,使用束絲絞合方式,保證系留電纜的彎曲性能。絕緣采用復(fù)合式絕緣結(jié)構(gòu),第一層絕緣使用高性能聚四氟乙烯/聚酰亞胺/聚四氟乙烯復(fù)合膜(PTFE/PI/PTFE)的復(fù)合絕緣帶,第二層使用PTFE生料帶。

2.1.3 機(jī)械輔助填充層

為降低使用過(guò)程中拉扯以及自身重力對(duì)系留電纜的影響,機(jī)械輔助填充層使用高密度芳綸進(jìn)行填充并包覆于光單元附件,輔助加強(qiáng)系留電纜的整體抗拉特性。

2.1.4 鎧裝層

經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析,鎧裝層的質(zhì)量占系留電纜總質(zhì)量的30%,為提升減重效果,在保證屏蔽以及鎧裝保護(hù)性能的情況下,使用鍍鎳銅箔絲(鍍鎳銅扁帶和耐高溫芳綸組成)作為鎧裝層材料。采用鍍鎳銅箔絲制備的鎧裝層,不僅能夠達(dá)到性能要求,還能更為迅速地散發(fā)系留電纜產(chǎn)生的熱量,提升系留電纜的耐溫特性。

2.1.5 外護(hù)層

通過(guò)經(jīng)驗(yàn)分析,采用PTFE切削膜作為系留電纜的外護(hù)層材料。改進(jìn)后的系留電纜各組成部分所用材料見(jiàn)表3。

表3 改進(jìn)后產(chǎn)品的各層結(jié)構(gòu)材料

2.2 制備工藝

由于系留電纜材料的改變,制備工藝也需要進(jìn)一步變更。光纖緊套層制備、電單元絕緣層制備,以及系留電纜整體外護(hù)層的制備均由原來(lái)的擠出型變更為繞包型,同時(shí)在光單元中增加了不銹鋼帶鎧裝工藝,均采用機(jī)械化一次成型工藝。另外,為確保光纖衰減參數(shù),減少加工過(guò)程中對(duì)光單元傳輸性能的影響,編織工藝由原來(lái)的高速編織改變?yōu)榕荞R型編織。

2.3 改進(jìn)后系留電纜的結(jié)構(gòu)

綜合考慮工藝以及材料對(duì)系留電纜的影響,改進(jìn)后系留電纜的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 改進(jìn)后的系留電纜結(jié)構(gòu)示意圖

3 產(chǎn)品性能的驗(yàn)證及對(duì)比

根據(jù)整體要求設(shè)計(jì)系留電纜,電單元導(dǎo)體橫截面積選用0.5 mm2,通過(guò)設(shè)計(jì)運(yùn)算及工藝驗(yàn)證,選取了最優(yōu)設(shè)計(jì)方案,改進(jìn)后制備的系留電纜與改進(jìn)前的系留電纜性能對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 改進(jìn)前后系留電纜性能對(duì)比

從表4結(jié)果可知,改進(jìn)后系留電纜的各項(xiàng)參數(shù)性能指標(biāo)有了大幅度提升,各項(xiàng)性能參數(shù)均滿(mǎn)足并優(yōu)于表2中的量化指標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)實(shí)際使用以及客戶(hù)需要,本工作從材料、結(jié)構(gòu)和工藝等3個(gè)方面對(duì)目前使用的系留電纜進(jìn)行了改進(jìn),該系留電纜樣品通過(guò)了客戶(hù)的驗(yàn)收,該產(chǎn)品進(jìn)入批量供貨階段,所制備的系留電纜已實(shí)際使用近半年,目前運(yùn)行狀況良好,各種性能均穩(wěn)定。