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,無人機和低空飛行器在各個領(lǐng)域的需求與日俱增。常規(guī)的系留式無人機使用特殊的定制型線纜——系留電纜,用以供應(yīng)能量和傳輸信號。系留電纜的長度和結(jié)構(gòu)會影響無人機飛行的高度以及飛行的時長。在直流供電情況下,無人機飛行高度越高,意味著線纜長度越長,電纜發(fā)熱功率越大,線纜整體的質(zhì)量也越大。

常規(guī)的系留電纜一般由傳輸電能的導(dǎo)線和傳輸信號的光纖組成[1-4]:導(dǎo)線的導(dǎo)體材料一般為鍍錫銅線,絕緣材料一般為聚乙烯(PE);光纖為普通單模光纖;護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,系留電纜耐溫等級不超過80 ℃,有效距離較短,若長時間使用,其發(fā)熱功率較大,將影響無人機的飛行高度和使用時長。

當無人機從靜態(tài)到動態(tài)升空時,對系留電纜的瞬時拖曳力非常大,傳統(tǒng)的系留電纜材料和結(jié)構(gòu)已經(jīng)遠遠不能滿足現(xiàn)代無人機的使用需要。

為滿足實際使用需求,對系留電纜進行系統(tǒng)性研究,參考實際使用過程中的部分數(shù)據(jù),綜合考慮了結(jié)構(gòu)和材料對系留電纜性能的影響,通過對現(xiàn)有產(chǎn)品開展分析和改進,實現(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[5-6]。

1 系留電纜的材料和結(jié)構(gòu)

1.1 改進前系留電纜的結(jié)構(gòu)和材料

改進前的系留電纜結(jié)構(gòu)見圖1,改進前系留電纜各層結(jié)構(gòu)所使用的材料見表1。

圖1 改進前的系留電纜結(jié)構(gòu)圖

表1 改進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要求

由于無人機技術(shù)的革新需要,現(xiàn)有系留電纜存在耐溫低,抗拉強度不能滿足要求,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人機穩(wěn)定工作時長的重要依據(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穩(wěn)定傳輸?shù)闹匾匦?此外力主要來源于兩個方面:①無人機由靜態(tài)變成動態(tài)升空的瞬間,在連接器或者光纖與連接器的連接處會產(chǎn)生一個非常大的瞬間拖曳力;②在長期使用過程中,由于環(huán)境變化、風阻、系留電纜自重和搖擺的影響,拉力會一直作用在系留電纜上。

無人機工業(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。

系留電纜性能改進的量化指標見表2。

表2 改進前系留電纜性能的量化指標

2 改進方案

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

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)樹脂作為光纖的涂覆層,能夠保證光纖在260 ℃以下長期使用,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: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或收卷時可作為機械壓力緩沖層,以保證光纖傳輸信號的穩(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度,確保在實際使用過程中,瞬間拖曳下以及長期懸浮空中時,光纖不會因受力而發(fā)生微彎和拉伸,從而保證信號傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.1.2 電單元

借鑒美國輕型航空航天電纜標準SAE AS 22759-82B的設(shè)計理念。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 機械輔助填充層

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

2.1.4 鎧裝層

經(jīng)過計算和分析,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 外護層

通過經(jīng)驗分析,采用PTFE切削膜作為系留電纜的外護層材料。改進后的系留電纜各組成部分所用材料見表3。

表3 改進后產(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層的制備均由原來的擠出型變更為繞包型,同時在光單元中增加了不銹鋼帶鎧裝工藝,均采用機械化一次成型工藝。另外,為確保光纖衰減參數(shù),減少加工過程中對光單元傳輸性能的影響,編織工藝由原來的高速編織改變?yōu)榕荞R型編織。

2.3 改進后系留電纜的結(jié)構(gòu)

綜合考慮工藝以及材料對系留電纜的影響,改進后系留電纜的設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 改進后的系留電纜結(jié)構(gòu)示意圖

3 產(chǎn)品性能的驗證及對比

根據(jù)整體要求設(shè)計系留電纜,電單元導(dǎo)體橫截面積選用0.5 mm2,通過設(shè)計運算及工藝驗證,選取了最優(yōu)設(shè)計方案,改進后制備的系留電纜與改進前的系留電纜性能對比見表4。

表4 改進前后系留電纜性能對比

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

4 結(jié)束語

根據(jù)實際使用以及客戶需要,本工作從材料、結(jié)構(gòu)和工藝等3個方面對目前使用的系留電纜進行了改進,該系留電纜樣品通過了客戶的驗收,該產(chǎn)品進入批量供貨階段,所制備的系留電纜已實際使用近半年,目前運行狀況良好,各種性能均穩(wěn)定。