Parker Hannifin Corporation
Avtorica: Rachid Ait El Cadi, aplikacijska inženirka za procese, oddelek Parker Hannifin Chomerics
Zaradi nenehnih svetovnih konfliktov in naraščajočih mednarodnih napetosti droni in UAV (brezpilotna letala) postajajo sodobno orodje v vojaških arzenalih, po katerem se veliko povprašuje.
Nekatera so razvrščena kot lebdeče strelivo, ker vsebujejo eksplozive ali bojne glave, ki se pogosto porabijo v napadih. Druga so razvrščena kot brezpilotna bojna letala (UCAV) in se uvrščajo v ISTAR (misije za obveščanje, nadzor, zajem ciljev in izvidništvo) ter misije za logistično podporo.
Med prednostmi delovanja brezpilotnih letal v sodobnem boju so varnost vojakov, nadzor v realnem času, razširjen doseg, prilagodljivost tovora in nižji skupni stroški delovanja in usposabljanja. Vendar pa je kritična slabost dronov v vseh teh primerih uporabe ranljivost za elektromagnetne motnje (EMI), bodisi naravne, bodisi kot del elektronskega bojevanja.
Motnje v delovanju dronov zaradi neželenih elektromagnetnih signalov lahko povzročijo morebitno okvaro, izgubo nadzora in celo strmoglavljenje. Da bi se izognili temu potencialno katastrofalnemu izidu, je treba izbrati in uporabiti optimalne rešitve za zaščito pred EMI. Izdelki za zaščito pred elektromagnetnimi motnjami so materiali, ki elektronske komponente ščitijo pred nenamernim širjenjem signalov iz naprave, hkrati pa jo ščitijo pred neželenimi signali, ki motijo natančno uglašeno notranjo elektroniko.
Pomembno je omeniti, da se zahteve za elektronsko vzdržljivost in brezpilotne zrakoplove v obrambi in vojaških operacijah bistveno razlikujejo od zahtev za komercialne ali potrošniške brezpilotne zrakoplove. Brezpilotna letala obrambne industrije morajo pogosto leteti več ur ali dni, medtem ko nosijo težko in drago opremo kot tovor. Poleg tega obrambne sile zahtevajo, da njihovi brezpilotni letalniki delujejo več let z minimalnim vzdrževanjem ali brez njega. Tehnologije za zaščito pred elektromagnetnimi motnjami podpirajo ključno zanesljivost, tudi v zahtevnih delovnih okoljih, ki vključujejo ekstremno vlažnost in temperaturo ter slano meglo.
Sistematični pristop
Učinkovita zaščita pred elektromagnetnimi motnjami je potrebna za zaščito širokega spektra zapletenih elektronskih sistemov na vojaških brezpilotnih letalih, ki so večinoma povezani z avtonomijo, slikanjem, orožjem ali komunikacijskimi funkcijami. LiDAR, radarski, laserski in ultrazvočni senzorji podpirajo izogibanje trkom in natančno določanje položaja, če so povezani s senzorji za nadzor lokacije/GPS in stabilizacijskimi/orientacijskimi moduli. Napredna analitika letenja, kot so senzorji časa leta, lahko operaterjem zagotovi podrobnosti o tem, kako dron deluje glede na okoljske razmere, in pomaga izboljšati prihodnje misije. Če mora dron opravljati posebne naloge, so lahko na voljo tudi dodatni senzorji, kot so kemični, toplotni ali hiper-spektralni senzorji.
Droni obdelujejo ogromno podatkov, zato potrebujejo visoko stopnjo zaščite pred elektromagnetnimi motnjami, da se prepreči radiofrekvenčno motenje, popačenja kanalov, prestrezanje in kibernetske grožnje. EMI so lahko tudi nenamerne, morda zaradi presluha notranjih elektronskih komponent ali zunanjega EMI sevanja iz drugih elektronskih naprav, visokonapetostnih daljnovodov, telekomunikacijskih drogov ali velikih anten.
In tu je še en izziv. Številni sodobni brezpilotni letalniki so izdelani iz lahkih materialov, kot so plastika in kompoziti, da prihranijo težo ter povečajo nosilnost in avtonomijo. Zaradi svojih električnih neprevodnih lastnosti se ti materiali štejejo za elektromagnetno prozorne. Ta lastnost omogoča, da elektromagnetno sevanje (EMR) zlahka prodre skozi trup in moti elektronske komponente.
Zaščita pred motnjami
Za izpolnjevanje strogih zahtev sodobne tehnologije dronov je na voljo veliko različnih rešitev za zaščito pred elektromagnetnimi motnjami. Ti električno prevodni izdelki zagotavljajo zaščito na ravni naprave ali komponente pred neželenim elektromagnetnim sevanjem, kar zagotavlja njihovo nemoteno delovanje.
Ena najpogostejših rešitev za zaščito pred EMI na ravni sistema so elastomerna prevodna tesnila. Ti izdelki vsebujejo osnovni polimer, kot je silikon, fluorosilikon ali EPDM, ki daje materialu prožnost in strukturo. Prevodno polnilo iz delcev, kot so posrebren aluminij, ponikljan aluminij, posrebren baker ali ponikljan grafit, zagotavlja tesnilu električno prevodne in zaščitne lastnosti.
Material je lahko v obliki ekstrudiranega tesnila, ki se namesti v utor, ali oblikovane ravne plošče, ki je primerna za izsekovanje v zapletene oblike. Prednost elastomernih prevodnih tesnil je, da so zaščita pred EMI, hkrati pa omogočajo tesnjenje pred vplivi okolja, zagotavljajo pa tudi rešitev za zaščito pred EMI na ravni ohišja ali sistema.
Kabli in pripadajoči priključki zahtevajo tudi zaščito pred elektromagnetnimi motnjami, pri čemer se prevodne poliolefinske cevi izkažejo kot zelo koristne. Te toplotno skrčljive bužirke in njihovi zaključni priključki dosežejo svojo prevodnost s prilagodljivimi premazi, prevlečenimi s srebrom ali s srebrnimi delci prevlečenimi z bakrom. Rešitve običajno zagotavljajo zmanjšanje teže za 40-65 % v primerjavi z običajnim pletenim kabelskim ovojem ali opletom za kable.
Bužirko je mogoče skrčiti tudi okoli občutljivih območij, kot so konektorji ali kabelski prepleti. Poleg zaščite pred elektromagnetnimi motnjami prevodne toplotno skrčljive bužirke zagotavljajo tudi učinkovito zaščito pred prahom in vlago.
Za zaščito majhnih sestavnih delov pred elektromagnetnimi motnjami so brizgane prevodne termoplastične mase, specifične za posamezne aplikacije, optimalna rešitev, ne le zaradi učinkovite zaščite pred elektromagnetnimi motnjami, temveč tudi zaradi do 70 % nižje teže. Nekatere napredne prevodne plastike izkoriščajo poseben postopek, ki v jedro vsakega plastičnega peleta vstavi ponikljana ogljikova vlakna, da se zagotovi homogeno in popolnoma porazdeljeno prevodno polnilo v brizganem delu. Lastnosti surovin v teh prevodnih plastenkah omogočajo tako zaščito pred elektromagnetnimi motnjami kot tudi absorpcijo radijskih valov, zato so idealne za uporabo kot zaščita na ravni ohišja ali zaščite na ravni tiskanega vezja.
Ti materiali so po konsistenci polnila boljši od suhih mešanic z več granulami in zagotavljajo dejansko neuničljiv zaščitni mehanizem. Tudi če se prevodni termoplast opraska ali zdrobi, material ohrani svoje lastnosti absorpcije radijskih valov in ščitenja elektromagnetnih motenj. Izzivi, povezani z delom s prevodno plastiko, so stroški orodja in začetni proizvodni stroški. Vendar se ti zlahka izravnajo z manjšo potrebo po sekundarnih proizvodnih postopkih in integracijo s strojno opremo, kot so pritrdilni elementi in druge sestavne komponente.
Pena za brezpilotna letala
Dodatna možnost materiala je prevodna pena. Uretanske ali silikonske pene so idealne za zaščito pred elektromagnetnimi motnjami in kot ozemljitev v aplikacijah, ki ne zahteva zaščite pred vremenskimi vplivi ali kjer so komponente zaščitene pred okoljskimi dejavniki. Pene so lahke, imajo majhno gostoto in jih je za namene montaže enostavno stisniti. Običajno so v dveh oblikah, in sicer z ovojem iz tkanine (t. i. tkanina nad peno) ali v različicah s posrebrenimi vlakni, vgrajenimi v peno nizke gostote.
Prevodne pene so običajno poceni in dobro tesnijo pred prahom. Prevodne pene, ki so pogosto izdelane v listih ali zvitkih za nadaljnjo obdelavo, so na voljo v standardnih debelinah, lahko pa jih tudi razrežemo na trakove. Profili iz tkanine nad peno so izdelani v več sto standardnih profilih, lahko pa se izdelajo tudi na podlagi posebnih zahtev strank. Orodja za izdelavo delov po meri so razmeroma poceni, čas njihove izdelave je kratek.
Druga možnost so tesnila, ki se oblikujejo na mestu. Ta lahka elastomerna tesnila so sestavljena iz materiala, ki se robotsko nanese na ohišja elektronike, in so na voljo v tubah (kot tesnilna masa), pripravljenih za odmerjanje do zelo majhnih presekov, tudi na zapletene geometrije. Z uporabo tesnil, ki se oblikujejo na mestu, se prihrani do 60 % prostora in teže v ohišjih brezpilotnih letalnikov, saj so lahko prirobnice zelo ozke (manj kot 1 mm) in še vedno vsebujejo tesnilo za zaščito pred elektromagnetnimi motnjami. Silikon, polnjen s posrebrenim aluminijem, z visoko odpornostjo proti koroziji, ki se strjuje z vlago v zraku, je dober primer sestave materiala. Pri uporabi tesnil, ki se oblikujejo na mestu, utor ni potreben.
Pokrivanje vseh možnosti
Številni načrtovalci dronov si prizadevajo zmanjšati težo, zato so umetne mase in kompoziti pogosta izbira materialov. V takih primerih so prevodni premazi/barve za zaščito velikih kompozitnih delov pred učinki elektromagnetnih motenj dobra izbira. Na voljo so različne konfiguracije električno prevodnih polnil in veziv, vključno z uretanskimi premaznimi sistemi, napolnjenimi z bakrom, s posebnimi dodatki in stabilizatorji za ohranjanje električne stabilnosti pri povišanih temperaturah. Barve brez kromov so priljubljena izbira za kompozitne strukture.
Načrtovalci dronov lahko izkoristijo tudi električno prevodna lepila in tesnilne mase. Takšni materiali zapolnijo vrzeli med kovinskimi ali kompozitnimi sestavnimi deli okvirja in tako odpravijo elektromagnetna sevanja. Zelo zaželena je tudi dobra električna prevodnost, ki zagotavlja varno električno pot v primeru udara strele. Z uporabo električno prevodnih lepil in tesnil lahko zmanjšamo potrebo po vijakih ali drugih pritrdilnih elementih, kar poenostavi montažo in zmanjša težo.
Izpolnjevanje standardov
Za zagotavljanje zaščite izdelkov pred elektromagnetnimi motnjami v vojaških brezpilotnih letalih je bistvena skladnost s standardi kakovosti. Najpogostejši vojaški standard kakovosti za zaščito pred elektromagnetnimi motnjami je MIL STD 461, ki zagotavlja odpornost proti prestrezanju, motnjam in kibernetskim grožnjam. Pomemben je tudi standard DO-160G. Ta standard, ki ga je objavila RTCA (Radio Technical Commission for Aeronautics), določa pogoje okolja in preskusne postopke za letalsko opremo.
Poleg zaščite pred elektromagnetnimi motnjami je drug velik izziv za konstruktorje dronov pregrevanje, ki je običajno posledica velikih obremenitev elektronike in močnih rotorjev. Zato so potrebni ustrezni termično vmesniški materiali, da se zagotovi učinkovito delovanje brez pregrevanja drona.
Priložnost rasti
V prihodnosti se bo svetovni trg vojaških brezpilotnih letalnikov močno širil. Po podatkih Fortune Business Insights [1] naj bi se trg povečal s 14,14 milijarde dolarjev leta 2023 na 35,60 milijarde dolarjev do leta 2030, kar pomeni impresivno 14,10-odstotno letno stopnjo rasti (CAGR).
Zato podjetje Parker Chomerics nenehno sodeluje s proizvajalci originalne opreme dronov/UAV, da bi razvilo izdelke, ki izpolnjujejo njihove potrebe zdaj in za naslednjo generacijo izdelkov. Podjetje že raziskuje nove elastomerne rešitve za zaščito pred elektromagnetnimi motnjami, kot so edinstveni materiali za oblikovanje na mestu in izdelki, ki absorbirajo radijske frekvence. Podjetje Parker Chomerics poskrbi tudi za to, da vsaka nova rešitev ponuja podporne informacije, kot so podatki o visokofrekvenčnem ščitenju do 115 GHz in podatke o okoljski neoporečnosti.
Znanost o materialih, procesna tehnologija, proizvodnja in upravljanje dobavne verige so ključne kompetence podjetja Parker Chomerics, ki ima na voljo standardne in po meri izdelane rešitve za zaščito pred elektromagnetnimi motnjami, ki temeljijo na desetletjih strokovnega znanja v industriji. Kot globalno podjetje si Parker Chomerics z inženirsko podporo in proizvodnjo izdelkov v Severni Ameriki, Evropi in Aziji prizadeva za uporabo po vsem svetu.
Več informacij najdete tukaj [2].
O podjetju Chomerics
Chomerics je oddelek družbe Parker Hannifin Corporation in je del skupine Engineered Materials Group. Je vodilni v svetu razvoja in uporabe električno in toplotno prevodnih materialov v elektroniki, transportu in alternativnih energetskih sistemih. Za podrobnosti obiščite www.parker.com/chomerics
O podjetju Parker Hannifin
Parker Hannifin je vodilni na seznamu Fortune 250 na področju tehnologij gibanja in krmiljenja. Podjetje že več kot stoletje omogoča inženirske preboje, ki vodijo v boljši jutri. Več o tem na www.parker.com or @parkerhannifin.
Viri:
1: https://www.fortunebusinessinsights.com/military-drone-market-102181
2: https://www.parker.com/us/en/divisions/chomerics-division/industries/aerospace-defense/uavs-and-drones.html
