Złącza elektryczne w systemach militarnych

Złącza są bardzo widocznym elementem elektroniki milotarnej. W przypadku konektorów, jeśli chcemy mówić ściśle o złączach wojskowych, należy pod uwagę wziąć dwa aspekty - parametry mechaniczne złącza oraz jego projekt elektroniczny (rozkład pinów, sygnałów itd.). Na obie te kwestie mają wpływ wymagania, jakie stawia się urządzeniom, stosowanym przez wojsko. W artykule skupimy się głównie na wymaganiach mechanicznych i sposobie ich realizacji. Jednak nie da się opisywać tych zagadnień bez wiedzy o wymaganiach elektrycznych, a nawet o konkretnych standardach złącz, jakie stosowane są np. w NATO. Z uwagi na naszą lokalizację, skupimy się tylko na standardach stosowanych przez sprzęt wojskowy Sojuszu Północnoatlantyckiego (NATO).

Normy NATO dla złącz

NATO stosuje, generalnie, system amerykańskich norm MIL do standaryzacji sprzętu itd. W ramach tego systemu norm wyróżnia się, między innymi:

• MIL-SPEC - tzw. specyfikacje, czyli dokumenty opisujący podstawowe wymagania techniczne dotyczące materiałów unikatowych dla wojska lub znacznie zmodyfikowanych przedmiotów komercyjnych.
• MIL-STD - normy wojskowe, ustanawiające jednolite wymagania inżynieryjne i techniczne dla unikalnych dla wojska lub znacznie zmodyfikowanych procesów, procedur, praktyk i metod handlowych. Istnieje pięć rodzajów norm obronnych w systemie NATO:
  
  • standardy interfejsu,
  • standardy kryteriów projektowych,
  • standardy procesu produkcyjnego,
  • standardowe praktyki,
  • standardy metod testowych.
• MIL-DTL - specyfikacje szczegółowe, które określają wymagania projektowe, takie jak użyte materiały, sposób spełnienia wymagań lub sposób wytwarzania lub konstruowania danego elementu.

W Polsce stosowane są Normy Obronne (NO-xx-xxxx), które ustalane są przez Ministra Obrony Narodowej i aktualizowane, co roku, zgodnie z rozporządzeniem Rady Ministrów z dnia 23 grudnia 2002 roku w sprawie działalności normalizacyjnej związanej z obronnością

i bezpieczeństwem państwa. Coroczna decyzja szefa RON w sprawie zatwierdzenia i wprowadzenia do stosowania dokumentów normalizacyjnych dotyczących obronności i bezpieczeństwa państwa zawiera wykaz norm stanowiącym załącznik do decyzji. Bardzo często normy te wykorzystują, jako podstawę, normy stosowane w NATO, wszak jesteśmy częścią Sojuszu i nasze siły zbrojne muszą pozostawać interoperacyjne z siłami innych państw członkowskich.

W siłach NATO używa się na ogół złącz zgodnych z następującymi normami. W ramach poszczególnych norm określa się ogólne parametry konkretnych złącz, ale te szerokie grupy dzielą się na różne serie i klasy:

• MIL-DTL-5015 (dawniej MIL-C-5015) - okrągłe złącza skręcane z stykami do lutowania lub zaciskania do użytku komercyjnego i wojskowego (fotografia 1). Ich historia sięga lat 30. XX wieku - zostały opracowane do zastosowań w samolotach Douglas DC-1, DC-2 i DC-3. Obecnie są powszechnie stosowane w elektronice, energetyce i obwodach sterujących ze względu na ich wszechstronność, niezawodność i łatwy dostęp - wielu producentów złącz produkuje tego rodzaju elementy. Złącza MIL-DTL-5015 są podzielone na cztery serie, a wiele z nich jest dostępnych w szerokim zakresie wykonań. Dostępne są złącza przystosowane do temperatur od -55°C do 200°C. Istnieje około 160 układów pinów wtyczki, przewidzianych w MIL-STD-1651, z maksymalnie 81 pinami w pojedynczym konektorze.

Fotografia 1. Złącza typu MIL-DTL-5015 (źródło: gobizkorea.com)

• MIL-DTL-12520 (dawniej MIL-C-12520) - seria okrągłych złącz z centralnie umieszczoną śrubą do skręcania - centerlock (fotografia 2). Są one wodoodporne, spolaryzowane, posiadają wiele styków i dostępne są liczne akcesoria do łączenia obwodów. Przeznaczone są do linii zasilania i sterowania w sprzęcie elektronicznym, które są przeznaczone głównie do użytku naziemnego lub lądowego. Są odporne na zanieczyszczenia kurzem, brudem i wodą, złącza do pracy w trudnych warunkach - zapewniają również odporność na wstrząsy i wibracje dzięki centralnej śrubie blokującej, którą można łatwo zabezpieczyć, obracając rączkę z składanym skrzydełkiem.

Fotografia 2. Złącze typu MIL-DTL-12520 (po lewej) i gniazdo tego samego typu, widoczne od strony lutowanych połączeń (po prawej) produkcji firmy EATON

• MIL-DTL-22992 (dawniej MIL-C-22992) - wielostykowe, wytrzymałe i wodoodporne, szybkozłączki (fotografia 3). Złącza do obwodów elektrycznych - systemów zasilania i sterowania. Złącza są przystosowane do pracy w szerokim zakresie od -55°C do 125°C.

Fotografia 3. Złącza rodziny MIL-DTL-22992 (źródło: connectorworld.com.au)

• Złącza opisywane przez tę normę podzielone są na cztery klasy, różniące się zastosowaniem:
  • Złącza klasy C są przeznaczone do zewnętrznych połączeń wzajemnych w samochodach dostawczych, schronach, przyczepach, budynkach i zastosowaniach o dużym obciążeniu.
  • Złącza klasy J są używane w zastosowaniach klasy C, w których konieczne jest zastosowanie pierścienia mocującego przewód.
  • Złącza klasy L są przeznaczone do połączeń zasilających o wysokim natężeniu prądu - od 40 A do 200 A, gdzie wymagana jest duża wytrzymałość, wodoodporność i zdolność gaszenia łuku.
  • Złącza klasy R są używane, jako wytrzymałe złącza ogólnego przeznaczenia, w których nie jest wymagane utrzymywanie ciśnienia i zdolność gaszenia łuku.

Układy wkładek pinów tych złącz są zdefiniowane w normie MIL-STD-1651, z dodatkowym układem do zastosowań wysokoprądowych w powiązanych dokumentach.

Fotografia 4. Złącza rodziny MIL-DTL-24308 firmy Smiths Interconnect

• MIL-DTL-24308 (dawniej MIL-C-24308 i MIL-PRF-24308) - złącze miniaturowe, spolaryzowane złącza do montażu na obudowach (w panelach, zwłaszcza rackowych) (fotografia 4). Złącze zaciskane (w sposób odwracalny), lutowane (na stałe) lub z kłami - zaciskami przebijającymi izolację przewodów (montaż na stałe). Obudowy złącz z mocowaniem sztywnym lub pływającym, przeznaczone do pracy w zakresie temperatur od -55°C do 125°C. Złącza te zwane są również złączami D-subminiaturowymi lub D-sub - to doskonale znana rodzina złącz, stosowanych w przemyśle, systemach komputerowych itp. Są one przeznaczone przede wszystkim do zastosowań, w których przestrzeń i waga mają duże znaczenie. Mieszczą dużą liczbę obwodów, proporcjonalnie do ich rozmiaru, co sprawia, że doskonale nadają się do samolotów, pocisków i powiązanych systemów wsparcia naziemnego. Chociaż złącza MIL-DTL-24308 są przeznaczone głównie do zastosowań w rackach i panelach, złącza te można również dostosować do innych aplikacji okablowania, dodając akcesoria i zintegrowane elementy łączące. Złącza te są przeznaczone do ogólnego użytku wojskowego. Podzielone są na następujące klasy:
  • Złącza klasy G i N są przeznaczone do użytku w zastosowaniach, w których występuje zakres temperatur roboczych od -55°C do 125°C.
  • Złącza klasy N są używane w aplikacjach, w których obecność magnetyzmu szczątkowego musi być utrzymywana na niskim poziomie.
  • Złącza klasy H są używane tam, gdzie ciśnienie atmosferyczne musi być utrzymywane w poprzek ściany lub panelu, na którym zamontowane są złącza.
  • Złącza klas D, K i M są przeznaczone do zastosowań kosmicznych o wysokiej niezawodności.

Układy pinów dla złącz tego rodzaju również podane są w rzeczonej normie. Obejmują one piny różnego rodzaju, w tym złącza dla przewodów koncentrycznych.

Fotografia 5. Złącze i gniazdo typu MIL-DTL-26482 firmy Souriau

• MIL-DTL-26482 (dawniej MIL-C-26482) - dwie serie odpornych na warunki środowiskowe, miniaturowych, okrągłych szybkozłączy elektrycznych (i akcesoriów do nich) (fotografia 5). W każdej serii znajdują się hermetyczne obudowy. Dwie serie złączy można łączyć ze sobą, gdy używane są tylko styki zasilające i nie można ich łączyć, gdy używane są również styki ekranu. Różne klasy i typy złączy obejmują:
  • złącza klas E, F, J i P, które są używane w aplikacjach odpornych na warunki środowiskowe w zakresie temperatur roboczych od -55°C do 125°C,
  • gniazda klasy H są używane w zastosowaniach, w których ciśnienie musi być utrzymywane w poprzek ścian paneli lub obudów, na których zamontowane jest złącze.

Wiele zastosowań tego złącza odbiega od oficjalnej specyfikacji wojskowej; na przykład solidna metalowa obudowa oparta na konstrukcji MIL-DTL-26482 umożliwia korzystanie z sieci transmisji danych Ethernet 10/100/1000BaseT w trudnych warunkach, przy jednoczesnym zachowaniu zgodności z wymaganiami normy IEC 60603-7-7. MIL-DTL-26482 obejmuje dwie serie okrągłych złączy:

• Seria I obejmuje złącza MS3110, MS3111, MS3112, MS3114 i MS3116
• Seria II obejmuje złącza MS3470, MS3474, MS3475 i MS3476.

Układy pinów złącz tego rodzaju podane są w normie MIL-STD-1669.

• MIL-DTL-32139 - nanominiaturowe (czyli jeszcze mniejsze, niż miniaturowe, aczkolwiek opisy te są raczej uznaniowe i względne, a niedotyczące ściśle jakiejś granicy wymiaru) złącza przeznaczone do montażu na płytkach drukowanych lub jako zakończenie wiązek kablowych (fotografia 6). Styki tego złącza są gęsto upakowane z odstępami 0,64 mm między centrami styków w tym samym rzędzie. Złącza te są przeznaczone do połączeń na płytce drukowanej, płytka-przewody, przewody-panel oraz przewody-przewody w zminiaturyzowanych podzespołach o niskim zapotrzebowaniu na moc. Złącza te są unikalne spośród wszystkich złącz militarnych, z uwagi na odporność na wibracje sinusoidalne w zakresie od 10 Hz do 2000 Hz przy obciążeniu do 20 g. Dodatkowo, mogą wytrzymać 48 godzin narażenia na mgłę solną bez zmian parametrów lub powstawania wżerów czy porowatości wykończenia pinów. Dodatkowo, złącza te są w stanie wytrzymać wstrząs o sile 100 g bez przerwania ciągłości obwodu elektrycznego. Pracują w temperaturach od -55°C do 125°C. Układy pinów tych złącz są podane w powiązanych z normą specyfikacjach.

Fotografia 6. Gniazda typu MIL-DTL-32139 firmy Omnetics na PCB oraz wiązka kablowa z takim samym wtykiem tego samego producenta

• MIL-DTL-38999 (dawniej MIL-C-38999) to podzielone na cztery serie, miniaturowe złącza z zapięciem bagnetowym, skręcanym lub zamkiem (fotografia 7). Zaprojektowano je do instalacji o dużej gęstości połączeń, które muszą być odporne na warunki środowiskowe. Zawierają one wyjmowane piny, które mogą być zaciskane lub lutowane do przewodów. Złącza przeznaczone są do pracy w zakresie temperatur od -65°C do 200°C. Złącza te są odpowiednie do szeregu zastosowań, zależnie od serii:
  • Złącza serii I są używane tam, gdzie wymagany jest system szybkiego łączenia bez widoczności lub innych obszarów problematycznych. Złącza te zapewniają wysoką odporność na wibracje i są odpowiednie do miejsc z występowaniem silnego wiatru i wilgoci.
  • Złącza serii II są używane tam, gdzie złącze nie jest narażone na silne wibracje lub czynniki środowiskowe i gdzie niewielki rozmiar i/lub waga są krytyczne.
  • Złącza serii III nadają się do niewidocznych obszarów łączenia i zapewniają wysoką odporność na wibracje w podwyższonej temperaturze oraz są odpowiednie dla obszarów narażonych na czynniki środowiskowe
  • Złącza serii IV są używane tam, gdzie wymagany jest system szybkiego łączenia w miejscach niewidocznych lub trudnodostępnych, a same połączenia muszą być odporne na czynniki środowiskowe i wibracje.
  • Złącza te są lekkie, połączone specjalnym mechanizmem Breech Lok i wszystkie są odporne na przypadkowe zwarcia i uszkodzenie na skutek niepoprawnego podłączenia złącz (z wyjątkiem serii II). Układy pinów dla tych złącz zdefiniowane są w normie MIL-STD-1560.

Fotografia 7. Złącza i gniazda MIL-DTL 38999 firmy Radiall

MIL-DTL-55116 - miniaturowe złącza audio, pięcio- i sześciopinowe, używane w radiach i urządzeniach kryptograficznych, łączonych z systemami radiowymi (fotografia 8).

Fotografia 8. Złącza i gniazda MIL-DTL-55116 firmy Amphenol

• MIL-DTL-83513 (dawniej MIL-C-83513) - mikrominiaturowe, prostokątne złącza elektryczne z lutowanymi lub zaciskanymi pinami (fotografia 9). Złącze spełnia wymagania trudnych warunków środowiskowych, jest wytrzymałe mechanicznie i trwałe, ma także niską rezystancję styków, a co za tym idzie wysoką obciążalność prądową i wysoką wytrzymałość dielektryczną. Złącza te są odporne na wstrząsy i wibracje, oferując jednocześnie dużą gęstość styków, małe rozmiary i lekki korpus. Często te złącza są określane, jako system złącza Micro-D. Są dostosowane do działania w wielu systemach, chociaż główne zastosowania to miejsca, w których waga, miniaturyzacja lub integralność transmisji sygnału są najważniejsze, takich jak pociski i ich systemy naprowadzania, awionika lotnicza, radary, naramienne systemy uzbrojenia, zaawansowane systemy technologii żołnierza, wojskowe systemy globalnego pozycjonowania, satelity, urządzenia medyczne. Układy pinów tych złącz są podane w powiązanych z normą kartach specyfikacji. Format złącza Micro-D stał się tak popularny wśród inżynierów i projektantów systemów, że wielu producentów zaczęło oferować szybkie (do 10 Gbit/s) i modułowe wersje tego złącza.

Fotografia 9. Złącza i wiązki kablowe typu MIL-DTL-83513 firmy Amphenol

• MIL-DTL-83527 (dawniej DoD-C-83527 i MIL-C-83527) to odporne na warunki środowiskowe złącza prostokątne, charakteryzujące się niewielką siłą potrzebną do instalacji złącza (fotografia 10). Są one odpowiednie do instalacji we wnękach/zatokach rackowych, stosowanych w systemach awioniki itp. Wyróżniającą cechą tych złącz jest certyfikowana odporność na pracę na dużej wysokości - do 50 000 stóp (15,2 km), a także musi wytrzymać 500 godzin w mgle solnej, wibracje i wstrząsy (do 30 g) i wahania temperatury w zakresie od -65°C do 125°C. Złącza te muszą być używane w połączeniu z definicjami rozkładu pinów zawartymi w normie DoD-STD-1842.

Fotografia 10. Przykładowe złącze typu MIL-DTL-83527 firmy Smiths Interconnect

• MIL-DTL-83538 (dawniej MIL-C-83538) okrągłe złącza i ich akcesoria, które spełniają niezbędne wymagania dla połączenia interfejsu elektrycznego klasy I MIL-STD-1760 między magazynami i powiązanymi z nimi wyrzutniami za pomocą mechanizmu tzw. „ślepego łączenia” (fotografia 11). Zespół złącza składa się z gniazda zainstalowanego na wyrzutni, gniazda zainstalowanego w magazynie pocisku oraz złącza buforowego, zainstalowanej między nimi. Specyfikacja tych złącz obejmuje również wymagane adaptery montażowe i nakrętki, adapter akcesoriów, przepusty kablowy i osłony ochronne. Opisany tą normą zespół złącza zapewnia przesyłanie sygnałów elektrycznych i zasilania dla interfejsu MIL-STD-1760 klasy I między wyrzutnią zamontowaną na samolocie (lub w pojeździe naziemnym) a powiązanym magazynem uzbrojenia i/lub oporządzenia. To złącze jest unikalne dla wojska, ponieważ jest przeznaczone do użytku w wyrzutniach pocisków rakietowych, bombach, podwieszanych zasobnikach sprzętu elektronicznego itp. Rozkład pinów definiowany jest przez normę MIL-STD-1560.

Fotografia 11. Złącze MIL-DTL-83538 firmy Amphenol

Oprócz powyższych, istnieją specyfikacje dla złącz światłowodowych:

• MIL-C-83522 to rodzina złącz światłowodowych, która obejmuje zarówno złącza końcowe, jak i do przegród (panele, obudowy itp.) (fotografia 12). Oprócz samego formatu mechanicznego, norma specyfikuje także parametry niezawodności (zgodnie z MIL-STD-790), techniki statystycznej kontroli procesu (SPC) itp. Złącza te są przeznaczone do użytku w stałych lokalizacjach zakładów, awionice taktycznej, lotniczej i kosmicznej, na pokładach statków, pojazdach naziemnych i innych specjalistycznych zastosowaniach wojskowych.
• MIL-DTL-83526 (dawniej MIL-C-83526) to bezpłciowe, okrągłe złącza światłowodowe (fotografia 13). Norma opisuje graniczne parametry, dotyczące strat na złączu i inne parametry optyczne. Są to złącza do pracy z niskostratnymi światłowodami w naziemnych systemach transmisji danych.

Fotografia 13. Złącza zgodne z MIL-DTL-83526 firmy Radiall (pod marką Timbercon)

• Dodatkowo, norma MIL-PRF-29504 (dawniej MIL-T-29504) opisuje ogólne wymagania dotyczące rozłączalnych zaciskanych i epoksydowych końcówek światłowodowych do stosowania w złączach i podobnych komponentach. Te końcówki są unikalne dla zastosowań wojskowych i muszą działać poprawnie w wymagających warunkach w zakresie wibracji do 10 g, wstrząsów (ponad 1000 g) i wahań temperatury (w zakresie temperatury od -40°C do 70°C).

Wymagania mechaniczne

Powyższe normy obejmują szereg różnych mechanicznych aspektów złącz, takie jak kształt, mechanizmy łączenia rozmieszczenie pinów, a także parametry takie jak zakres temperatur pracy złącza itp. Część z nich specyfikuje także dodatkowe cechy, takie jak np. ślepe łączenie (blind mating). Jest to cecha złącz, która pozwala na trwałe mechaniczne połączenie obu części złącza bez kontroli wzrokowej - właśnie „na ślepo”. Złącza takie różnią się od innych tym, że nie mają sztywnego mechanicznego mechanizmu mocującego należącego do samego interfejsu, takiego jak np. gwint czy bagnet. Są one zwykle używane w złączach wielostykowych między szafami a panelami, kartami rozszerzeń do płyt bazowych itp. Złącza te nie są łączone samodzielnie, ale raczej przez włożenie całej jednostki lub modułu do urządzenia. Posiadają one często dodatkowe elementy mechaniczne, które nakierowują złącze w odpowiednie miejsce przy podłączaniu, umożliwiając podejście do podłączenia z nawet dosyć dużym przesunięciem/odchyleniem.

Szereg norm wojskowych opisuje wymagania, sposoby pomiaru/oceny itd. dotyczące poszczególnych parametrów. Tematyka ta stanowczo wykracza poza ten artykuł, jednakże sama metodyka testów nie jest krytyczna, dla doboru odpowiedniego elementu do konkretnego systemu. Główne parametry mechaniczne, o jakich mówi się w przypadku złącza to:

• gęstość upakowania, wyrażana na ogół przez raster pinów złącza,
• zakres temperatur pracy,
• odporność na wibracje,
• szczelność - pod względem cieczy, powietrza itd.,
• wytrzymałość mechaniczna (odporność na uderzenia),
• odporność chemiczna - na korozję, rozpuszczalniki organiczne itp.,
• sposób łączenia - skręcane, spinane, bagnetowe,
• siła, potrzebna do podłączenia i rozłączenia złącza.

Powyższa lista w żaden sposób nie jest zamknięta, gdyż złącza takie, jak stosowane w systemach wojskowych, spełniać muszą często bardzo ekstremalne i wyszukane potrzeby, zapewniając przy tym bezkompromisową niezawodność.

Wymagania elektryczne

W zakresie wymagań elektrycznych, jakie stawia się złączom wojskowym, nie odbiegają one od tych, stawianych cywilnym konektorom tego rodzaju. Głównymi aspektami są tutaj parametry, takie jak maksymalny prąd i napięcie, a także, w przypadku złącz sygnałowych i RF, maksymalna częstotliwość, czy impedancja falowa. Wszystko oczywiście uzależnione jest od konkretnej aplikacji złącza. Jak w przypadku innych złącz, dla złącz o zastosowaniu militarnym specyfikuje się:

• maksymalny prąd,
• maksymalne napięcie,
• zakres dopuszczalnych częstotliwości sygnałów,
• impedancja.

To, co wyróżnia złącza o zastosowaniu wojskowym, to zakres warunków środowiska, w których spełniają one te parametry.

Wyzwania przyszłości

Mimo sporego konserwatyzmu w rozwoju elektroniki wojskowej - wymaganie niezawodności sprawia, że na ogół korzysta się z sprawdzonych, starszych rozwiązań, rozwój i nowe trendy docierają także tutaj, w tym i do technologii i wymagań stawianych złączom. Siły zbrojne na całym świecie odczuwają potrzebę modernizacji swoich systemów. Według National Defense Magazine istnieje „luka innowacyjności”, która naraża współczesnego żołnierza na niebezpieczeństwo. Aby żołnierze mieli jak najlepsze szanse na przetrwanie na polu walki i wygrywania wojen, muszą nosić ze sobą szerokie wyposażenie, która obejmuje między innymi urządzenia komunikacyjne, broń, amunicję i baterie. Surowe środowisko ich pracy - rozrzedzone górskie powietrze itp. - sprawiają, że wyposażenie to musi być lżejsze.

Ten wymóg, w połączeniu z niskimi bądź wysokimi temperaturami, narażeniem na czynniki korozywne itd. sprawiają, że naukowcy muszą znaleźć nowe rodzaje złącz, które są odporne na czynniki środowiskowe, a jednocześnie są lżejsze, niż stosowane dotychczasowo.

Wiele programów Żołnierza Przyszłości, takich jak Nett Warrior Departamentu Obrony Stanów Zjednoczonych, indyjski F-Insas, włoski Soldato Futuro, polski Tytan, fiński Warrior itd, zostało utworzonych w celu rozwiązania tych właśnie problemów. Jedną z centralnych kwestii, na którą zwraca się uwagę w tych projektach jest rozmiar, waga i moc wdrażanych rozwiązań. Wymagania tym spowodowane przekładają się również na konektory.

Waga jest szczególnie istotną kwestią dla żołnierza, który zwykle nosi około 35…40 kg sprzętu. Kluczowym zadaniem jest zmniejszenie tej wagi o 25%. Biorąc pod uwagę, że każdy żołnierz nosi plecak, kamizelkę kuloodporną oraz broń i amunicję, to redukcja wagi o 10 kilogramów wymaga ponownego przemyślenia projektu i opakowania wielu rodzajów sprzętu elektronicznego i komunikacyjnego. Na przykład noktowizory, systemy celownicze, smartfony, GPS, komputery taktyczne i sprzęt komunikacyjny można zintegrować w bardzo funkcjonalny i niezawodny podsystem, wymagający szeregu kabli, wiązek przewodów i złączy. Cały ten sprzęt jest niezbędny, więc producenci muszą współpracować z partnerami w zakresie komponentów, aby znaleźć sposoby na redukcję wagi na każdym komponencie, aby osiągnąć założoną redukcję wagi.

Miniaturyzacja komponentów elektronicznych i łączności odgrywa kluczową rolę w osiągnięciu tego celu. Ważną rolę odgrywają tutaj złącza. Muszą być wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać brud i warunki atmosferyczne, ale powinny być również małe, lekkie i łatwe w użyciu w napiętych sytuacjach. Połączenia muszą być wykonane w ułamku sekundy i często muszą być wykonane w rękawiczkach, preferując konstrukcje złączy push-pull, które blokują się natychmiast, a nie wymagają przekręcania. Urządzenia komunikacyjne muszą działać przez 100% czasu, niezależnie od tego, czy są to radia do rozmów z dowódcami, czy urządzenia do sterowania dronami lub systemami uzbrojenia. Dlatego projektanci sprzętu wojskowego powinni rozważyć złącza całościowo z projektem urządzenia.

Szukając idealnego złącza do zastosowań wojskowych, należy wziąć pod uwagę kilka czynników, w tym wagę, rozmiar, funkcjonalność, szybkość przesyłania danych, stopień sterylizacji i wodoodporność.

Waga

Zachowanie lekkiej konstrukcji jest niezwykle ważne w przypadku urządzeń przenośnych. Niektóre złącza zapewniają oszczędność masy do 75% w porównaniu ze standardowymi złączami rdzeniowymi. Na przykład wytrzymałe złącze serii Fischer MiniMax (fotografia tytułowa) bez podłączonych kabli waży zaledwie 14 gramów, a jednocześnie zapewnia 20 połączeń sygnałowych i 4 złącza zasilania do urządzenia. Producent oferuje szeroką gamę złącz tej rodziny o różnej licznie pinów sygnałowych i zasilających.

Rozmiar

W ramach wysiłków mających na celu zmniejszenie ciężaru, jaki każdy żołnierz musi nosić, siły zbrojne i ich główni kontrahenci dążą również do zmniejszenia fizycznych rozmiarów komponentów. Wysoce funkcjonalne złącza i zespoły kabli można obecnie zmniejszyć o 45% w porównaniu ze starszymi rozwiązaniami w zakresie złączy, jednocześnie unikając zakłóceń między liniami sygnałowymi. Współczesne okrągłe złącza mają średnicę ok 10 lub 12 mm, a istnieją ich wersje w wykonaniu spełniającym typowe normy wojskowe, dotyczące zakresu temperatur itp. Taki rozmiar to istotna różnica, w porównaniu do dotychczasowo stosowanych złącz w sprzęcie militarnym. Mniejsze złącza, które zachowują standardy funkcjonalne, pozwalają projektantom zmniejszyć rozmiar systemów. Nawet milimetry mają znaczenie dla żołnierza w terenie.

Mimo to inżynierowie muszą uważać na zmniejszenie rozmiaru. Zbyt mały rozmiar może prowadzić do problemów z użytecznością. Wiele dostępnych na rynku złączy jest zbyt delikatnych, aby mogli ich używać żołnierze, którzy często znajdują się w krytycznych sytuacjach, a inne są po prostu zbyt małe, aby można je było obsługiwać w rękawiczkach.

Funkcjonalność

Wytrzymałość jest niezwykle ważnym czynnikiem wpływającym na funkcjonalność. Złącza używane w ekstremalnych warunkach powinny być w stanie wytrzymać obecność piasku, wody, chemikaliów i innych czynników środowiskowych. Muszą również wytrzymać użytkowanie przez długi czas, wielokrotne cykle łączenia itd. Ważne jest, aby dobrze używane złącza były w stanie wytrzymać moment obrotowy powyżej 4 Nm, a zespoły obtryskiwane z kablem/odgiętką powinny wytrzymać siłę ciągnącą (odrywającą) minimum 40 kg.

Zwiększenie gęstości pinów jest ważne, ponieważ pozwala pojedynczemu złączu wykonać zadanie dwóch, trzech lub większej ilości konektorów. Takie złącze może spełniać kilka funkcji - przesył zasilania, Ethernet, HDMI itp. - bez interferencji itp. Producenci poczynili ostatnio postępy w kierunku tworzenia złączy z dużą liczbą pinów, które działają optymalnie bez zakłóceń.

Złącza powinny być łatwe do łączenia lub rozłączania nawet w rękawiczkach i wystarczająco trwałe, aby funkcjonowały przez dużą liczbę cykli łączenia. Zapewnia to, że po dużej liczbie cykli łączenia parametry elektryczne czy odporność na czynniki środowiskowe są nadal takie sama.

Transfer Danych

Wraz z rosnącym zapotrzebowaniem zarówno na zasilanie, jak i bezpieczny transfer danych, systemy militarne wymagają szybkiego i bezzakłóceniowego przenoszenia danych. Na szybkość przesyłania danych ma wpływ m.in. złącze, wybrany kabel i sam montaż. Zapewnienie sobie wystarczającej ilości czasu na przetestowanie kombinacji złącza i kabla staje się ważniejsze niż kiedykolwiek, aby upewnić się, że uzyskana zostanie założona prędkość transmisji danych. W miarę jak złącza stają się coraz mniejsze, wybór kabli staje się coraz trudniejszy ze względu na ograniczenia dotyczące rozmiaru i montażu. Dostawcy złącz powinni być w stanie przedstawić certyfikaty osiągnięcia określonych prędkości transmisji danych i obsługiwania konkretnych protokołów, takich jak USB, Ethernet czy HDMI, a także zasugerować odpowiednie projekty kabli lub zapewnić w pełni zintegrowane rozwiązania.

Sterylizacja

W trudnych, ekstremalnych warunkach pola walki, kluczowe znaczenie ma uszczelnienie złączy, niezależnie od tego, czy są one podłączone, czy nie, w celu ochrony ich przed piaskiem, brudem, wodą i chemikaliami. Równie ważna jest jednak możliwość czyszczenia i często sterylizacji złącz (jest to krytyczne w przypadku zagrożenia bronią ABC: atomowa, bakteryjna, chemiczna) bez ich uszkodzenia. Wszystkie złącza można sterylizować, ale niekoniecznie prostymi metodami. Na przykład niektóre można prać, inne sterylizować promieniowaniem gamma, a jeszcze inne można umieścić w autoklawie. Jeśli wiadome jest, że złącze wymaga sterylizacji, należy upewnić się, że zdefiniowano, jaka dokładna metoda sterylizacji jest akceptowalna dla wybranego rozwiązania.

Klasa wodoodporności (IP)

Większość producentów złączy samodzielnie testuje swoje produkty. Oznacza to, że chociaż na złączu można na przykład umieścić klasę IP68, test zastosowany przez producenta w celu uzyskania takiej oceny może różnić się od testu przeprowadzonego przez innego producenta. Takie testy obejmują zanurzanie złącza w różnych poziomach wody na różne okresy czasu. Podczas badania złączy ważne jest, aby sprawdzić metody testowania, ponieważ klasa IP68 jednej marki mogła zostać uzyskana inaczej niż ocena innej marki. Złącza wojskowe powinny również mieć stopień ochrony IP68, zarówno w połączeniu, jak i w stanie rozłączonym, co zmniejsza potrzebę stosowania nasadek ochronnych.

Podsumowanie

Współczesne siły zbrojne nadal inwestują w najnowsze technologie i zwracają się do głównych wykonawców i gotowych dostawców o dostarczenie im nowych technologii. Firmy, które dostarczą mniejszy, lżejszy sprzęt, otrzymają dodatkowe możliwości udowodnienia, że ich urządzenia sprawdzą się na polu bitwy. Zwracanie uwagi na rozwiązania w zakresie połączeń i obserwowanie najnowszych trendów w miniaturyzacji wytrzymałych złączy pomoże firmom sprostać wymaganiom wojskowym i wejść na rynek.

Nikodem Czechowski, EP

Bibliografia:

1. www.everyspec.com/
2. www.mouser.com/
3. www.amphenol.com/
4. www.connectorworld.com.au/
5. Wim Vanheertum „Miniaturization” Fischer Connectors White Paper Edition 1.3