EMI-árnyékolás: a tökéletes védelmi mechanizmus a katonai drónok számára
A folyamatban lévő globális konfliktusok és a növekvő nemzetközi feszültség miatt a drónok és pilóta nélküli légi járművek (UAV) a katonai arzenálok korszerű, nagy keresletnek örvendő eszközévé válnak. Vannak köztük olyanok, amelyek robbanóanyagot vagy robbanófejeket hordoznak, és amelyeket gyakran támadások során használnak fel. Mások a pilóta nélküli harci repülőgépek (UCAV) kategóriájába tartoznak, és hírszerzési, megfigyelési, célpontgyűjtési és felderítési (ISTAR), valamint logisztikai támogató feladatokban vesznek részt.
A modern harcászatban a drónok üzemeltetésének előnyei közé tartozik a katonák biztonsága, a valós idejű felügyelet, a megnövelt hatótávolság, a rakomány flexibilitása, valamint az alacsonyabb üzemeltetési és kiképzési összköltség. A drónok kritikus gyengesége azonban – akár természetes, akár az elektronikus hadviselés részét képezi – mindezen alkalmazásokban az elektromágneses interferenciával (EMI) szembeni sebezhetőség.
A drónok működése során a nemkívánatos elektromágneses jelek által okozott interferencia potenciális működési zavarokat, az irányítás elvesztését és akár lezuhanást is eredményezhet. E potenciálisan katasztrofális kimenetel elkerülése érdekében az optimális EMI-árnyékolási megoldásokat kell választani és alkalmazni. Az elektromágneses interferencia (EMI) elleni árnyékoló termékek olyan anyagok az elektronikai alkatrészek számára, amelyek védelmet nyújtanak az eszközből származó jelek nem szándékos terjedése ellen, ugyanakkor megvédik azt a nem kívánt jelektől is, amelyek zavarják a pontosan hangolt belső elektronikát.
A nemkívánatos EMI-jelek a drón esetleges meghibásodásához, az irányítás elvesztéséhez és lezuhanáshoz vezethetnek
Fontos megjegyezni, hogy a védelmi és katonai műveletekben használt drónok elektronikus tartósságára és a drónokra vonatkozó követelmények jelentősen eltérnek a kereskedelmi vagy polgári drónokra vonatkozó követelményektől. A védelmi ipar drónjainak gyakran órákig vagy napokig kell repülniük, miközben nehéz és drága hasznos terhet hordoznak. A katonai felhasználók ezenfelül azt igénylik, hogy drónjaik évekig minimális karbantartás mellett vagy karbantartás nélkül működjenek. Az EMI-árnyékolási technológiák támogatják a küldetéskritikus megbízhatóságot még nagy igénybevételt jelentő működési környezetekben is, mint pl. szélsőséges páratartalom, hőmérséklet vagy sóköd.
A Chomerics A Chomerics a Parker Hannifin Corporation egyik részlege, amely |
||
Szisztematikus megközelítés
A katonai drónokon és pilóta nélküli légi járműveken található kifinomult elektronikus rendszerek széles spektrumának védelméhez hatékony EMI-árnyékolásra van szükség, amelyek többnyire az önállósághoz, képalkotáshoz, fegyverzethez vagy kommunikációs funkciókhoz kapcsolódnak. A LIDAR, radar, lézer és ultrahangos érzékelők támogatják az ütközések elkerülését és a precíziós helymeghatározást, ha helymeghatározó/GPS-érzékelőkkel és stabilizáló/orientációs modulokkal társítják őket. A fejlett repülési analitika, például a repülésiidő-érzékelők részletesen tájékoztatják a kezelőket arról, hogy a drón hogyan teljesít adott környezeti feltételek között, és segíthetnek a jövőbeli küldetések fejlesztésében. További érzékelőket – például kémiai, hő- vagy hiperspektrális érzékelőket – is alkalmazhatnak, ha a drónnak különleges feladatokat kell ellátnia.
EMI-árnyékolásra van szükség a drónokon a kifinomult elektronikus rendszerek védelme érdekében
A drónok óriási mennyiségű adatot dolgoznak fel, ezért magas szintű EMI-árnyékolásra van szükségük az RF- (rádiófrekvenciás) zavarás, a csatornatorzítás, a lehallgatás és a kiberfenyegetések megelőzése érdekében. Az EMI lehet nem szándékos is, például belső elektronikus alkatrészek interferenciája vagy más elektronikus eszközök, nagy feszültségű távvezetékek, távközlési oszlopok vagy nagy méretű antennák külső elektromágneses sugárzása következtében.
És van még egy kihívás. Sok modern drónt könnyű anyagokból, például műanyagból és kompozitokból készítenek, hogy súlyt takarítsanak meg, továbbá növeljék a hasznos teherbírást és az önállóságot. Nem vezető elektromos tulajdonságaik miatt ezeket az anyagokat elektromágnesesen transzparensnek tekintik. Ez a tulajdonság megkönnyíti az elektromágneses sugárzás (EMR) számára a géptörzsbe való behatolást és az elektronikus alkatrészek megzavarását.
Védőpajzs
A modern dróntechnológia szigorú követelményeinek való megfelelés érdekében számos különböző EMI-árnyékolási megoldás áll rendelkezésre. Ezek az elektromosan vezető termékek eszköz- vagy alkatrészszintű védelmet nyújtanak a nem kívánt elektromágneses sugárzással szemben, a zavartalan működés fenntartása érdekében.
Az egyik legelterjedtebb megoldást a rendszerszintű EMI-árnyékolásra az elasztomer vezető tömítések jelentik. Ezek a termékek olyan alappolimert tartalmaznak, mint a szilikon, fluorszilikon vagy EPDM, amely az anyag rugalmasságát és szerkezetét biztosítja. Az ezüstözött alumínium, nikkelezett alumínium, ezüstözött réz vagy nikkelezett grafit részecskékből álló vezető töltőanyag biztosítja a tömítés elektromos vezető és árnyékoló tulajdonságait. Az anyag lehet extrudált tömítés, amely egy horonyba illeszkedik, vagy formázott lapos lemez, amelyből bonyolult alakzatokat lehet kivágni. Az elasztomer vezető tömítések előnye, hogy egyszerre szolgálnak elektromágneses árnyékolásként és a környezettel szembeni zárként, miközben környezeti lehatárolást, illetve rendszerszintű megoldást nyújtanak az EMI-árnyékolásra.
Az elasztomer vezető tömítések kivitelezhetők úgy, hogy horonyba illeszkedjenek, vagy lap alakúak legyenek a vágáshoz
A kábelek és a hozzájuk tartozó csatlakozók számára szintén szükséges az elektromágneses árnyékolás. Itt a vezető poliolefincsövek használata bizonyul rendkívül előnyösnek. A hővel méretre zsugorított csövek és a vezetékek végét védő pipák és hüvelyek ezüsttel vagy réz bevonatú ezüstrészecskékkel töltött rugalmas bevonatok révén válnak vezetőképessé. Ezek a megoldások jellemzően 40–65%-os súlycsökkentést kínálnak a hagyományos fonott kábelárnyékoláshoz vagy árnyékolt kábeltekercseléshez képest. Lehetséges a sérülékeny területeket, például a csatlakozókat vagy a vezetéknyúlványokat cső rázsugorításával is védeni. Az EMI-árnyékolás biztosítása mellett a vezetőképes zsugorcsövek hatékony védelmet nyújtanak a por és a nedvesség/páratartalom ellen.
A kis méretű alkatrészek EMI-árnyékolásához az alkalmazásspecifikusan fröccsöntött, vezetőképes, hőre lágyuló műanyagok optimális megoldást jelentenek, nem csupán hatékony EMI-árnyékolási jellemzőik, hanem az akár 70%-os súlycsökkentés miatt is. Egyes korszerű vezetőképes műanyagok olyan speciális eljárással készülnek, amely során minden műanyag granulátumszemcse belsejébe nikkel bevonatú szénszálat helyeznek, így biztosítva a vezetőképes töltőanyag homogén és tökéletes eloszlását a kiformázott alkatrészben. Az ezekben a vezető műanyagokban található alapanyagok tulajdonságai lehetővé teszik mind az EMI-árnyékolást, mind az RF-abszorpciót, így ideálisak a burkolatszintű házként vagy kártyaszintű árnyékolóként való használatra.
A töltőanyag egyenletessége szempontjából ezek az anyagok felülmúlják a több pelletből álló száraz keverékeket, és gyakorlatilag tönkre nem tehető árnyékoló mechanizmust biztosítanak. Még ha a vezetőképes, hőre lágyuló műanyag meg is karcolódik, vagy letörik belőle egy darab, az anyag megőrzi rádiófrekvenciás elnyelő és EMI-árnyékoló tulajdonságait. A vezetőképes műanyagokkal való munkavégzéssel kapcsolatos fő problémát a szerszámgyártás és az előkészítés magas költségei jelentik. Ezeket azonban könnyen ellensúlyozza az, hogy kevesebb másodlagos gyártási folyamatra van szükség, valamint az olyan hardverekkel való integráció, mint a rögzítőelemek és más szerelési alkatrészek.
A Parker Hannifin
A Parker Hannifin a rangos Fortune 250 listában szereplő, a mozgató- és vezérlőrendszerek terén globális szinten piacvezetőnek minősülő cég. A vállalat már több mint 100 éve jár élen a jobb jövőhöz vezető innovatív mérnöki megoldások kidolgozásában. További információ a www.parker.com weboldalon vagy a @parkerhannifin címen áll rendelkezésre. |
||
Drónhab
Újabb lehetséges anyag a vezetőképes hab. Az uretán- vagy szilikonhabok ideálisak EMI-árnyékolásra és földelésre olyan alkalmazási területeken, ahol nincs szükség időjárás elleni védelemre, vagy ahol az alkatrészek védve vannak a környezeti tényezőktől. A habok könnyűek, sűrűségük alacsony, és könnyen összenyomhatók a szereléshez. Jellemzően kétféle formában készülnek: szövettel burkolt hab („fabric-over-foam”) vagy alacsony sűrűségű habba ágyazott, ezüstözött szálakat tartalmazó változatokban.
A vezetőképes habok jellemzően alacsony költségűek, és jó védelmet nyújtanak a porral szemben. A gyakran lapokban vagy tekercsekben gyártott, további feldolgozásra szánt vezetőképes habok szabványos vastagságban kaphatók, és csíkokra is vághatók. A szövettel burkolt habprofilok több száz szabványos változatban készülnek, és egyedi igények alapján is gyárthatók. Az egyedi alkatrészek szerszámozása viszonylag olcsó, és a szállítási határidő is rövid.
Egy további lehetőséget jelentenek az alkalmazási helyhez idomuló tömítések. Ezek a könnyű elasztomer tömítések, amelyeket robottal visznek fel az elektronika házára könnyen adagolható anyagból készülnek, és a boltban kapható tömítőanyagokhoz hasonló kiszerelésben forgalmazzák őket, így nagyon kis méretre, akár bonyolult geometriai alakokra is adagolhatók. Az alkalmazási helyhez idomuló tömítés használatával akár 60%-os hely- és súlymegtakarítás érhető el a drónházaknál, mivel a karimák nagyon keskenyek lehetnek (kevesebb mint 1 mm), és mégis tartalmaznak EMI-árnyékoló tömítést. A nedvességre keményedő, ezüst bevonatú, alumíniummal töltött szilikon, amely magas korrózióállósággal rendelkezik, jó példa az ilyen anyagokra. Az alkalmazási helyhez idomuló tömítés nem igényli horony kialakítását.
Mindenre odafigyelni
Mivel a drónok tervezőinek többsége súlyt szeretne megtakarítani, gyakran esik a választásuk a technológiai műanyagokra és a kompozitokra. Ilyen esetekben jó választásnak bizonyulnak a nagy méretű kompozit alkatrészek EMI-hatásoktól való árnyékolására szolgáló vezető bevonatok/festékek. Számos elektromosan vezető töltőanyag- és kötőanyag-konfiguráció áll rendelkezésre, köztük réz töltőanyagot tartalmazó uretánbevonat-rendszerek, amelyek speciális adalékokat és stabilizátorokat tartalmaznak az elektromos stabilitás magas hőmérsékleten való megőrzése érdekében is. Kromátmentes festéket előszeretettel alkalmaznak kompozitszerkezetekhez.
A vezető bevonatok különböző töltőanyag- és kötőanyag-konfigurációkban készülnek
A dróntervezők emellett az elektromosan vezető ragasztók és tömítőanyagok előnyeit is kihasználhatják. Ezek az anyagok kitöltik a fém vagy kompozit vázelemek közötti hézagokat, és kizárják az elektromágneses hullámokat.
A jó elektromos vezetőképesség amiatt is nagyon fontos, hogy villámcsapás esetén elektromos útvonalat biztosítson. Az elektromosan vezető ragasztók és tömítőanyagok alkalmazása csökkentheti a csavarok vagy más kötőelemek szükségességét, ami egyszerűsíti az összeszerelést, és súlycsökkentést eredményez.
A kívánatos szint elérése
A minőségi szabványoknak való megfelelés elengedhetetlen ahhoz, hogy az EMI-árnyékoló termékek biztosítsák a katonai drónok működésének megbízhatóságát. A katonai EMI-árnyékolási alkalmazások legelterjedtebb minőségi szabványa a MIL STD 461, amely a lehallgatással, zavarással és kiberfenyegetésekkel szemben védettséget biztosít. Emellett a DO-160G szabványt is alkalmazzák. Az RTCA (Repülésügyi Rádiótechnikai Bizottság) által kiadott szabvány környezeti feltételeket és vizsgálati eljárásokat ír elő a légi járművek számára.
A dróntervezők számára az EMI-árnyékolás mellett a másik nagy kihívást a túlmelegedés jelenti, amelyet jellemzően az elektronika nagy feldolgozási terhelése és a nagy teljesítményű rotorok okoznak. Megfelelően specifikált hőszigetelő anyagok szükségesek tehát ahhoz, hogy a drón hatékonyan, túlmelegedés nélkül működjön.
Növekedési potenciál
A jövőt illetően a globális katonaidrón-piac jelentős bővüléssel számol. A Fortune Business Insights szerint a piac az előrejelzések szerint a 2023-as 14,14 milliárd dollárról 2030-ra 35,60 milliárd dollárra nő, ami lenyűgöző, 14,10%-os átlagos éves növekedési ütemnek (CAGR) felel meg.
Ezért a Parker Chomerics folyamatosan együttműködik a drón/UAV gyártókkal (OEM), hogy a mostani és a következő generációs termékekkel kapcsolatos igényeiknek megfelelő termékeket fejlesszenek ki. A vállalat már vizsgálja az új elasztomer EMI-árnyékolási megoldásokat, mint például az egyedi, alkalmazási helyhez idomuló anyagokat és az RF-elnyelő termékeket. A Parker Chomerics minden új megoldásához támogató információkat is biztosít, például nagy frekvenciás árnyékolási adatokat 115 GHz-ig, valamint környezeti megbízhatósági adatokat.
Az anyagtudomány, a folyamattechnológia, a gyártás és az ellátási lánc kezelése a Parker Chomerics alapvető kompetenciája, amely több évtizedes iparági tapasztalatán alapuló sztenderd és egyedi EMI-árnyékolási megoldásokat kínál. A Parker Chomerics globális vállalatként világszerte működő alkalmazásokat szolgál ki, mérnöki támogatása pedig Észak-Amerikában, Európában és Ázsiában működik, és termékeit is itt állítja elő.
Szerző: Rachid Ait El Cadi – folyamatalkalmazási mérnök, Parker Hannifin Chomerics Division