التطبيقات العسكرية والفضاءية تشمل أجهزة الطيران، والمركبات الجوية بدون طيار (UAVs) ، والطائرات، والرادارات، والأقمار الصناعية وتتطلب اتصالات أكثر صرامة بكثير والاتصالات بينها من المستهلك،طبية، والتطبيقات الصناعية. هذا النوع من وصلات الجيش / الطيران مطلوب لتحمل مختلف الإجهادات الكهربائية والميكانيكية والبيئية،ويجب أن تلبي دائما مؤشرات الأداء المسموح بها، في حين أن أداء الأجهزة التقليدية سيتم تقليصها أو حتى التلف في نفس الظروف.
أجهزة الاتصال المتبادلة عالية الموثوقية للتطبيقات العسكرية / الطيران ليست بأي حال من الأحوال مجرد واحد أو مجموعة من الاتصالات مغطاة في حجرة صلبة.يجب أن تعمل قوى الاتصال والمواد المتصلة كنظام متكامل لضمان أداء مرضي في الظروف المحددة.
تناقش هذه الورقة التحديات التي يواجهها المصممون في اختيار واستخدام أجهزة الترابط للتطبيقات العسكرية / الطيران.ثم يتم أخذ منتجات مولكس الثلاثة كمثال لشرح لماذا هذه الأجهزة تساعد على التغلب على هذه التحديات.
المتطلبات المتعلقة بالمتصلات الصلبة
الاتصالات الصلبة تلبي باستمرار المواصفات تحت الإجهادات الميكانيكية والبيئية والحرارية الشديدة. تختلف مصادر الإجهاد هذه من بيئة التشغيل ،ولكن هناك أيضا درجة كبيرة من التداخلعلى سبيل المثال:
يجب أن تكون الاتصالات في الأنظمة العسكرية القائمة على الأرض قادرة على تحمل الاهتزازات الشديدة والترسبات السميكة (الغبار والرمل والحصى) والحرارة والبرودة الشديدة.
يجب أن تكون الاتصالات البحرية والعميقة البحرية قادرة على تحمل التعرض لفترة طويلة لبيئات مياه البحر التآكلية وتحمل ضغوط سحق عالية.
يجب أن يكون رابط الطيران قادرًا على تحمل الإقلاع والهبوط المتكرر والاهتزازات من جهاز الطيران ، مع نطاق درجة حرارة واسع للغاية.
تواجه أجهزة الاتصال الفضائية تقلبات حرارية أكثر حدة، والتعرض للفراغ، والتهوية، والتوترات الميكانيكية القوية أثناء الإطلاق والعودة إلى الغلاف الجوي.
للوفاء بمواصفات هذه المتطلبات ، يجب فهم مجموعة متنوعة من العوامل الفيزيائية الأساسية ، بما في ذلك:
الاهتزاز: تم اختبار الموصلات في المركبات العسكرية أو المقاتلات لتحمل تسارع يصل إلى 20 غرام.
التأثير: هذا النوع من قوة التأثير العالية التي يتم إنشاؤها أثناء التسارع السريع أو التباطؤ يختلف عن الاهتزاز.تأثير يصل إلى 50 غراماً للواصلات القياسية وتأثير يصل إلى 100 غراماً للتصاميم النانوية والصغرىحتى المعايير المتخصصة لظروف الانفجار تغطي الاهتزازات الهيكلية عالية الحجم والوتيرة العالية والقصيرة الأجل الناجمة عن انفجارات الأجهزة المتفجرة.عادة ما تظهر في فصل مرحلة الصاروخ أو إطلاق الحمولة المفيدة للصواريخ.
درجات الحرارة القصوى: قد تواجه الأنظمة القائمة على الأرض تقلبات في درجة الحرارة من - 65 ° C إلى 125 ° C ، في حين أن الأنظمة الفضائية قد تواجه درجات حرارة تصل إلى 200 ° C.التناوب بين الحرارة والبرد يسبب توسع المادة وتقلصها، من الممكن أن يضعف المادة ويؤثر على الموصلات الكهربائية.الاختلافات في معامل التوسع الحراري (CTE) بين المواد المختلفة داخل رابط يمكن أن تخلق الإجهادات الميكانيكية في واجهة المادة، والتي يمكن أن تؤدي إلى عدم التنسيق أو الفشل على مدى فترات طويلة من الاستخدام.
التعرض للملوثات: من أجل ضمان التشغيل الموثوق به على المدى الطويل من المرفق، يجب اتخاذ تدابير مثل حلقة O-شكل، وتغليف الختم والسلك الوقائي الغلاف لمنع الرطوبة،الغبار والملوثات الأخرى.
التآكل: هذه مشكلة مستمرة ناتجة عن ضباب الملح والأكسدة.يجب أن تختار مواد الاتصال بشكل صحيح وتستخدم لمنع هذه الظروف الحتمية من تدمير سلامة الاتصال.
ما هي الموثوقية؟
بعبارات بسيطة، تعني الموثوقية على المدى الطويل القدرة على الحفاظ على أداء مستقر تحت الاستخدام المتكرر والتعرض البيئي والإجهاد الميكانيكي.هذه الأداء لا يعتمد فقط على الظروف التي تستخدم فيها المرفق لأول مرة، ولكن أيضًا على ما إذا كان يمكن أن يتحمل التزاوج المتكرر ويعمل بشكل صحيح. العديد من الموصلات ، وخاصة موصلات الإدخال / الإخراج ، تعاني من مئات أو حتى الآلاف من عمليات التزاوج.
تصميم صلب ناجح له جانبين مترابطان ارتباطا وثيقا: الاتصال نفسه والبيت (جسم) الاتصال الثابت (الشكل 1).
مادة الاتصال والهندسة والطلاء هي العوامل الرئيسية (انقر لتوسيع)
الشكل 1. مادة الاتصال والهندسة والطلاء هي مفتاح تصميم الموصول الصلب. مصدر الصورة: Molex)
تصميم سطح الاتصال أمر ضروري لضمان الحفاظ على قوة إدراج منخفضة مع تحقيق اتصال موثوق به.معالجة الدقة للهندسة الاتصالية تقلل من الغلاء في الاتصال وتمنع الطبقة المطلية بالذهب (Au) على سطح الاتصال من الأكسدةيبلغ سمك الصفائح الذهبية عادة 50 بوصة (μ in) ويتم تطبيقها على طبقة أساسية من النيكل (Ni) ، والتي تستخدم لتعزيز صلابة الصفائح وتعزيز مقاومة التآكل.
هذه الطلاءات تغطي مواد سبيكة النحاس (Cu) الأساسية للاتصال.وتطبيقات الفضاءيستخدم النحاس البريليوم (BeCu) على نطاق واسع كمادة أساسية بسبب قوته الممتازة لنسبة الوزن ومقاومته الممتازة للتعب.هذا السبائك مناسبة بشكل خاص للاتصالات من أعضاء الربيع حيث المرونة والمرونة بعد الإجهاد طويل الأمد لا غنى عنها.
البرونز الفوسفوري (CuSnP) هو بديل مناسب للاتصالات غير الربيعية ، مما يوفر توازنًا بين القوة والقابلية.هذه المادة مقاومة للتآكل ولديها خصائص ربيعية معتدلة ويتم استخدامها بشكل شائع في الموصلات المدمجة والطويلة التي تتطلب بعض المرونة ولكن لا تتطلب الانحناء المستمر.
يتطلب تصميم موصل صلب النظر بعناية في العديد من العوامل (الشكل 2):
الحفاظ على القوة الطبيعية هو المفتاح لضمان الموثوقية. مواد الربيع عالية الأداء تحافظ على ضغط الاتصال والمتانة.
قوة اتصال أفضل تقلل من فجوة الهواء وتقلل من المقاومة وتحسين سلامة الإشارة. توزيع الهندسة المثلى للضغط لضمان الموصلة المستقرة.
التواصل هو التداخل المحوري بين الدبوس والحاوية ، والذي يجمع بين القوة والاستمرارية والاستقرار الميكانيكي.
الحفاظ على القوى الطبيعية أمر بالغ الأهمية للموثوقية
الشكل 2: القوة الطبيعية المستمرة هي العامل الرئيسي لضمان الموثوقية (أعلى) ، في حين أن قوى الاتصال الأكبر تقلل من فجوة الهواء (أسفل) ، وبالتالي تقلل من المقاومة وتحسين سلامة الإشارة.مصدر الصورة(موليكس)
على المستوى المجهري، منطقة اتصال التزاوج ليست مجرد تناسب بسيط بين سطحين مسطحين ناعمين. على العكس من ذلك، حيث يتم تشكيل أو فصل الاتصالواجهة الاتصال لديها خشونة مجهرية، قمة السطح والشكل غير المنتظم. قوى اتصال أعلى تسطح هذه النتوءات الصغيرة، وتحسين الموصلات الكهربائية، والحد من مقاومة الاتصال وضمان أداء ثابت،لكن زيادة قوى الاتصال تؤثر أيضا على قوى الإدراج والسحب، زيادة ارتداء سطح الاتصال.
نظام الاتصال المصمم بشكل جيد يوازن بين طول الارتباط والقوة الطبيعية لمنع الاتصالات المترابطة والإرتداء المفرط والتوترات الميكانيكية.مقاومة الاتصال ستزداد والإشارة ستكون غير مستقرةوعلى العكس من ذلك، فإن قوى الاتصال المفرطة تسريع كشط الطلاء وتؤدي إلى التعب المبكر لهيكل الاتصال.
على عكس الاتصالات المتوفرة تجاريا مع اتصال واحد أو اثنين فقط ، تستخدم الاتصالات الصلبة نظام متعدد الاتصالات لتوزيع الأحمال الميكانيكية الناجمة عن الاهتزاز أو الصدمة (الشكل 3).هذه أنظمة الاتصال تمنع القوس أو فقدان الإشارة بسبب الركض وتوفر مسارات الاتصال الزائدة عن الحاجة للأنظمة الحيوية.
تصميم متعدد الاتصالات لتحسين الاستقرار وسلامة الإشارة
الشكل 3: تصميم متعدد الاتصالات لتحسين الاستقرار وسلامة الإشارة. مصدر الصورة: Molex)
يمكن أن يتضمن نظام الاتصال أيضًا عناصر الربيع للحفاظ على قوة اتصال ثابتة بمرور الوقت.تعويضات الاتصالات المحملة بالربيع عن التغييرات الصغيرة أثناء محاذاة الاتصالات مع ضمان الموصلات الموثوقة من خلال التوصيل المتكرر وإزالتهاومع ذلك ، يمكن للقوى المفرطة أن تسبب ارتداءً مفرطًا للطلاء اللاصق.
أكثر من الاتصالات: غطاء الاتصال والغطاء الوقائي
الأداء الأساسي لموصول صلب يبدأ مع الاتصال، ولكن بيت الموصول يخدم أكثر بكثير من الاتصال الكهربائي الذي يحيط الداخل:درجات الحرارة القصوى، وسائل الإعلام العدوانية، والرطوبة مع الحفاظ على توازن بين المتانة والوزن. على سبيل المثال، هناك مجموعة واسعة من مواد الحجرة المتاحة للمصمم:
المواد البوليمرية الحرارية مثل البولي إيثير-إيثير كيتون (PEEK) ، بوليفينيلين كبريتيد (PPS) ، وبولي إيثيريميد إيميد (PEI) توفر قوة ميكانيكية ممتازة، مقاومة للحرارة،و الاستقرار الكيميائيهذه المواد تمتص بشكل فعال الاهتزازات والصدمات من الهياكل الخفيفة الوزن.
المواد المركبة مثل البوليمرات المعززة بالألياف الزجاجية ومكونات الألياف الكربونية لها نسب قوة/وزن ممتازة.بما في ذلك قوة السحبالمقاومة للصدمات أو الاستقرار الحراري
الفولاذ المقاوم للصدأ والسبائك الألومنيوم هي المواد المفضلة لهياكل الاتصالات بسبب الاصطدام العالي والاهتزاز العاليوتداخلات كهرومغناطيسية قوية (EMI) في التطبيقات الفضائية والدفاعية.
توفر غرف الاتصالات من الفولاذ المقاوم للصدأ مقاومة تآكل ممتازة وقوة ميكانيكية، مما يجعلها مثالية للتطبيقات البحرية والصناعية والفضاءيةأو ضباب الملحلا تقدم سبائك الألومنيوم فقط حماية قوية من EMI ، ولكن أيضا خفيفة الوزن وسهولة المعالجة ، مما يجعلها المواد المفضلة لهياكل الاتصال في المركبات العسكرية ، والطائرات ،وتطبيقات الفضاء.
تستخدم بعض الاتصالات القوية أنظمة القفل المسطحة التي توفر الاستقرار والتزاوج الآمن مع تقليل الأبعاد الكلية. على سبيل المثال ،قفل الربيع أو جهاز الاحتفاظ يوفر كل من الموثوقية الميكانيكية وسهولة تشغيل المرفق في ظل ظروف المعركة.