耐高温高强度系留电缆的设计与改进

黄代忠, 马红杰*, 刘新刚

(1.珠海格力电工有限公司, 珠海 519110; 2.浙江万马传输技术有限公司, 杭州 311300)

0 引 言

随着科技的不断发展,无人机和低空飞行器在各个领域的需求与日俱增。常规的系留式无人机使用特殊的定制型线缆——系留电缆,用以供应能量和传输信号。系留电缆的长度和结构会影响无人机飞行的高度以及飞行的时长。在直流供电情况下,无人机飞行高度越高,意味着线缆长度越长,电缆发热功率越大,线缆整体的质量也越大。

常规的系留电缆一般由传输电能的导线和传输信号的光纤组成[1-4]:导线的导体材料一般为镀锡铜线,绝缘材料一般为聚乙烯(PE);光纤为普通单模光纤;护套为热塑性聚氨酯弹性体(TPU)材质。成型方式一般为挤出,由于受材料自身的限制,系留电缆耐温等级不超过80 ℃,有效距离较短,若长时间使用,其发热功率较大,将影响无人机的飞行高度和使用时长。

当无人机从静态到动态升空时,对系留电缆的瞬时拖曳力非常大,传统的系留电缆材料和结构已经远远不能满足现代无人机的使用需要。

为满足实际使用需求,对系留电缆进行系统性研究,参考实际使用过程中的部分数据,综合考虑了结构和材料对系留电缆性能的影响,通过对现有产品开展分析和改进,实现了产品质量轻、体积小,抗拉特性以及耐高温性能提升的目标[5-6]。

1 系留电缆的材料和结构

1.1 改进前系留电缆的结构和材料

改进前的系留电缆结构见图1,改进前系留电缆各层结构所使用的材料见表1。

图1 改进前的系留电缆结构图

表1 改进前系留电缆的各层结构材料

1.2 现有系留电缆的弊端及改进要求

由于无人机技术的革新需要,现有系留电缆存在耐温低,抗拉强度不能满足要求,以及耐压特性不够优异等弊端。系留电缆的耐电压特性和耐温特性是量化无人机稳定工作时长的重要依据。系留电缆的抗拉性能是保证其在持续受到外力作用下信号稳定传输的重要特性,此外力主要来源于两个方面:①无人机由静态变成动态升空的瞬间,在连接器或者光纤与连接器的连接处会产生一个非常大的瞬间拖曳力;②在长期使用过程中,由于环境变化、风阻、系留电缆自重和摇摆的影响,拉力会一直作用在系留电缆上。

无人机工业的快速发展,要求所使用的系留电缆在保证原有性能不降低的情形下,体积更小,质量更轻。

系留电缆性能改进的量化指标见表2。

表2 改进前系留电缆性能的量化指标

2 改进方案

根据技术要求以及客户实际使用的需要,本工作从系留电缆材料、制备工艺及结构等3个方面进行改进。

2.1 选取材料

2.1.1 光单元

选用G657D弯曲不敏感光纤,采用聚酰亚胺(PI)树脂作为光纤的涂覆层,能够保证光纤在260 ℃以下长期使用,综合考虑体积小、质量轻的要求,使用聚四氟乙烯(PTFE)生料带作为光纤的紧包层[7]。该材料具备以下两方面的优势:①可隔离电单元产生的热量;②PTFE生料带质软,系留电缆在空中摆动或收卷时可作为机械压力缓冲层,以保证光纤传输信号的稳定性。

紧包光纤外层辅以螺旋扁钢带铠装,主要作用如下:①提高光单元的抗挤压性能,保证光纤不因挤压而变形;②提高光单元与连接器连接处的抗拉强度,确保在实际使用过程中,瞬间拖曳下以及长期悬浮空中时,光纤不会因受力而发生微弯和拉伸,从而保证信号传输的可靠性。

2.1.2 电单元

借鉴美国轻型航空航天电缆标准SAE AS 22759-82B的设计理念。在保证产品性能的情况下,可以有效减小系留电缆的质量和体积。导体材料选用镀镍退火高强度合金导体,使用束丝绞合方式,保证系留电缆的弯曲性能。绝缘采用复合式绝缘结构,第一层绝缘使用高性能聚四氟乙烯/聚酰亚胺/聚四氟乙烯复合膜(PTFE/PI/PTFE)的复合绝缘带,第二层使用PTFE生料带。

2.1.3 机械辅助填充层

为降低使用过程中拉扯以及自身重力对系留电缆的影响,机械辅助填充层使用高密度芳纶进行填充并包覆于光单元附件,辅助加强系留电缆的整体抗拉特性。

2.1.4 铠装层

经过计算和分析,铠装层的质量占系留电缆总质量的30%,为提升减重效果,在保证屏蔽以及铠装保护性能的情况下,使用镀镍铜箔丝(镀镍铜扁带和耐高温芳纶组成)作为铠装层材料。采用镀镍铜箔丝制备的铠装层,不仅能够达到性能要求,还能更为迅速地散发系留电缆产生的热量,提升系留电缆的耐温特性。

2.1.5 外护层

通过经验分析,采用PTFE切削膜作为系留电缆的外护层材料。改进后的系留电缆各组成部分所用材料见表3。

表3 改进后产品的各层结构材料

2.2 制备工艺

由于系留电缆材料的改变,制备工艺也需要进一步变更。光纤紧套层制备、电单元绝缘层制备,以及系留电缆整体外护层的制备均由原来的挤出型变更为绕包型,同时在光单元中增加了不锈钢带铠装工艺,均采用机械化一次成型工艺。另外,为确保光纤衰减参数,减少加工过程中对光单元传输性能的影响,编织工艺由原来的高速编织改变为跑马型编织。

2.3 改进后系留电缆的结构

综合考虑工艺以及材料对系留电缆的影响,改进后系留电缆的设计结构见图2。

图2 改进后的系留电缆结构示意图

3 产品性能的验证及对比

根据整体要求设计系留电缆,电单元导体横截面积选用0.5 mm2,通过设计运算及工艺验证,选取了最优设计方案,改进后制备的系留电缆与改进前的系留电缆性能对比见表4。

表4 改进前后系留电缆性能对比

从表4结果可知,改进后系留电缆的各项参数性能指标有了大幅度提升,各项性能参数均满足并优于表2中的量化指标。

4 结束语

根据实际使用以及客户需要,本工作从材料、结构和工艺等3个方面对目前使用的系留电缆进行了改进,该系留电缆样品通过了客户的验收,该产品进入批量供货阶段,所制备的系留电缆已实际使用近半年,目前运行状况良好,各种性能均稳定。