UAV’er (droner) er blevet et vigtigt værktøj i det militære arsenal som følge af den ret uheldige globale udvikling. Hvad enten dronerne er angrebsvåben eller indsamler oplysninger i ISTAR (Intelligence, Surveillance, Target Acquisition and Reconnaissance) og logistiske missioner, så skal droner beskyttes mod interferens og ikke udsende støj, der gør dronen let at opdage
Artiklen har været bragt i Aktuel Elektronik nr. 12 – 2024 og kan læses herunder uden illustrationer
(læs originaludgaven her)
Af Rachid Ait El Cadi, procesapplikationsingeniør, Parker Hannifin, Chomerics Division
Blandt de fordele, som droner kan give i moderne krigsførelse, er en større sikkerhed for soldater i felten real-time overvågning, et længere blik ind over fjendens linjer samt lave drifts- og træningsomkostninger sammenlignet med bemandede fly. En kritisk svaghed for droner til militære formål er dog følsomheden over for elektromagnetisk støj – hvad enten den er naturlig eller skyldes modforholdsregler fra en fjende.
Støjsignaler kan give droner potentielle fejlfunktioner, tab af kontrol og endog styrt. For at undgå disse potentielt katastrofale udfald er det nødvendigt at give dronerne en optimal skærmning mod støj. EMC-skærmende produkter er materialer og komponenter, der beskytter mod utilsigtet udbredelse af signaler, som i modsat fald ville kunne forstyrre dronens ellers fintunede interne elektronik.
Det er vigtigt at notere sig, at kravene til elektronisk robusthed i droner til forsvarsformål adskiller sig betragteligt fra kravene til kommercielle- eller forbrugerdroner. Droner til forsvarsformål skal ofte flyve i timer eller dage og endda bære tunge og/eller dyre payloads. Desuden skal kamptropper i felten kunne stole på, at deres droner fungerer i årevis med minimalt eller intet vedligehold. EMC-skærmningen supporterer den missionskritiske pålidelighed – også i krævende miljøer med ekstrem fugtighed, salttåge og meget høje eller lave temperaturer.
Systemtilgang
Effektiv EMC-skærmning er nødvendig for at beskytte et stort udbudt spektrum af avancerede elektroniske systemer i droner og UAV’er, mest i forhold til autonom, våbenførende og kommunikativ brug. Funktioner som LiDAR, radar, laser og ultralyd anvender sensorer, som forhindrer kollisioner og giver en præcis position parret med eksempelvis GPS-sensorer og stabiliseringsmoduler. Avancerede dronestyringer som time-of-flight sensorer giver operatørerne et detaljeret indblik i, hvordan en drone opfører sig relativt til omgivelserne og hjælper til at gøre missionen mere præcis. Øvrige sensorer som kemiske-, termiske- eller hyperspektrale- kan også bruges i droner med specifikke opgaver.
Droner opfanger utrolige mængder af data, så EMC-skærmning er nødvendig for at undgå RF-jamming, kanalforstyrrelser, intercepts og cyber-trusler. Støj kan også optræde utilsigtet som intern crosstalk mellem komponenterne, eller ekstern støjindstråling fra andre komponenter, højspændingsledninger telecom-master eller større antenner.
Og der er mere … mange moderne droner er udført i letvægtsmaterialer som plast og komposit for at spare vægt og øge den mulige payload. På grund af disse ikke-ledende egenskaber er elektronikken særdeles transparent i elektromagnetisk forstand. Det er derfor let for EMR (ElektroMagnetisk Radiation) at trænge igennem skroget til en drone og forstyrre de elektroniske komponenter.
Beskyttelsesskærm
For at opfylde moderne droners meget høje sikkerhedskrav kan man vælge flere slags støjskærmninger. Disse elektrisk ledende produkter giver beskyttelse på enten komponent- eller apparatniveau og sikrer kontinuert funktion upåvirket af elektromagnetisk støj udefra.
En almindelig støjløsning på systemniveau er ledende elastomerpakninger. Det er typisk en silikone, fluorsilikone eller EPDM, der giver fleksibilitet og struktur. En ledende filler i form af forsølvede- eller forniklede aluminiumspartikler, forsølvede kobber- eller forniklede grafitpartikler giver de elektrisk ledende og dermed skærmende egenskaber.
Materialet kan have form af en ekstruderet pakning placeret i en notgang eller en støbt flad pakning, der kan stanses eller laserskæres i form. Elastomerpakninger er både elektrisk og mekanisk skærmende, så man opnår en god kapsling sammen med støjskærmningen.
Kabler og konnektorer kræver også støjskærmning, og det kan være ledende polyolefinrør. Denne type af krympeflex og termineringsærmer opretholder deres fleksibilitet med en filler af sølv- eller kobberdækkede partikler efter montage. Løsningerne giver desuden vægtreduktioner på op mod 40 og 65 procent sammenlignet med typiske metalstrømper eller skærmende yderledere.
Man kan også bruge krympeflexløsningen rundt om følsomme områder som konnektorer eller ledninger. Ud over støjskærmen er krympeflexen også en effektiv barriere mod støv og fugt.
Til støjskærmning af små komponenter kan man bruge applikationspecifik injektionsstøbt ledende termoplast, som ikke kun giver en effektiv støjbeskyttelse, men også op til 70 procents vægtreduktion. Visse avancerede ledende plasttyper har indbyggede nikkelpletterede kulfibre i kernen af hver plastperle for at sikre en homogen og perfekt distribueret metalfiller i de støbte emner. Egenskaberne i råmaterialerne gør både støjskærmning og RF-absorption mulig, og det er dermed en god forsegling både i kapslinger og på printniveau.
Med hensyn til konsistens er de nævnte materialer overlegne i forhold til tørre blandinger, og de giver en effektiv støjskærm, der er svær at ødelægge. Selv hvis en ledende termoplast bliver ridset eller flosset, vil materialet opretholde sine RF-absorptions- og støjskærmningsegenskaber. Udfordringerne ved arbejde med ledende plastmaterialer ligger primært i værktøjerne og de umiddelbare produktionsomkostninger. Men udgifterne afvejes ofte mod det reducerede behov for sekundære produktionsprocesser og gennem integrationen med hardware som kabinetlukninger og andre montagekomponenter.
”Droneskum”
Endnu en materialemulighed er ledende skum. Uretan eller silikoneskum er ideelle til støjskærmning og jording i applikationer, hvor komponenterne i sig selv er beskyttede mod omgivelserne. Skum er letvægts, lavtætte løsninger, der er lette at komprimere til montageformål. De har typisk to former, enten med væv over skummet (kendt som fabric-over-foam) eller som varianter med sølvpletterede fibre embedded i det lavtætte skummateriale.
Ledende skum er typisk billig og giver en god forsegling mod støv. Skum leveres som regel i ark eller ruller for yderligere behandling i forskellige tykkelser, der også kan opskæres i strips. Fabric-over-foam profiler findes i hundredvis af standardprofiler og kan også fremstilles til kundespecifikke krav. Værktøj til skumkomponenter er relativt billigt og kan leveres med korte lead-times.
En yderligere mulighed er form-in-place pakninger (FIP). De består af et dispensérbart materiale, som med robotter pålægger elektronikkens kapsling, og disse letvægts elastomerpakninger kommer i ampuller (som forseglingsmateriale) klar til dispensering ned til endog meget små tværsnit og på komplekse geometrier. Brug af form-in-place gaskets sparer op til 60 procent plads og vægt i droner, da flanger i samlingerne kan gøres meget små (mindre end 1mm) og fortsat indeholde nok støjskærmning. En fugthærdet, forsølvet og aluminiumsfyldt silikone med høj korrosionsmodstand er et godt eksempel på en materialekonstruktion. Der er ikke behov for en rille, når man bruger form-in-place pakninger.
Dækker alle baser
Da mange dronedesignere forsøger at spare vægt, er designede plastdele og kompositter almindelige materialevalg. I de tilfælde kan ledende coatings/malinger til skærmning af store kompositdele mod støj være en god mulighed. Der findes en række elektrisk ledende fillers og binderkonfigurationer inklusive kobberfyldte uretan coating-systemer med specielle additiver og stabilisatorer, der sikrer den elektriske stabilitet ved højere temperaturer. Kromatfri malinger er populære valg i kompositstrukturer.
Dronedesignere kan også med fordel bruge elektrisk ledende klæbere og forseglinger. Disse materialer fylder huller mellem metal- eller kompositkomponenter for at eliminere ind- eller udstrålet elektromagnetisk emission.
God elektrisk ledeevne er også stærkt ønsket for at give en sikker elektrisk sti i tilfælde af et lynnedslag. Brugen af elektrisk ledende klæbere og forseglinger kan reducere kravene om skruer eller andre befæstninger, hvilket forenkler montagen og sparer vægt.
Standarder og vækstmuligheder
For at sikre at støjskærmende produkter giver den nødvendige pålidelighed i militære droner, skal de overholde de aktuelle kvalitetsstandarder. Den mest almindelige kvalitetsstandard for militær støjskærmning er MIL STD 461, som giver modstandsdygtighed over for overtagelse, jamming og andre cybertrusler. DO-160G-standarden er også relevant i forhold til RTCA (Radio Technical Commission for Aeronautics), da denne standard definerer de miljømæssige forhold og testprocedurer for luftbårent udstyr.
Ud over støjskærmning er en udfordring i dronedesign overophedning, som typisk kan opstå under de høje regnemæssige belastninger i både elektronik og de kraftige rotorer. Korrekt specificerede termiske interface-materialer er derfor nødvendige for at sikre, at en drone kan fungere effektivt uden overophedning.
Det globale, militære dronemarked må forvente en betydelig vækst. Ifølge Fortune Business Insights vil markedet stige fra 14,4 milliarder USD i 2023 til 35,6 milliarder USD i 2030, hvilket svarer til en imponerende kumuleret vækstrate på 14,1 procent.
Derfor samarbejder Parker Chomerics konstant med drone-/UAV-OEM’er for at udvikle produkter, der opfylder kravene både nu og i den næste generation af produkter. Parker Chomerics undersøger nu nye elastomere støjskærmningsløsninger som unikke form-in-place materialer og RF-absorberende produkter. Virksomheden vil også sikre, at hver ny løsning er underbygget af supporterende information som højfrekvente skærmningsdata op til 115GHz og miljøbeskyttelses- og -pålidelighedsdata.
Materialevidenskab, procesteknologi, produktions- og supply chain management er kernekompetencer for Parker Chomerics, hvor standard- og kundespecifikke støjskærmningsløsninger tager afsæt i årtiers industriel erfaring. Som en global virksomhed arbejder Parker Chomerics på at hjælpe i applikationer overalt i verden og med ingeniørsupport og produktion i Nordamerika, Europa og Asien.
Billedtekster:
1: Dispensering af støjskærmende silikonepakning.
2: Droner er følsomme over for modforholdsregler som RF-forstyrrelse af dronens styring. En god RF-absorption og støjskærmning fjerner effektivt dét problem.
