Dronet halutaan yleensä valmistaa mahdollisimman kevyistä materiaaleista. Sotilaskäytössä kevytrakenteisuus tuo kuitenkin vakavia ongelmia sähkömagneettisille EMI-häiriöille altistumisen muodossa. Häiriöiltä voidaan kuitenkin suojautua sähköä johtavien elastomeerien, täyteaineiden, vaahtojen, liimojen ja maalien avulla.

Jatkuvien maailmanlaajuisten konfliktien ja lisääntyvän kansainvälisen jännityksen vuoksi droneista ja UAV-koneista (unmanned aerial vehicle) on tullut moderni ja haluttu väline sotilaiden asearsenaaleihin. Jotkut niistä luokitellaan vaeltaviksi ammuksiksi, jotka kantavat mukanaan räjähteitä tai taistelukärkiä, joita käytetään usein hyökkäystilanteissa. Toiset luokitellaan miehittämättömiksi taistelulentokoneiksi (UCAV) ja niitä käytetään vakoilu-, valvonta-, kohteenetsintä- ja tiedustelutehtävissä (ISTAR) sekä logistiikan tukitehtävissä.

Drone-toiminnan etuja nykyaikaisessa taistelussa ovat sotilaiden turvallisuus, reaaliaikainen valvonta, laajennettu kantama, hyötykuorman joustavuus ja alhaisemmat käytön ja koulutuksen kokonaiskustannukset. Dronen kriittinen heikkous kaikissa näissä sovelluksissa on kuitenkin alttius sähkömagneettisille häiriöille (EMI) - joko luonnollisille häiriöille tai elektronisessa sodankäynnissä käytettävälle häirinnälle.

Epätoivottujen sähkömagneettisten signaalien aiheuttamat häiriöt saattavat dronen käytössä johtaa toimintahäiriöihin, hallinnan menetyksiin tai jopa tuhoutumiseen. Tämän mahdollisesti katastrofaalisen lopputuloksen välttämiseksi tulee droneen valita ja soveltaa optimaalisia EMI-suojausratkaisuja.

Kuva 1. Parker Chomericsin sähköä johtavat maalit ja pinnoitteet tarjoavat kriittisen EMI/RFI-suojauksen elektroniikkakokoonpanojen muovi- ja komposiittikoteloille sekä lentokoneiden ja lentokoneen runkokomponenteille.

EMI-suojaustuotteet ovat elektronisten komponenttien suojaamiseen tarkoitettuja erityisiä materiaaleja. Ne suojaavat sekä dronesta lähtevien tahattomien signaalien etenemiseltä että ulkoa tulevilta epätoivotuilta signaaleilta, jotka voivat häiritä laitteiden tarkasti viritettyä sisäistä elektroniikkaa.

On tärkeää huomata, että puolustus- ja sotilasoperaatioissa vaatimukset dronen elektroniselle kestävyydelle eroavat huomattavasti kaupallisten tai kuluttajille tarkoitettujen laitteiden vaatimuksista. Sotilaskäytössä dronen pitää usein lentää tuntikausia tai jopa päiviä raskaita ja kalliita hyötykuormalaitteita kantaen.

Lisäksi taistelujoukkojen vaatimuksesta dronen on pystyttävä toimimaan jopa vuosia ilman merkittäviä huolto- ja ylläpitotoimia. EMI-suojaustekniikat tukevat toimintakriittistä luotettavuutta myös vaativissa käyttöoloissa, jotka voivat sisältää äärimmäistä kosteutta, suolasumua ja rajusti vaihtelevia lämpötiloja.

Systemaattinen lähestymistapa

Tehokas EMI-suojaus on tarpeen sotilaallisten lennokkien ja UAV-laitteiden pitkälle kehittyneiden elektronisten järjestelmien suojaamiseksi. Useimmat niistä liittyvät autonomia-, kuvantamis-, ase- ja viestintätoimintoihin. LiDAR-, tutka-, laser- ja ultraäänianturit tukevat törmäysten välttämistä ja tarkkaa paikannusta, kun ne yhdistetään paikannus/GPS-antureiden ja vakautus/suuntausmoduulien kanssa.

Kehittyneiden lentoanalyysivälineiden kuten lentoaikaa mittaavien anturien avulla käyttäjälle voidaan tarjota tietoja dronen suorituskyvystä suhteessa ympäristöoloihin ja näin auttaa parantamaan tulevia lentotehtäviä. Erityistehtävissä voidaan hyödyntää myös muita antureita: kemiallisia, lämpösäteilyä mittaavia tai hyperspektrisiä antureita.

Kuva 2. Droneissa on ratkaisevan tärkeää puuttua ennakoivasti lämmönhallintaan ja sähkömagneettisiin häiriöihin (EMI), joilla voi olla valtava vaikutus droonien turvallisuuteen ja suorituskykyyn.

Dronet käsittelevät valtavasti tietoja, minkä vuoksi ne tarvitsevat korkeatasoista EMI-suojausta RF-häiriöiden, kanavien säröytymisen, sieppausten ja kyberuhkien estämiseksi. EMI-häiriö voi olla myös tahatonta, mahdollisesti sisäisten elektronisten komponenttien ylikuulumisen aiheuttamaa tai muiden laitteiden, suurjännitelinjojen, tietoliikennemastojen tai suurten antennien tuottaman ulkoisen EMI-säteilyn seurausta.

Asiaan liittyy toinenkin haaste. Monet nykyaikaiset dronet on valmistettu kevyistä materiaaleista kuten muovista ja komposiiteista. Näin voidaan vähentää painoa ja lisätä hyötykuormakapasiteettia sekä parantaa autonomista toimintaa. Sähköä johtamattomina näitä materiaaleja pidetään sähkömagneettisesti läpinäkyvinä. Tämän vuoksi sähkömagneettinen säteily (EMR) voi helposti tunkeutua laitteen runkoon ja häiritä elektronisia komponentteja.

Suojakilpi tarvitaan

Nykyaikaisen drone-tekniikan tiukkojen vaatimusten täyttämiseksi saatavilla on monia erilaisia EMI-suojausratkaisuja. Nämä sähköä johtavat tuotteet tarjoavat laite- ja komponenttitason suojauksen epätoivotulta sähkömagneettiselta säteilyltä ja varmistavat, että laitteiden suorituskyky jatkuu keskeytymättä. 

Yksi yleisimmistä järjestelmätason EMI-suojusratkaisuista perustuu johtavasta elastomeeristä valmistettuihin tiivisteisiin. Näissä tuotteissa on peruspolymeeri, esimerkiksi silikoni, fluorisilikoni tai eteenipropeenikumi (EPDM), joka antaa materiaalille sen joustavuuden ja rakenteen. Johtava täyteaine koostuu hiukkasista, esimerkiksi hopeoidusta alumiinista, nikkelöidystä alumiinista, hopeoidusta kuparista tai nikkelöidystä grafiitista. Täyteaine antaa tiivisteelle sen sähköä johtavat ja EMI-suojausominaisuudet.

Kuva 3. Parker Chomericsin robottiannostelut Form-In-Place (FIP) EMI-suojatiivisteet tarjoavat alhaisimmat kokonaiskustannukset pienille poikkileikkauksille ja monimutkaisille kuviosovelluksille. Parker Chomerics CHO-FORM (johtava) ja ParPHorm (ei-johtava) FIP-materiaalit voivat vähentää EMI-tiivisteen asennuskustannuksia jopa 60 %.

Materiaali voi olla suulakepursotetun tiivisteen muodossa uraan sijoitettuna tai muovatun litteän levyn muodossa, joka soveltuu stanssattuna monimutkaisiinkin muotoihin. Johtavat elastomeeriset tiivisteet voivat toimia sekä EMI-suojakilpenä että ympäristötiivisteenä samalla, kun ne tarjoavat koteloinnin tai järjestelmätason ratkaisun EMI-suojaukseen.

Kaapelit ja niihin kiinnitettävät liittimet vaativat niin ikään EMI-suojauksen. Tähän tarkoitukseen sähköä johtava polyolefiiniputki on osoittautunut erittäin hyödylliseksi. Tämä lämpökutistettava letku ja sen päätekappaleet saavat johtavuutensa joustavista pinnoitteista, jotka sisältävät hopeahiukkasia tai hopeoituja kuparihiukkasia. Ratkaisut tarjoavat tyypillisesti 40-65% vähemmän painoa verrattuna tavanomaiseen suojattuun kaapeliin tai erilliseen maadoitussukkaan.

Suojaputkea voi myös kutistaa lämmittämällä helposti haavoittuvien kohteiden kuten liittimien ja johtonippujen ympärille. EMI-suojauksen lisäksi sähköä johtava lämpökutistettava letku suojaa kohdetta tehokkaasti myös pölyltä ja kosteudelta.

Pienten komponenttien EMI-suojauksessa sovelluskohtaisesti ruiskuvaletut johtavat kestomuovit tarjoavat optimaalisen ratkaisun tehokkaan EMI-suojauksen ja jopa 70% painonpudotuksen ansiosta. Tietyt pitkälle kehitetyt johtavat muovimateriaalit hyötyvät erityisestä prosessista, jossa lisätään nikkelipinnoitettua hiilikuitua jokaisen muovipelletin ytimeen ja näin varmistetaan homogeenisesti täysin jakautunut johtava täyteaine muovattavaa osaa varten. Näiden johtavien muovien ominaisuudet mahdollistavat sekä EMI-suojauksen että RF-absorption, mikä tekee niistä ihanteellisia kotelo- tai levytason suojaukseen.

Täyteaineen koostumuksen suhteen nämä materiaalit ovat parempia kuin kuivat monipellettiseokset, ja ne tarjoavat tuhoutumattoman suojausmekanismin. Vaikka johtava kestomuovi naarmuuntuu tai halkeilee, materiaali säilyttää radiotaajuuksia vaimentavat ja EMI-suojausominaisuudet.

Johtavien muovien kanssa työskentelyyn liittyviä haasteita ovat työkalujen ja valmistuksen ennakkokustannukset. Nämä voidaan kuitenkin helposti kompensoida toissijaisten valmistusprosessien ja laitteistojen kautta, kun kiinnikkeiden ja kokoonpanon muiden lisäkomponenttien käyttötarve vähenee.

Vaahtorakenteita droneen

Toinen materiaalivaihtoehto on sähköä johtava vaahto. Uretaani- tai silikonivaahdot ovat ihanteellisia EMI-suojauksen ja maadoituksen sovelluksissa, jotka eivät vaadi suojautumista säältä tai joissa komponentit on suojattu ympäristöoloilta. Vaahtomateriaali on kevyttä, harvaa ja sitä on helppo prässätä sopivaan muotoon kokoonpanoa varten. Rakenteella on tyypillisesti kaksi muotoa: kangaskääre (fabric-over-foam) tai erilaiset muunnelmat, joissa hopeoituja kuituja on upotettu kevyeen vaahtoon.

Johtavat vaahdot ovat tyypillisesti hinnaltaan edullisia ja toimivat hyvänä tiivisteenä pölyä vastaan. Jatkokäsittelyä varten yleensä levyinä tai rullina toimitettavia johtavia vaahtomateriaaleja on saatavissa vakiopaksuuksina ja ne voidaan myös leikata nauhoiksi. Kangasvaahdosta koostuvia muoviprofiileja valmistetaan satoja erilaisia ja niitä voidaan valmistaa myös asiakaskohtaisten vaatimusten mukaan. Räätälöityjen osien työstäminen on suhteellisen edullista ja niiden toimitusaika on lyhyt.

Toisen vaihtoehdon tarjoavat paikalla muotoiltavat johtavat tiivisteet. Nämä kevyet elastomeeriset tiivisteet koostuvat annosteltavasta materiaalista, joka levitetään roboteilla elektroniikan koteloihin. Materiaalia toimitetaan tiivistemassojen tapaan patruunoissa, joista niitä voidaan annostella myös hyvin pienin poikkileikkauksin jopa monimutkaisiin geometrisiin muotoihin.

Paikalla muotoillun tiivisteen käyttö säästää jopa 60% tilaa ja painoa dronen kotelossa, koska laipat voivat olla hyvin ohuita (alle 1 mm) ja silti sisältää EMI-suojatiivisteen. Kosteudesta kovettuva, hopeoitu alumiinitäytteinen silikoni, jolla on hyvä korroosiokestävyys, on hyvä esimerkki tällaisesta materiaalirakenteesta. Paikalla muotoiltuja tiivisteitä käytettäessä ei tarvita lainkaan uria asennusta varten.

Kaikki suojaan

Koska monet drone-suunnittelijat haluavat vähentää laitteen painoa, tekniset muovit ja komposiitit ovat yleinen valinta materiaaliksi. Tällöin johtavat pinnoitteet ja maalit ovat hyvä vaihtoehto suurten komposiittiosien suojaamiseen EMI-häiriöiden vaikutuksilta.

Saatavilla on erilaisia sähköä johtavia täyte- ja sideainekokoonpanoja kuten kuparilla täytetyt uretaanipinnoitusjärjestelmät, joissa on erityisiä lisäaineita ja stabilointiaineita sähköisen vakauden ylläpitämiseksi korkeissa lämpötiloissa. Myös kromaatittomat maalit ovat suosittuja tämän alueen komposiittirakenteissa.

Drone-suunnittelijat voivat myös hyödyntää sähköä johtavia liimoja ja tiivistysaineita. Tällaisilla materiaaleilla voidaan täyttää metalli- tai komposiittirakenteiseen runkoon syntyneet raot sähkömagneettisten säteilyvuotojen eliminoimiseksi.

Hyvä sähkönjohtavuus on erittäin toivottava ominaisuus myös turvallisen sähköpolun tarjoamiseksi salamaniskun sattuessa. Sähköä johtavien liimojen ja tiivistysaineiden käyttö voi myös vähentää ruuvien ja muiden kiinnittimien tarvetta, mikä yksinkertaistaa dronen kokoamista ja vähentää sen painoa.

Standardoitua luotettavuutta

Laatustandardien noudattaminen on olennaista, jotta EMI-suojaustuotteet tarjoavat riittävää luotettavuutta drone-sovelluksissa. Yleisin armeijan EMI-suojaussovellusten laatustandardi on MIL STD 461, joka varmistaa dronen kestävyyden sieppausta, häirintää ja kyberuhkia vastaan. Myös standardi DO-160G on tärkeä. Tämä RTCA:n julkaisema (Radio Technical Commission for Aeronautics) standardi sisältää vaatimukset ympäristöoloista ja mittausmenettelyistä lentolaitteiden testauksen aikana.

EMI-suojauksen lisäksi toinen suuri haaste drone-suunnittelijoille on ylikuumeneminen, joka on tyypillisesti seurausta elektroniikan ja tehokkaiden roottorien aiheuttamasta kuormituksesta. Asianmukaiset lämpörajapintojen materiaalit ovat siksi välttämättömiä, jotta drone voi toimia mahdollisimman tehokkaasti ilman ylikuumenemisen vaaraa.

Kasvua luvassa

Tulevaisuudessa maailman sotilaallisille drone-markkinoille on odotettavissa merkittävää kasvua. Markkinatutkimusyhtiö Fortune Business Insights ennustaa koko maailman markkinoiden kasvavan viime vuoden 14,14 miljardista dollarista yli 35 miljardiin dollariin vuoteen 2030 mennessä, mikä tarkoittaa huomattavaa, yli 14 prosentin keskimääräistä vuosikasvua.

Tästä syystä Parker Chomerics -yhtiö työskentelee jatkuvasti drone/UAV-laitteita valmistavien OEM-yritysten kanssa kehittääkseen tuotteita, jotka vastaavat heidän tämän hetken tarpeisiinsa ja myös seuraavan sukupolven laitteiden asettamiin vaatimuksiin.

Yhtiö tutkii jo uusia elastomeeripohjaisia EMI-suojausratkaisuja kuten ainutlaatuisia paikalla muotoiltavia materiaaleja ja RF-säteilyä absorboivia tuotteita. Yhtiö varmistaa lisäksi, että jokaiselle uudelle ratkaisulle tarjotaan tukitietoa, esimerkiksi korkeiden taajuuksien suojausdataa aina 115 GHz taajuuksille asti sekä tietoja luotettavuudesta erilaisissa ympäristöoloissa.

Materiaalitiede, prosessiteknologia, valmistus ja toimitusketjun hallinta ovat Parker Chomericsin ydinosaamista. Saatavilla on vakiomallisia ja räätälöityjä EMI-suorjausratkaisuja, jotka perustuvat vuosikymmenten asiantuntemukseen alalla. Kansainvälisenä yrityksenä Parker Chomerics palvelee sovelluskohteita eri puolilla maailmaa tarjoamalla teknistä suunnittelutukea ja tuotteiden valmistusta Pohjois-Amerikassa, Euroopassa ja Aasiassa.

Lisätietoja aiheesta löytyy täältä.