Złącza elektryczne w systemach militarnych

Złącza są bardzo widocznym elementem elektroniki milotarnej. W przypadku konektorów, jeśli chcemy mówić ściśle o złączach wojskowych, należy pod uwagę wziąć dwa aspekty – parametry mechaniczne złącza oraz jego projekt elektroniczny (rozkład pinów, sygnałów itd.). Na obie te kwestie mają wpływ wymagania, jakie stawia się urządzeniom, stosowanym przez wojsko. W artykule skupimy się głównie na wymaganiach mechanicznych i sposobie ich realizacji. Jednak nie da się opisywać tych zagadnień bez wiedzy o wymaganiach elektrycznych, a nawet o konkretnych standardach złącz, jakie stosowane są np. w NATO. Z uwagi na naszą lokalizację, skupimy się tylko na standardach stosowanych przez sprzęt wojskowy Sojuszu Północnoatlantyckiego (NATO).

Normy NATO dla złączy

NATO stosuje, generalnie, system amerykańskich norm MIL do standaryzacji sprzętu itd. W ramach tego systemu norm wyróżnia się, między innymi:

• MIL-SPEC – tzw. specyfikacje, czyli dokumenty opisujący podstawowe wymagania techniczne dotyczące materiałów unikatowych dla wojska lub znacznie zmodyfikowanych przedmiotów komercyjnych.
• MIL-STD – normy wojskowe, ustanawiające jednolite wymagania inżynieryjne i techniczne dla unikalnych dla wojska lub znacznie zmodyfikowanych procesów, procedur, praktyk i metod handlowych. Istnieje pięć rodzajów norm obronnych w systemie NATO:
  
  • standardy interfejsu,
  • standardy kryteriów projektowych,
  • standardy procesu produkcyjnego,
  • standardowe praktyki,
  • standardy metod testowych.
• MIL-DTL – specyfikacje szczegółowe, które określają wymagania projektowe, takie jak użyte materiały, sposób spełnienia wymagań lub sposób wytwarzania lub konstruowania danego elementu.

W Polsce stosowane są Normy Obronne (NO-xx-xxxx), które ustalane są przez Ministra Obrony Narodowej i aktualizowane, co roku, zgodnie z rozporządzeniem Rady Ministrów z dnia 23 grudnia 2002 roku w sprawie działalności normalizacyjnej związanej z obronnością i bezpieczeństwem państwa. Coroczna decyzja szefa RON w sprawie zatwierdzenia i wprowadzenia do stosowania dokumentów normalizacyjnych dotyczących obronności i bezpieczeństwa państwa zawiera wykaz norm stanowiącym załącznik do decyzji. Bardzo często normy te wykorzystują, jako podstawę, normy stosowane w NATO, wszak jesteśmy częścią Sojuszu i nasze siły zbrojne muszą pozostawać interoperacyjne z siłami innych państw członkowskich.
W siłach NATO używa się na ogół złącz zgodnych z następującymi normami. W ramach poszczególnych norm określa się ogólne parametry konkretnych złącz, ale te szerokie grupy dzielą się na różne serie i klasy:

• MIL-DTL-5015 (dawniej MIL-C-5015) – okrągłe złącza skręcane z stykami do lutowania lub zaciskania do użytku komercyjnego i wojskowego. Ich historia sięga lat 30. XX wieku – zostały opracowane do zastosowań w samolotach Douglas DC-1, DC-2 i DC-3. Obecnie są powszechnie stosowane w elektronice, energetyce i obwodach sterujących ze względu na ich wszechstronność, niezawodność i łatwy dostęp – wielu producentów złącz produkuje tego rodzaju elementy.
• Złącza MIL-DTL-5015 są podzielone na cztery serie, a wiele z nich jest dostępnych w szerokim zakresie wykonań. Dostępne są złącza przystosowane do temperatur od –55°C do 200°C. Istnieje około 160 układów pinów wtyczki, przewidzianych w MIL-STD-1651, z maksymalnie 81 pinami w pojedynczym konektorze.
• MIL-DTL-12520 (dawniej MIL-C-12520) – seria okrągłych złącz z centralnie umieszczoną śrubą do skręcania – centerlock. Są one wodoodporne, spolaryzowane, posiadają wiele styków i dostępne są liczne akcesoria do łączenia obwodów. Przeznaczone są do linii zasilania i sterowania w sprzęcie elektronicznym, które są przeznaczone głównie do użytku naziemnego lub lądowego. Są odporne na zanieczyszczenia kurzem, brudem i wodą, złącza do pracy w trudnych warunkach – zapewniają również odporność na wstrząsy i wibracje dzięki centralnej śrubie blokującej, którą można łatwo zabezpieczyć, obracając rączkę z składanym skrzydełkiem.
• MIL-DTL-22992 (dawniej MIL-C-22992) – wielostykowe, wytrzymałe i wodoodporne, szybkozłączki. Złącza do obwodów elektrycznych – systemów zasilania i sterowania. Złącza są przystosowane do pracy w szerokim zakresie od –55°C do 125°C. Złącza opisywane przez tę normę podzielone są na cztery klasy, różniące się zastosowaniem:
  
  • Złącza klasy C są przeznaczone do zewnętrznych połączeń wzajemnych w samochodach dostawczych, schronach, przyczepach, budynkach i zastosowaniach o dużym obciążeniu.
  • Złącza klasy J są używane w zastosowaniach klasy C, w których konieczne jest zastosowanie pierścienia mocującego przewód.
  • Złącza klasy L są przeznaczone do połączeń zasilających o wysokim natężeniu prądu – od 40 A do 200 A, gdzie wymagana jest duża wytrzymałość, wodoodporność i zdolność gaszenia łuku.
  • Złącza klasy R są używane, jako wytrzymałe złącza ogólnego przeznaczenia, w których nie jest wymagane utrzymywanie ciśnienia i zdolność gaszenia łuku. 

Układy wkładek pinów tych złącz są zdefiniowane w normie MIL-STD-1651, z dodatkowym układem do zastosowań wysokoprądowych w powiązanych dokumentach.

• MIL-DTL-24308 (dawniej MIL-C-24308 i MIL-PRF-24308) – złącze miniaturowe, spolaryzowane złącza do montażu na obudowach (w panelach, zwłaszcza rackowych). Złącze zaciskane (w sposób odwracalny), lutowane (na stałe) lub z kłami – zaciskami przebijającymi izolację przewodów (montaż na stałe). Obudowy złącz z mocowaniem sztywnym lub pływającym, przeznaczone do pracy w zakresie temperatur od –55°C do 125°C. Złącza te zwane są również złączami D-subminiaturowymi lub D-sub – to doskonale znana rodzina złącz, stosowanych w przemyśle, systemach komputerowych itp. Są one przeznaczone przede wszystkim do zastosowań, w których przestrzeń i waga mają duże znaczenie. Mieszczą dużą liczbę obwodów, proporcjonalnie do ich rozmiaru, co sprawia, że doskonale nadają się do samolotów, pocisków i powiązanych systemów wsparcia naziemnego. Chociaż złącza MIL-DTL-24308 są przeznaczone głównie do zastosowań w rackach i panelach, złącza te można również dostosować do innych aplikacji okablowania, dodając akcesoria i zintegrowane elementy łączące. Złącza te są przeznaczone do ogólnego użytku wojskowego. Podzielone są na następujące klasy:
  
  • Złącza klasy G i N są przeznaczone do użytku w zastosowaniach, w których występuje zakres temperatur roboczych od –55°C do 125°C.
  • Złącza klasy N są używane w aplikacjach, w których obecność magnetyzmu szczątkowego musi być utrzymywana na niskim poziomie.
  • Złącza klasy H są używane tam, gdzie ciśnienie atmosferyczne musi być utrzymywane w poprzek ściany lub panelu, na którym zamontowane są złącza.
  • Złącza klas D, K i M są przeznaczone do zastosowań kosmicznych o wysokiej niezawodności. 

Układy pinów dla złącz tego rodzaju również podane są w rzeczonej normie. Obejmują one piny różnego rodzaju, w tym złącza dla przewodów koncentrycznych.

• MIL-DTL-26482 (dawniej MIL-C-26482) – dwie serie odpornych na warunki środowiskowe, miniaturowych, okrągłych szybkozłączy elektrycznych (i akcesoriów do nich). W każdej serii znajdują się hermetyczne obudowy. Dwie serie złączy można łączyć ze sobą, gdy używane są tylko styki zasilające i nie można ich łączyć, gdy używane są również styki ekranu. Różne klasy i typy złączy obejmują: 
  
  • złącza klas E, F, J i P, które są używane w aplikacjach odpornych na warunki środowiskowe w zakresie temperatur roboczych od –55°C do 125°C,
  • gniazda klasy H są używane w zastosowaniach, w których ciśnienie musi być utrzymywane w poprzek ścian paneli lub obudów, na których zamontowane jest złącze.

Wiele zastosowań tego złącza odbiega od oficjalnej specyfikacji wojskowej; na przykład solidna metalowa obudowa oparta na konstrukcji MIL-DTL-26482 umożliwia korzystanie z sieci transmisji danych Ethernet 10/100/1000BaseT w trudnych warunkach, przy jednoczesnym zachowaniu zgodności z wymaganiami normy IEC 60603-7-7. MIL-DTL-26482 obejmuje dwie serie okrągłych złączy: 

• Seria I obejmuje złącza MS3110, MS3111, MS3112, MS3114 i MS3116
• Seria II obejmuje złącza MS3470, MS3474, MS3475 i MS3476. 

Układy pinów złącz tego rodzaju podane są w normie MIL-STD-1669.

• MIL-DTL-32139 – nanominiaturowe (czyli jeszcze mniejsze, niż miniaturowe, aczkolwiek opisy te są raczej uznaniowe i względne, a niedotyczące ściśle jakiejś granicy wymiaru) złącza przeznaczone do montażu na płytkach drukowanych lub jako zakończenie wiązek kablowych. Styki tego złącza są gęsto upakowane z odstępami 0,64 mm między centrami styków w tym samym rzędzie. Złącza te są przeznaczone do połączeń na płytce drukowanej, płytka-przewody, przewody-panel oraz przewody-przewody w zminiaturyzowanych podzespołach o niskim zapotrzebowaniu na moc. Złącza te są unikalne spośród wszystkich złącz militarnych, z uwagi na odporność na wibracje sinusoidalne w zakresie od 10 Hz do 2000 Hz przy obciążeniu do 20 g. Dodatkowo, mogą wytrzymać 48 godzin narażenia na mgłę solną bez zmian parametrów lub powstawania wżerów czy porowatości wykończenia pinów. Dodatkowo, złącza te są w stanie wytrzymać wstrząs o sile 100 g bez przerwania ciągłości obwodu elektrycznego. Pracują w temperaturach od –55°C do 125°C. Układy pinów tych złącz są podane w powiązanych z normą specyfikacjach.
• MIL-DTL-38999 (dawniej MIL-C-38999) to podzielone na cztery serie, miniaturowe złącza z zapięciem bagnetowym, skręcanym lub zamkiem. Zaprojektowano je do instalacji o dużej gęstości połączeń, które muszą być odporne na warunki środowiskowe. Zawierają one wyjmowane piny, które mogą być zaciskane lub lutowane do przewodów. Złącza przeznaczone są do pracy w zakresie temperatur od –65°C do 200°C. Złącza te są odpowiednie do szeregu zastosowań, zależnie od serii:
  
  • Złącza serii I są używane tam, gdzie wymagany jest system szybkiego łączenia bez widoczności lub innych obszarów problematycznych. Złącza te zapewniają wysoką odporność na wibracje i są odpowiednie do miejsc z występowaniem silnego wiatru i wilgoci.
  • Złącza serii II są używane tam, gdzie złącze nie jest narażone na silne wibracje lub czynniki środowiskowe i gdzie niewielki rozmiar i/lub waga są krytyczne.
  • Złącza serii III nadają się do niewidocznych obszarów łączenia i zapewniają wysoką odporność na wibracje w podwyższonej temperaturze oraz są odpowiednie dla obszarów narażonych na czynniki środowiskowe
  • Złącza serii IV są używane tam, gdzie wymagany jest system szybkiego łączenia w miejscach niewidocznych lub trudnodostępnych, a same połączenia muszą być odporne na czynniki środowiskowe i wibracje.

Złącza te są lekkie, połączone specjalnym mechanizmem Breech Lok i wszystkie są odporne na przypadkowe zwarcia i uszkodzenie na skutek niepoprawnego podłączenia złącz (z wyjątkiem serii II). Układy pinów dla tych złącz zdefiniowane są w normie MIL-STD-1560.

• MIL-DTL-55116 – miniaturowe złącza audio, pięcio- i sześciopinowe, używane w radiach i urządzeniach kryptograficznych, łączonych z systemami radiowymi.
• MIL-DTL-83513 (dawniej MIL-C-83513) – mikrominiaturowe, prostokątne złącza elektryczne z lutowanymi lub zaciskanymi pinami. Złącze spełnia wymagania trudnych warunków środowiskowych, jest wytrzymałe mechanicznie i trwałe, ma także niską rezystancję styków, a co za tym idzie wysoką obciążalność prądową i wysoką wytrzymałość dielektryczną. Złącza te są odporne na wstrząsy i wibracje, oferując jednocześnie dużą gęstość styków, małe rozmiary i lekki korpus. Często te złącza są określane, jako system złącza Micro-D. Są dostosowane do działania w wielu systemach, chociaż główne zastosowania to miejsca, w których waga, miniaturyzacja lub integralność transmisji sygnału są najważniejsze, takich jak pociski i ich systemy naprowadzania, awionika lotnicza, radary, naramienne systemy uzbrojenia, zaawansowane systemy technologii żołnierza, wojskowe systemy globalnego pozycjonowania, satelity, urządzenia medyczne. Układy pinów tych złącz są podane w powiązanych z normą kartach specyfikacji. Format złącza Micro-D stał się tak popularny wśród inżynierów i projektantów systemów, że wielu producentów zaczęło oferować szybkie (do 10 Gbit/s) i modułowe wersje tego złącza.
• MIL-DTL-83527 (dawniej DoD-C-83527 i MIL-C-83527) to odporne na warunki środowiskowe złącza prostokątne, charakteryzujące się niewielką siłą potrzebną do instalacji złącza. Są one odpowiednie do instalacji we wnękach/zatokach rackowych, stosowanych w systemach awioniki itp. Wyróżniającą cechą tych złącz jest certyfikowana odporność na pracę na dużej wysokości – do 50 000 stóp (15,2 km), a także musi wytrzymać 500 godzin w mgle solnej, wibracje i wstrząsy (do 30 g) i wahania temperatury w zakresie od –65°C do 125°C. Złącza te muszą być używane w połączeniu z definicjami rozkładu pinów zawartymi w normie DoD-STD-1842.
• MIL-DTL-83538 (dawniej MIL-C-83538) okrągłe złącza i ich akcesoria, które spełniają niezbędne wymagania dla połączenia interfejsu elektrycznego klasy I MIL-STD-1760 między magazynami i powiązanymi z nimi wyrzutniami za pomocą mechanizmu tzw. „ślepego łączenia”. Zespół złącza składa się z gniazda zainstalowanego na wyrzutni, gniazda zainstalowanego w magazynie pocisku oraz złącza buforowego, zainstalowanej między nimi. Specyfikacja tych złącz obejmuje również wymagane adaptery montażowe i nakrętki, adapter akcesoriów, przepusty kablowy i osłony ochronne. Opisany tą normą zespół złącza zapewnia przesyłanie sygnałów elektrycznych i zasilania dla interfejsu MIL-STD-1760 klasy I między wyrzutnią zamontowaną na samolocie (lub w pojeździe naziemnym) a powiązanym magazynem uzbrojenia i/lub oporządzenia. To złącze jest unikalne dla wojska, ponieważ jest przeznaczone do użytku w wyrzutniach pocisków rakietowych, bombach, podwieszanych zasobnikach sprzętu elektronicznego itp. Rozkład pinów definiowany jest przez normę MIL-STD-1560.