Im letzten Jahrzehnt wurde in fast allen Bereichen der Unterhaltungselektronik ein Trend zu kleineren und leichteren Geräten verzeichnet. Viele zuvor fixe Geräte sind mittlerweile mobil oder sogar als tragbare Accessoires verfügbar. Dies hat zur Entwicklung von innovativen Verbindungslösungen und zur Einführung von Formfaktor-Miniatursteckverbindern geführt.
Sogar der Militärsektor mit seinen erhöhten Umweltanforderungen, strengen Entwicklungszyklen und einer Produktlebensdauer, die in Jahrzehnten gemessen wird, ist von diesem Trend nicht unberührt geblieben. In diesem Artikel werden einige der Faktoren beleuchtet, die zu einer Verkleinerung und Gewichtsreduzierung bei militärisch verwendeten Steckverbindern geführt haben – bei gleichbleibender oder verbesserter Leistung und Einbindung neuer Zielvorgaben.
Höhere Traglasten der Soldaten erfordern kleinere und leichtere Steckverbinder
Infanteristen leiden schon seit langer Zeit unter hohen Traglasten – zur Römerzeit hat die Traglast bei langen Märschen vermutlich ca. 80 Pfund betragen. Obwohl die Zusammensetzung des Marschgepäcks sich drastisch verändert haben dürfte, tragen heutige Soldaten bei langen Marschpatrouillen ebenfalls zwischen 87 und 127 Pfund mit sich. Laut dem US-Verteidigungsministerium hat diese wortwörtliche Last zu einer Zunahme an Muskel-Skelett-Erkrankungen geführt. Jede Verminderung des Traglastgewichts reduziert Erschöpfung und verbessert die Antwortzeit. In Gefechten kann diese Einsparung eine Frage von Leben und Tod bedeuten, sodass eine Gewichtsverminderung ohne Einschränkung der Mission ein zentrales Ziel ist.
Mikrominiatur- und Nanominiatursteckverbinder leisten hierzu einen Beitrag. Diese Miniatursteckverbinder sind zehn mal kleiner und 90 Prozent leichter als traditionelle militärisch genutzte Steckverbinder. Viele Nanominiatursteckverbinder verfügen über Temperaturbereiche von -200°C bis 200°C.
Netzwerkzentrierte Kriegsführung und das Nett-Warrior-Programm
Die moderne Militärdoktrin der Netzwerkzentrierten Kriegsführung (NCW, Network Centric Warfare) zielt darauf ab, einen Informationsvorsprung – zum Teil basierend auf Informationstechnologie – durch einen Datenverbund im großen Maßstab und ein robustes Computernetzwerk von Kampfeinheiten aller Größen in einen Gefechtsvorteil umzuwandeln. NCW ist auf Steckverbinder angewiesen, die mit langlebigem und robustem Design, das rauen Umgebungen mit hohem Stoß und Schwingungen standhält, Leistung mit hoher Bandbreite erbringen.
Auf der individuellen Soldatenebene existiert das Nett-Warrior-Programm (und als Vorgänger das Land-Warrior-Programm), das mehrere Module und Technologien unterschiedlicher Hersteller integriert. Das Ziel ist die Entwicklung modularer Ausrüstungslösungen, die an die jeweilige Mission angepasst werden können. Zur Gewichtsreduzierung ist es notwendig, dass alle Geräte mit einer einzigen Stromquelle (Batterie) verbunden werden, wodurch die beteiligten Hersteller zur Überdenkung der Steckverbinderstrategien gezwungen sind.
Abbildung 2: Der vernetzte Soldat von heute benötigt eine Vielzahl von Steckverbindertypen. (Quelle: SoldierMod)
Tendenz zu COTS-Produkten
Das Militär greift vermehrt auf seriengefertigte Technologien (COTS, commercial-off-the-shelf) zurück, um von den Neuerungen bei kommerziellen Geräten zu profitieren. In vielen Bereichen (wie Kommunikation) hat die Neuerungsrate im kommerziellen Sektor den militärischen Sektor überholt. Hierdurch wird mehr Leistung zu niedrigeren Kosten möglich.
Beispielsweise entkam das Land-Warrior-System in den 1990ern nur knapp der Einstellung, denn zu diesem Zeitpunkt waren die Kosten pro Soldat auf 85.000 US-Dollar angestiegen. Das Programm konnte nur weitergeführt werden, weil es möglich war, militärische Geräte durch kommerzielle Technologien zu ersetzen, darunter Teile, die als Standardkomponenten bei dem Elektronikhändler Fry's eingekauft wurden.
Das derzeitige Nett-Warrior-Programm verwendet ebenfalls COTS-Geräte. Beim Endbenutzergerät handelt es sich um das Samsung-Mobiltelefon Galaxy Note II. Die Geräte werden zu den kommerziellen Preisen erworben und die Software wird an die militärische Verwendung angepasst. Die Kommunikation erfolgt per USB über ein an der Hüfte befestigtes Funkgerät zur Netzwerkanbindung. Durch diese Verwendung von kommerziellen Standardgeräten entsteht die Notwendigkeit von kommerziell üblichen Standardschnittstellen wie USB oder Ethernet in militärischer Qualität.
Abbildung 2: Militärischer Ethernet-Steckverbinder (Quelle: Amphenol Socapex)
Neue UAVs sind kleiner und leichter, wodurch spezielle Anforderungen entstehen
Nicht nur die Ausrüstung der Soldaten unterliegt neuen Anforderungen an Größe und Gewicht – auch unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) sind von Veränderungen betroffen. Vergessen Sie den Reaper mit seiner Spannbreite von 66 Fuß und Nutzlast von 3.800 Pfund. Heutzutage kommen hauptsächlich kleinere Geräte zum Einsatz, beispielweise Drohnen, die von einem einzelnen Soldaten in die Luft gebracht und gesteuert werden können. Das Black Hornet Nano Mikroluftfahrzeug (MAV, Micro Air Vehicle) beispielsweise misst ca. 10 x 2,5 cm (4" x 1") und wiegt kaum mehr als 15 g (ca. eine Unze) – einschließlich Batterien!
MAVs bereiten den Entwicklern von Steckverbindern jedoch in zwei Bereichen Schwierigkeiten. Erstens müssen die Steckverbinder so leicht und klein wie möglich sein, da die batteriebetriebene Gesamtflugdauer proportional zum Gesamtgewicht ist. Da MAVs zu rauen Landungen tendieren, müssen die Steckverbinder außerdem strengste Anforderungen in Hinsicht auf Stoß und Schwingung erfüllen. Zweitens müssen die MAVs über die volle Palette komplexer Elektronik verfügen, um ihren Zweck zu erfüllen. Die Black Hornet Nano ist mit einer Full-Motion-Videokamera, GPS und einer digitalen Datenverbindung ausgestattet und diese Steckverbinder müssen außerdem gegen elektromagnetische Störungen und Impulse (EMI und EMP) geschützt werden. Bei UAVs in Standardgröße kann dieser Schutz durch einen leitfähigen Ummantelungsschlauch erfolgen. Ein MAV kann dieses zusätzliche Gewicht jedoch nicht tragen. Die Alternative – Abschirmung aus Metallumflechtung – erfordert von Steckverbinderentwicklern Veränderungen am Endgehäuse, um die nötige Erdung für den Schutz vor EMI/EMP zu bieten.
Anwendbare Militärstandards
Wie nicht anders zu erwarten, hat das US-Militär Standards für diese neue Generation von Steckverbindern geschaffen.
MIL-DTL-38999– hochdichte, zirkuläre Miniatursteckverbinder mit abnehmbarer Klemme oder gelöteten Kontakten haben einen Temperaturbereich von -65°C bis 200°C.
MIL-DTL-83513– rechteckige elektrische Mikrominiatursteckverbinder, oft als Micro-D Formfaktor bezeichnet, sind an eine Vielzahl von Systemen angepasst wie Geschosse und ihre Fernlenksysteme, Luftfahrtelektronik, Radar, schulterabfeuerbare Waffensysteme, fortschrittliche Technologiesysteme für Soldaten und militärisches GPS.
MIL-DTL-32139– Nanominiatursteckverbinder terminieren an Leiterplatten oder Kabelbaugruppen Die Steckverbinderkontakte sind dicht besetzt mit einem Abstand von 0,64 mm (0,025 in) zwischen den Kontaktzentren in einer Reihe. Sie sind zur Verbindung mit Leiterplatten (PWB, Printed Wiring Board), PWB-zu-Kabel, Kabel-zu Panel oder Kabel-zu-Kabel bei Miniaturgeräten mit niedrigen Energieanforderungen gedacht.
Das Streben der Elektronikbranche nach kleineren, schnelleren und effizienteren Systemen ist nichts neues – und der Militärsektor bildet in dieser Hinsicht keine Ausnahme. Der Trend zu kleineren und leichteren Systemen erfordert von Steckverbinderherstellern die Entwicklung von kleineren und leichteren Systemen mit verbesserter Leistung und einer Widerstandsfähigkeit, die der von bisherigen militärisch verwendeten Steckverbindern entspricht.