Leistungsstarke Lösungen für gerichtete Energiewaffen

Heutige Hochleistungslaser arbeiten im Bereich von zehn Kilowatt, aber das ultimative Ziel ist die Entwicklung von Designs, die Hunderte von Kilowatt oder sogar Megawatt nutzen. Um eine solch hohe Leistung zu erreichen, werden gerichtete Energiewaffen mit kontinuierlichen oder gepulsten Leistungssystemen und ausgefeilten Schalt- und Konditionierungstechnologien eingesetzt.

Diese Stromversorgungssysteme erfordern Hochspannungs-Verbindungslösungen, um die Ausgangsleistung zu maximieren und gleichzeitig die Auswirkungen auf den Stromverbrauch der Host-Plattform zu minimieren. Hochspannungs-Verbindungslösungen werden unkonventionell für den Energiepfad eingesetzt, der die Hauptstromquelle mit dem Energiespeicher verbindet, aber auch für Komponenten, die die Energie in die gewünschte Leistung umwandeln.

Zu Beginn eines Hochspannungsprojekts ist es wichtig, dass die Entwickler die Verbindungen als Teil des Gesamtsystems betrachten. Spezielle Verbindungslösungen wurden eingeführt und neue Technologien werden weiterhin entwickelt, um den Herausforderungen der Hochspannungsenergie gerecht zu werden. Designer von gerichteten Energiewaffen (Directed Energy Weapons, DEW) haben mehr Möglichkeiten als je zuvor, aber die Probleme mit der Stromversorgung bleiben die gleichen:
 

• Bewältigung extremer Wärmebelastungen
  Designs für gerichtete Energiewaffen müssen enorme Mengen an Wärmeenergie ableiten, um die Energiequelle auf einer sicheren und effizienten Betriebstemperatur zu halten. Spezielle Flüssigkeitskühler und Wärmetauscher werden eingesetzt, um die Wärme außerhalb des Systems abzuführen. Die Verbindungen innerhalb des Systems müssen Innentemperaturen von bis zu 1200 °F (649 °C) standhalten.
  
  Wenn ein Relais hohen Temperaturen ausgesetzt ist, werden die Ansprechspannung (VPI) und der Spulenwiderstand beeinflusst. Um die Stabilität zu gewährleisten, müssen die Konstrukteure die stationären Eigenschaften für die Temperatur- und Spannungskombination der Betriebsbedingungen eines Gleichstromrelais (DC) bestimmen. Dies gilt auch für Wechselstromanwendungen, obwohl deren VPI im Vergleich zu Gleichstromrelais geringere Temperaturschwankungen aufweist.
  
  
• Vorbeugung gegen elektrische Teilentladung
  Am Boden ist es einfacher, mit hoher Leistung umzugehen, aber gerichtete Energiewaffensysteme müssen auch in der Luft funktionieren. Hochspannung kann Luft ionisieren, die dann leitfähig wird und eine Koronaentladung erzeugt. Der Koronaeffekt verursacht Stromverluste durch Hohlräume und elektrische Verzweigungen, wenn die Isolation zusammenbricht, was zu Lichtbögen führt.
  
  Die Verwendung geeigneter dielektrischer/isolierender Materialien ist entscheidend für die Vermeidung von Koronaentladungen. Eine Isolation aus vernetzten Polymeren für Hochspannungsleitungen, Kabel, Kabelbäume und Baugruppen ist so formuliert, dass sie widerstandsfähig gegen Störungen ist. Diese Art von Dielektrikum ist besonders wichtig für Leistungssteuerungsmodule und Leistungswandler.
  
  
• Vermeiden von Schäden durch Lichtbogenbildung
  Bei Hochspannungsquellen in Plattformen für gerichtete Energiewaffen können sich auf der Oberfläche von Polymerisolatoren Spuren von Kohlenstoff bilden. Diese Spuren führen dazu, dass der Isolator seine dielektrischen Eigenschaften verliert und zu einem elektrischen Leiter wird. In diesem Fall kann es zu einem Lichtbogen in der Leiterbahn kommen, der zu einem Stromverlust mit hoher Wahrscheinlichkeit einer Entzündung führt. Um dieses Problem zu vermeiden, müssen geeignete Isoliermaterialien verwendet werden.
  
  
• Umgang mit den Auswirkungen der Umgebung auf die Eingangs- und Ausgangsspannungen
  Die Eingangsspannung ist der Zeitpunkt, zu dem der Koronaeffekt beginnt, die Ausgangsspannung der Zeitpunkt, zu dem er endet. Teilentladungen können auftreten, wenn zwei Teile eines Stromkreises, die nicht ausreichend isoliert sind, hohen Spannungsdifferenzen ausgesetzt sind. Daher müssen die elektrischen Systeme so ausgelegt sein, dass eine ausreichende elektrische Isolation innerhalb der Betriebsumgebung gewährleistet ist.
  
  
• Vermeidung des Skineffekts
  Bei der Festlegung einer geeigneten Abschirmung und Filterung für die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) müssen die Designer den Skineffekt berücksichtigen, d. h. die Tendenz des Wechselstroms, in der Nähe der Oberfläche eines Leiters zu fließen. Der Skineffekt ist das Ergebnis von Wirbelströmen, die durch die sich ändernden Magnetfelder des Wechselstroms induziert werden, und ist daher ein Faktor bei fast jedem Wechselstromdesign. Leiterplattenlinien und andere Aspekte von Wechselstromkreisen können so gestaltet werden, dass der Skineffekt vermieden wird, dies erfordert jedoch eine fachkundige Planung.
  
  
• Verwaltung von Größen- und Gewichtsbeschränkungen
  Komponenten für die Speicherung und das Management von elektrischer Energie mit hoher Leistung können groß und schwer sein. Hocheffiziente Relais und Schütze sind verfügbar, die höhere Spannungen und Ströme in einem kompakten Gehäuse verarbeiten können, um die Anforderungen an Größe, Gewicht und Stromverbrauch (Size, Weight, and Power Consumption, SWaP) zu reduzieren. Zur Minimierung von SWaP sind auch speziell entwickelte Kabel, Anschlüsse und Steckverbinder erhältlich.
  
  
• Höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit
  Anwendungen für gerichtete Energiewaffen können eine erhebliche Anzahl von Öffnungs- und Schließzyklen erfordern. Diese extremen Zyklen führen zu einem zusätzlichen Verschleiß der Kontaktflächen mechanischer Schalter, die für diese zusätzliche Belastung ausgelegt sein müssen. Bei elektrischen Schaltern ist eine ausreichende Dimensionierung für die erforderliche Spannung erforderlich, da Transistoren empfindlich auf Überspannungen reagieren.
  

Die heutigen Verbindungslösungen für Hochspannungsanwendungen profitieren von der disziplinübergreifenden Entwicklung von Power-Management-Lösungen für die Bereiche Automotive, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Energie und Schienenverkehr. TE Connectivity (TE) bietet eine breite Palette von Produkten für gerichtete Energiewaffen, einschließlich der folgenden Hochspannungslösungen:
 

• Hochspannungsrelais, -schütze und -schalter
  Die fortschrittlichen, hermetisch abgedichteten Relais, Schütze und Schalter bieten ein hervorragendes Verhältnis von Größe und Leistung und sind für Nennspannungen bis zu 70 kV DC und Ströme bis zu 1.000 A ausgelegt. Gegen Umwelteinflüsse abgedichtete Isolationsdichtungen sind für Hochspannungsanwendungen von entscheidender Bedeutung, um das Eindringen von Feuchtigkeit und Verunreinigungen zu minimieren und Lichtbögen über dem Isolator zu verhindern.
  
  
• Hochleistungs-Stromzuführungen und Umweltdichtungsprodukte
  Vernetzte Polymere in modernen Warmschrumpfschläuchen und Kabelzubehör können wiederholten Erwärmungs- und Abkühlungszyklen standhalten, ohne ihre ursprünglichen Abmessungen und Schutzeigenschaften zu verlieren.
  
  
• Kabelschuhe und Kabelverbinder für hohe Temperaturen
  Muffen, Kabelverbinder und Ersatz-Aderendkappen sind so konzipiert, dass sie Betriebsumgebungen von bis zu 1.200 °F (649 °C) standhalten.
  
  
• Leichtere und kleinere Komponenten
  Es gibt moderne abgedichtete Kabelschuhe und Kabelverbinder, die 60 % leichter sind als herkömmliche Kupferkabelschuhe.
  
  
• MIL-SPEC DEUTSCH Steckverbinder
  Die bekannte DEUTSCH Steckverbinder-Produktfamilie umfasst Kontakte und Steckverbinder, darunter die MIL-DTL-38999-konforme DEUTSCH Steckverbinderserie. Die Spannungsfestigkeit der gegen Umwelteinflüsse abgedichteten DEUTSCH DT Steckverbinder bietet einen Ableitstrom von weniger als zwei Milliampere bei 1.500 Volt Wechselspannung.
  

Mit dem heutigen Angebot an Verbindungslösungen für Hochspannungsanwendungen – und neuen Produkten, die regelmäßig auf den Markt kommen – können Entwickler von gerichteten Energiewaffen zuverlässige und leicht verfügbare Lösungen finden, um kritische Anforderungen zu erfüllen. Verteidigungskonstrukteure, die mit Experten zusammenarbeiten, die Hochspannungslösungen für den gesamten Stromversorgungspfad entwickeln, anpassen, herstellen und implementieren können, können die Entwicklung ihrer Projekte beschleunigen.

• Gerichtete Energiewaffen setzen auf Hochleistungslaser, Teilchenstrahlen oder Hochleistungsmikrowellentechnologien, die Hochspannungslösungen erfordern. 
• Designer von gerichteten Energiewaffen müssen sich den Herausforderungen stellen, die hohe Spannungen an elektrische Verbindungen stellen.
• Gerichtete Energiewaffen verwenden kontinuierliche oder gepulste Energieversorgungssysteme in Verbindung mit hochentwickelten Schalt- und Energiekonditionierungstechnologien, um die abgegebene Energie zu maximieren und gleichzeitig die Energieeinwirkung auf die Host-Plattform zu minimieren.
• Der hohe Bedarf an elektrischer Energie für gerichtete Energiewaffen stellt das Design vor Herausforderungen, die von extremer Hitzebelastungen bis zur Negierung des Skineffekts reichen.
• Die heutigen Verbindungslösungen für Hochspannungsanwendungen profitieren von der disziplinübergreifenden Entwicklung von Power-Management-Lösungen für die Bereiche Automotive, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, Energie und Schienenverkehr.
• TE Connectivity bietet eine umfassende Produktpalette für gerichtete Energiewaffenanwendungen an.