Eine UAV-Komponente, die auf Meereshöhe perfekt funktioniert, hat nicht unbedingt bewiesen, dass sie auf Missionshöhe funktioniert.
Der offensichtliche Unterschied ist der Druck. Es ist nicht immer das wichtigste.
Ein elektrischer Flugcontroller erzeugt weiterhin Wärme, da die umgebende Luft weniger dicht wird. Eine Batterie muss weiterhin Leistung bei der angegebenen Temperatur liefern. Eine Kamera oder ein Sensor muss weiterhin seine Leistungsanforderungen erfüllen – nicht nur eingeschaltet bleiben.
Hier wird die UAV-Höhenprüfung interessanter, als einen DUT in eine Kammer zu setzen und ein Vakuum zu ziehen.
Für viele UAV-Komponenten liegt die Qualifikationsfrage näher an dieser:
Kann der DUT bei dem erforderlichen Druck und der erforderlichen Temperatur arbeiten, während die für die Mission wichtigen Funktionen überwacht werden?
Diese Frage verändert, wie der Test definiert werden sollte – und wie die Höhentestkammer ausgewählt werden sollte.
Was ändert sich eigentlich die Höhe für eine UAV-Komponente?
Altitude ist eine praktische Kurzform für eine Betriebsumgebung. Ein Labor benötigt jedoch messbare Bedingungen.
Der erste ist der atmosphärische Druck.
Unter einer Standardatmosphäre nimmt der Druck mit steigender Höhe ab. Das Atmosphärenmodell der NASA beschreibt beispielsweise den Druck, der mit der Höhe abnimmt, und liefert Gleichungen zur Abschätzung von Druck, Temperatur und Dichte in unterschiedlichen Höhen.
Einige nützliche Referenzwerte sind:
| ca. Höhe | ca. Standardatmosphärendruck |
|---|---|
| Meeresspiegel | 101,3 kPa |
| 2.000 m | 79,5 kPa |
| 5.000 m | 54,0 kPa |
| 8.000 m | 35,6 kPa |
| 10.000 m | 26,5 kPa |
| 15.000 m | 12,0 kPa |
| 20.000 m | 5,5 kPa |
Das sind
Diese Unterscheidung ist wichtig.
"5.000 m Betriebshöhe" ist nützliche technische Information.
Aber bevor der Test beginnt, muss er etwas Präziseres werden:
Erforderlicher Druck + Temperatur + Dauer + DUT-Betriebszustand + Akzeptanzkriterien
Temperatur ist eine separate Eingabe
Der Druck hat eine vorhersehbare Beziehung zur Höhe unter einer Referenzatmosphäre. Die Temperatur einer tatsächlichen UAV-Komponente ist komplizierter.
Eine extern montierte Kamera, eine im Rumpf eingeschlossene Batterie und ein elektrischer Flugcontroller können alle unterschiedliche thermische Bedingungen im selben Flugzeug erleben.
Sonneneinstrahlung, Luftstrom, Gehäusedesign, nahegelegene Elektronik, elektrische Last und Missionsdauer können alle die Bauteiltemperatur beeinflussen.
Der Testingenieur sollte also einer verlockenden Abkürzung widerstehen:
Missionshöhe → Standardatmosphärentemperatur → DUT-Testtemperatur
Die Temperaturanforderung sollte stattdessen aus der tatsächlichen Qualifikationsbasis stammen.
Dann gibt es Wärme
Dies ist besonders wichtig für betriebene Elektronik.
Mit steigender Höhe nimmt die Luftdichte ab. Die Standardatmosphärenmodelle der NASA beschreiben diese Veränderung der Dichte zusammen mit Druck und Temperatur.
Betrachten wir nun einen elektrischen Flugcontroller, der Dutzende Watt in einem Gehäuse abgibt.
Die Kammer kann auf -20°C eingestellt sein, aber das bedeutet nicht, dass alle elektronischen Komponenten im DUT bei -20°C sind. Der DUT erzeugt Wärme, und sein thermisches Gleichgewicht kann sich unter reduzierten Druckbedingungen ändern.
Das gibt uns eine nützliche Regel für die Kammerauswahl:
Kammer-Sollwert ≠ Komponententemperatur.
Wenn die UAV-Komponente während des Höhentests arbeitet, gehört ihre Wärmebelastung in die Testdefinition und in die Ausrüstungs-RFQ.
Welche UAV-Komponenten sind am empfindlichsten auf Höhe?
Es gibt keinen einzigen "UAV-Höhentest", der für jede Komponente des Flugzeugs gleich sinnvoll ist.
Der Ausfallmechanismus ist entscheidend.
Battery Packs
Für eine Batterie ist die Temperatur normalerweise nicht von der Höhendiskussion zu trennen.
Das Paket muss weiterhin die erforderliche elektrische Leistung liefern, während es der angegebenen Betriebsumgebung ausgesetzt ist. Je nach Qualifikationsprogramm kann auch ein reduzierter Druck Teil dieses Umfelds sein.
Das kann die relevante Frage aufwerfen:
Übersteht die Batterie lediglich die Höhenexposition oder muss sie dort eine bestimmte Leistung liefern?
Das sind verschiedene Tests.
Es gibt noch eine weitere Unterscheidung, die es wert ist. UN 38.3 T.1 Höhensimulation ist eine Anforderung zur Transportsicherheit von Lithiumbatterien. Die Qualifikation der operativen Flughöhe eines UAV stellt eine andere technische Frage: Ob die Batterie die vom Flugzeug festgelegten Anforderungen in ihrer vorgesehenen Umgebung erfüllt.
Die gleiche Batterie kann beide Anforderungen erfüllen, aber eine sollte nicht automatisch die andere ersetzen.
Flugcontroller und Avionik
Bei der Avionik kann ein betriebenes Testen mehr als eine Nachkontrolle ergeben.
Ein Fluglotse muss möglicherweise während der gesamten Höhenbedingungen die Kommunikation, das stabile Energieverhalten und einen fehlerfreien Betrieb aufrechterhalten.
Wenn die einzige Akzeptanzprüfung "schaltet es sich nach der Wiederherstellung ein?", wird eine Unterbrechung, die nur bei niedrigem Druck stattfand, möglicherweise nie erfasst.
Das thermische Verhalten verdient ebenfalls Aufmerksamkeit, da Avionik während des Betriebs weiterhin Wärme erzeugt.
Sensors and Communication Modules
Für Sensoren sind eingeschaltet und korrekt funktionierend keine Synonyme.
Je nach DUT müssen Ingenieure möglicherweise überwachen:
Messgenauigkeit, Signalstabilität, Datenausgabe, Kommunikationsstatus oder Messdrift.
Ein Sensor, der den Test übersteht, aber außerhalb des angegebenen Genauigkeitsbereichs liegt, könnte dennoch seine Missionsanforderung nicht erfüllt haben.
Kameras und Gimbals
Optische Nutzlasten bringen eine weitere Reihe von Bedenken mit sich.
Temperatur kann Fokus, Ausrichtung und mechanisches Verhalten beeinflussen. Die Nutzlast muss möglicherweise die Bildqualität aufrechterhalten oder einen Gimbalbetrieb aufrechterhalten, solange die Höhenbedingung vorhanden ist.
Umweltübergänge können ebenfalls eine Rolle spielen, wenn Kondensation oder Nebel ein Problem darstellen.
Der gemeinsame Thread ist einfach:
Definieren Sie, was "pass" bedeutet, bevor Sie den Kammerzyklus definieren.
Warum die rein druckbasierte Prüfung die tatsächliche Anforderung übersehen kann
Angenommen, ein Avionikmodul muss mit
Ein Labor könnte zwei separate Tests durchführen.
Test A — Low Temperature
-40°C
ungefähr normaler atmosphärischer Druck
Und dann:
Test B — Niederdruck
35 kPa
23°C
Beide Tests liefern nützliche Informationen.
Beides zeigt automatisch, dass das DUT funktioniert:
Test C — Temperatur + Höhe
-40°C
35 kPa
powered
Das bedeutet nicht, dass die kombinierte Bedingung immer ein anderes Ergebnis liefert.
Das bedeutet, dass die Interaktion nicht nachgewiesen wurde.
Temperatur kann Materialien, Elektronik, Batterien und Dichtungen beeinflussen. Reduzierter Druck verändert die umgebende Luftumgebung und kann das thermische Verhalten sowie Druckdifferenzen beeinflussen.
Wenn die Qualifikationsanforderung diese Bedingungen gleichzeitig angibt, beantwortet das Wiedergeben der einzelnen Bedingungen eine andere Frage.
Gleicher Druck. Andere thermische Umgebung. Andere Frage zur Qualifikation.
Dies ist der Punkt, an dem eine einfache Niederdruckkammer und eine Temperatur-Höhen-Kammer aufhören, gleichwertige Testwerkzeuge zu sein.
MIL-STD-810H Methode 500.6 oder IEC 60068-2-13?
Diese Referenzen werden oft in Höhentestdiskussionen erwähnt, sollten aber nicht als austauschbare Bezeichnungen für "unter Vakuum setzen" behandelt werden.
IEC 60068-2-13:2021 ist die aktuelle fünfte Ausgabe von Umwelttests — Teil 2-13: Tests — Test M: Niedriger Luftdruck. IEC besagt, dass der Test für Proben gilt, die während Transport, Lagerung oder Wartung einem niedrigen Luftdruck ausgesetzt sein können. Die Überarbeitung von 2021 stimmte zudem die Schweregrade an relevantes IEC 60721-Material an und fügte Richtlinien zur Auswahl der Expositionsdauer hinzu.
MIL-STD-810H Methode 500.6 verfolgt einen lebenszyklusbasierten Umweltansatz für Niedrigdruck-/Höhenexposition und enthält Verfahren, die verschiedene Niederdrucksituationen abdecken.
Für UAV-Arbeit ist eine nützliche obere Unterscheidung:
| MIL-STD-810H Methode 500.6 | IEC 60068-2-13:2021 | |
|---|---|---|
| Umgebung | Tiefdruck / Höhe | Niedriger Luftdruck |
| Allgemeiner Ansatz | Lebenszyklus-Umweltanpassung | Definierte Umwelttestmethode |
| Gemeinsamer Kontext | Luft- und Raumfahrt, Verteidigung, robuste Ausrüstung | Komponenten und Ausrüstung |
| Testauswahl | Anwendbares Verfahren und Lebenszyklusanforderung | Relevante Spezifikation und Schweregrad |
| UAV-Nutzung | Mission-gesteuerte Qualifikation, wo angegeben | Bauteil-/Geräte-Low-Pressure-Test, wo angegeben |
Die Tabelle ist nicht dafür gedacht, einen Standard dem anderen vorzuziehen.
Ein Verteidigungs-UAV-Programm, eine kommerzielle Bauteilspezifikation und ein kundenspezifischer Qualifikationsplan können unterschiedliche Anforderungen aufweisen.
Wichtig für die Auswahl der Kammer ist, was aus diesen Anforderungen letztlich wird:
Druck, Temperatur, Dauer, Übergang, DUT-Zustand und Überwachung.
Das führt zu einem weiteren nützlichen Prinzip:
Wählen Sie den Standard nicht aus der Kammer aus. Wählen Sie die Kammer aus der Testanforderung aus.
Missionshöhe in ein Labortestprofil umwandeln
Eine Phrase wie "arbeitet bis zu 8.000 m" ist noch kein Kammerprogramm.
Es muss übersetzt werden.
Start mit der Druckanforderung
Die Flughöhe stellt den Startpunkt dar.
Eine Standard-Atmosphären-Referenz kann helfen, die Höhe in einen ungefähren Atmosphärendruck zu übersetzen, aber der endgültige Kammerwert sollte der geltenden Spezifikations- oder Qualifikationsbasis entsprechen.
Hier wird IMAGE 4 nützlich.
Hinzufügen der Temperatur
Frag als Nächstes, ob das DUT Folgendes sagen muss:
überleben Sie die Temperatur,
Betrieb bei der Temperatur,
oder eine definierte Leistungsanforderung bei der Temperatur erfüllen.
Dies sind nicht unbedingt gleichwertige Akzeptanzkriterien.
Definiere, wie die Umgebung erreicht wird
Erfordert der Test, dass der DUT zuerst die Temperatur erreicht und dann den Druck senkt?
Sollten sich Druck und Temperatur gleichzeitig ändern?
Ist eine bestimmte Druckänderungsrate erforderlich?
Wie wird die Stabilisierung bestimmt?
Das anwendbare Verfahren sollte diese Fragen beantworten. Die Kammer sollte so konfiguriert sein, dass sie sie reproduzieren können.
Definiere die Exposition
Das Erreichen von 35 kPa bedeutet nicht, dass der Test abgeschlossen ist.
Die Anforderung benötigt außerdem eine Expositionsdauer und eine klare Definition, wann diese Dauer beginnt. IEC stellt fest, dass die Revision von 2021 Hinweise zur Auswahl der Expositionsdauer hinzugefügt hat.
Entscheide, ob das DUT funktioniert
Diese Entscheidung betrifft sowohl das Testziel als auch die Kammerkonfiguration.
Ein betriebener DUT kann erfordern:
Stromleitung, Signalverbindungen, Datenkommunikation, Thermoelemente und zusätzliche Durchführungen.
Es bringt auch Wärme in den Arbeitsbereich.
Entscheide, was als Pass zählt
Für einen Fluglotsen könnte dies auch Kommunikation und Fehlerstatus umfassen.
Für eine Kamera kann die Bild- oder Gimbal-Leistung eine Rolle spielen.
Für einen Sensor kann die Genauigkeit eine Rolle spielen.
Für eine Batterie kann die elektrische Leistung eine Rolle spielen.
Ein gut definiertes Kammerprofil ohne sinnvolles Akzeptanzkriterium ist immer noch ein unvollständiger Qualifikationstest.
Was geht normalerweise bei UAV-Höhentests schief?
Die meisten Höhentestprobleme entstehen nicht dadurch, dass eine Kammer keinen niedrigen Druck erzeugen kann. Sie beginnen früher, wenn die Anforderung in einen Test übersetzt wird.
01 — Höhe ohne definierte Druckbasis
"10.000 m" beschreibt eine Umgebung. Das Labor muss weiterhin wissen, welche Druckdefinition oder -spezifikation den Test bestimmt.
02 — nur Druck, wenn die Anforderungen kombiniert werden
Ein Raumtemperatur-Niederdrucktest stellt keinen festgelegten Niedertemperatur-/Niederdruckbetrieb dar.
03 — Kammerlimit = Testniveau
Das ist ein überraschend einfacher Fehler.
Wenn eine Kammer
Es bedeutet bedeutet nicht, dass der DUT auf 1 kPa gehört.
04 — DUT-Wärmelast wird ignoriert
Ein betriebenes Avionikmodul bringt Wärme in die Kammer und entwickelt eine eigene interne Temperaturverteilung.
Das ist wichtig bei der Bewertung sowohl der Kammerleistung als auch des DUT-Verhaltens.
05 — Keine Live-Überwachung
Eine Komponente kann sich nach der Rückkehr zum normalen Druck erholen.
Wenn die Anforderung den Betrieb in Höhe betrifft, kann allein eine Einschaltung nach dem Test das Ereignis verfehlen, das Sie erkennen wollten.
06 — Übergang und Wiederherstellung werden als Einrichtung behandelt
Druckreduktion, Temperaturübergang, Stabilisierung und Erholung können Teil des definierten Verfahrens sein.
Sie sollten nicht improvisiert werden, nur weil der endgültige Sollwert korrekt ist.
Auswahl einer Temperatur + Höhenkammer
Sobald der Test definiert ist, wird die Geräteauswahl viel weniger geheimnisvoll.
Und die erste Zahl, die man betrachten sollte, sollte nicht unbedingt der Mindestdruck sein.
Druckbereich – und Druckregelung
Eine Spezifikation wie Mindestdruck: 1 kPa gibt den niedrigsten Druck an, den das System unter definierten Bedingungen erreichen soll.
UAV-Tests können stattdessen einen kontrollierten Betrieb bei Zwischenbedingungen wie 54 kPa, 35 kPa oder 26,5 kPa erfordern.
Das macht die Fähigkeit, das erforderliche Druckprofil zu reproduzieren, wichtig – nicht nur die ultimative Niederdruckgrenze.
Minimaldruck ist eine Spezifikation. Das Testprofil ist die Voraussetzung.
Temperatur und Druck zusammen
Wenn der Test gleichzeitig niedrige Temperatur und reduzierten Druck vorsieht, überprüfen Sie die relevante kombinierte Zustand des Systems, anstatt den Temperatur- und Druckbereich als zwei völlig unabhängige Spezifikationen zu lesen.
Dies ist besonders wichtig beim Vergleich von Kammern.
Eine maximale Temperatur, minimale Temperatur und Mindestdruck, die auf drei separaten Zeilen gedruckt sind, beschreiben für sich genommen nicht jeden möglichen kombinierten Betriebszustand.
DUT-Größe entspricht nicht dem Kammervolumen
Die UAV-Komponente, Montagehardware, Kabel und Überwachungsanschlüsse müssen alle in den nutzbaren Arbeitsbereich passen.
Die Kammer benötigt außerdem ausreichend Abstand für die vorgesehene Testkonfiguration.
Also geben Sie tatsächlich:
L × W × H
anstatt einfach zu sagen:
"Es handelt sich um einen mittelgroßen Fluglotser."
Betriebene DUTs benötigen thermische Berücksichtigung
Teilen Sie dem Gerätehersteller mit, ob die Probe während des Tests arbeiten wird und wie viel Wärme sie erzeugt.
Für elektronische UAV-Komponenten kann dies genauso wichtig sein wie die DUT-Masse.
Feedthroughs sind Teil des Testsystems
Power, Ethernet, CAN, Sensorleitungen, Thermoelemente oder andere Signale müssen möglicherweise die Kammerwand durchqueren.
Die Durchführanordnung sollte daher mit dem Überwachungsplan definiert werden – nicht nach dem Bau der Kammer.
Von der Testanforderung zur GDJZ-535L-B-Konfiguration
Betrachten Sie einen UAV-Komponententest, der Folgendes erfordert:
kontrollierte Temperatur
reduzierter Druck
powered operation
externe Überwachung
Diese Anforderung deutet auf eine Temperatur-/Niederdruck-Umweltkammer hin und nicht auf eine einfache Vakuumkammer.
Eine ITM-LAB-Konfiguration für diese Art von Arbeit ist die GDJZ-535L-B Temperatur / Klima / Low Air Pressure Testkammer.
Zu den wichtigsten nominalen Funktionen gehören:
Arbeitsbereich: 535 L
Temperatur: -40°C bis +150°C
Tiefdruck: auf 1 kPa
Der 535-L-Arbeitsbereich kann viele UAV-Test-Setups auf Komponentenniveau aufnehmen, bei denen das erforderliche DUT, die erforderliche Montageanordnung und die Verbindungen in den nutzbaren Testraum passen.
Der Temperaturbereich und die Niederdruckfähigkeit bieten Platz für verschiedene Höhenprofile, abhängig von der tatsächlichen kombinierten Leistungsfähigkeit für das Projekt.
Und die wichtigste Zahl ist nicht unbedingt 1 kPa.
1 kPa ist die Kammerfähigkeit – nicht die UAV-Testschwere.
Ein Flugcontroller-Test mit 35 kPa sollte um etwa 35 kPa konfiguriert werden, weil dies die Voraussetzung ist – nicht durch 1 kPa "rigoroser" gemacht.
Ebenso bedeutet eine -40°C-Kammerfähigkeit nicht, dass jede UAV-Komponente -40°C ausgesetzt sein sollte.
Die korrekte Konfiguration ergibt sich aus der Missions- und Qualifikationsanforderung.
Für eine praktische Gerätebewertung sind die nützlichsten Informationen, die man ITM-LAB senden sollte:
DUT-Abmessungen und -masse, Missionshöhe oder erforderlicher Druck, Temperaturprofil, Energiezustand, Wärmelast, Expositionsdauer, Druck-/Temperaturübergangsanforderungen, Durchführungen und Überwachungsbedarf.
Das reicht aus, um die Diskussion von:
"Verkaufen Sie eine Höhenkammer?"
to:
"Kann dieses System meinen Test reproduzieren?"
Drei Fragen, die wir oft beantworten müssen
Ist eine Vakuumkammer dasselbe wie eine UAV-Höhentestkammer?
Nicht unbedingt.
Wenn die Anforderung nur eine definierte Niederdruckbelastung ist, kann ein geeignetes Niederdrucksystem ausreichen.
Wenn die UAV-Komponente gleichzeitig kontrollierte Temperatur und reduzierten Druck erfahren muss – oder arbeiten muss, während Strom, Signale und Temperatur überwacht werden –, muss das Testsystem diese Anforderungen ebenfalls unterstützen.
Der korrekte Vergleich ist daher nicht einfach Vakuumkammer vs Höhenkammer. Es ist Gerätefähigkeit vs. Testprofil.
Wie rechne ich die UAV-Höhe in den Kammerdruck um?
Ein Standard-Atmosphärenmodell liefert die Beziehung zwischen Höhe und atmosphärischem Druck. Die NASA veröffentlicht zu diesem Zweck atmosphärische Gleichungen und Referenzdaten.
Der berechnete Standardatmosphärendruck sollte jedoch nicht automatisch die anwendbare Testspezifikation überschreiben.
Verwenden Sie die Missionshöhe als technischen Ausgangspunkt und bestätigen Sie dann den erforderlichen Kammerdruck anhand der Qualifikationsbasis.
Sollte die UAV-Komponente während der Höhentests eingesetzt werden?
Wenn das Ziel darin besteht,
Wenn die Anforderung Lagerung, Transport oder Überlebensexposition ist, kann der Zustand des Probens unterschiedlich sein.
Definieren Sie zuerst das Ziel. Dann befolgen Sie das entsprechende Verfahren.
Höhe ist mehr als ein Vakuumniveau
Die nützliche Frage bei UAV-Höhentests ist nicht:
Wie tief kann die Kammer gehen?
Es ist:
Welche Umgebung muss diese Komponente reproduzieren?
Für viele UAV-Komponenten enthält diese Antwort mehr als nur Druck:
MISSIONSHÖHE
↓
ERFORDERLICHER DRUCK
↓
TEMPERATUR
↓
DUT-BETRIEBSZUSTAND
↓
HEAT LOAD
↓
DURATION + TRANSITION
↓
FUNKTIONALE ÜBERWACHUNG
↓
KAMMERKONFIGURATION
Diese Sequenz vermeidet zwei entgegengesetzte Fehler.
Man wird noch nicht getestet: Niedriger Druck wird wiedergegeben, während eine Temperatur oder Betriebsbedingung, die die Qualifikationsanforderung tatsächlich verlangt, ausgelassen wird.
Der andere ist Übertests: die extremste Fähigkeit der Kammer einfach deshalb zu nutzen, weil sie verfügbar ist.
Beides macht einen Test repräsentativer.
Für UAV-Batterien, Flugsteuerungen, Avionik, Sensoren und Kameras ist das Ziel, die spezifizierte Umgebung zu reproduzieren und festzustellen, ob die Komponente noch das erfüllt, was die Mission verlangt.
Definieren Sie zuerst das Höhenprofil. Wählen Sie die zweite Kammer.
