一种高强度系留电缆及其制备方法与流程

本发明涉及电线电缆技术领域，尤其涉及一种高强度系留电缆及其制备方法，适用于无人飞机或飞行器数据及能量传输。

背景技术：

随着科技的不断发展，无人机和低空飞行器在各个领域的需求正与日俱增。常规的系留式无人机，使用系留电缆作为能量供应和传输信号，其飞行的高度以及飞行的时长受限于系留电缆的长度和结构影响。飞机越高，意味着线缆越长，直流供电下，意味着发热功率越大，其整体重量也越重。

常规的系留电缆一般由传输电能的导线和传输信号的光纤光缆组成：导线的导体材料一般为镀锡铜线，绝缘材料一般为pe；光纤为普通单模光纤，护套为tpu材质。成型方式一般为挤出，由于材料自身的限制，其耐温等级不超出80℃，其有效距离较短，长时间使用下，其发热功率较大，影响飞机的飞行高度和使用时长。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明的首要目的在于提高线缆的耐温等级，减轻线缆的重量和体积，使用独特结构的设计，提高线缆的有效传输距离，为无人机的飞行时间和飞行高度提供有效保证，为此，本发明提供了一种高强度系留电缆，光缆结构散热性能好，导线耐温可以达到260℃，线缆整体抗拉强度高，有利于提高无人机的飞行高度，同时保证长时间稳定工作。

本发明的目的之二在于提供一种高强度系留电缆的制备方法，流程简单。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

一种高强度系留电缆，包括至少一个光单元部分、至少两个电单元部分和加强单元部分，所述光单元部分为圈层结构，包括光纤芯层、以及依次绕包在所述光纤芯层外的光纤紧套层和金属铠装层；所述电单元部分为圈层结构，包括多芯铜合金导体，以及依次绕包在所述多芯铜合金导体外的第一绝缘层和第二绝缘层；所述光单元部分和所述电单元部分平行而设；所述加强单元部分包括填充层、编织铠装层和保护层；所述填充层、所述光单元部分和所述电单元部分几何成圆形成一体，记为半成品，所述填充层填充在所述光单元部分和所述电单元部分以外的地方；所述编织铠装层编织在所述半成品外，所述保护层绕包在所述编织铠装层外。

进一步地，对于所述光单元部分，所述光纤芯层选用聚酰亚胺涂覆的单模光纤；所述光纤紧套层为聚四氟乙烯生料带绕包层，所述聚四氟乙烯生料带的单层厚度为0.01～0.20mm，宽度为2.2～19.2mm，绕包后所述光纤紧套层的总厚度为0.1～0.50mm。

进一步地，对于所述光单元部分，所述金属铠装层为不锈钢丝绕包层，所述不锈钢丝的外径为0.05～1.5mm，所述不锈钢丝挤压成扁带后螺旋绕包于所述光纤紧套层外，螺旋升角为17～60°，螺旋间距为0.08-0.15mm，优选为0.05mm。

进一步地，对于所述电单元部分，所述多芯铜合金导体由多芯镀镍铜合金导体束丝而成，节径比为10～16。

进一步地，对于所述电单元部分，所述第一绝缘层为聚四氟乙烯-聚酰亚胺-聚四氟乙烯复合材料带绕包层，搭接宽度为30％～80％；所述第二绝缘层为聚四氟乙烯生料带绕包层，搭接宽度为30％～80％，所述聚四氟乙烯生料带的单层厚度为0.01～0.20mm，宽度为1.8～32mm。

进一步地，对于所述加强单元部分，所述编织铠装层包括由若干条防弹芳纶丝组成的防弹芳纶丝芯层，以及绕包在所述防弹芳纶丝芯层外的中空镀银铜丝层；所述编织铠装层的编织锭数为8～144锭，编织密度为80％以上。

进一步地，对于所述加强单元部分，所述填充层为芳纶填充层，节径比为8～14；所述保护层为聚四氟乙烯生料带绕包层，所述聚四氟乙烯生料带的单层厚度为0.15～0.4mm。

进一步地，所述光单元部分和所述电单元部分的数目均为两根，两根所述电单元部分左右并排而设形成电单元体，两个所述光单元部分分别设置在所述电单元体的上方和下方。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

一种高强度系留电缆的制备方法，包括：

光单元紧套光纤制备步骤：将光纤紧套材料绕包在光纤芯层外，得到紧套光纤；

光单元金属铠装步骤：将所述紧套光纤置于铠装放线架上，取金属铠装材料，将所述金属铠装材料挤压成扁带后螺旋绕包于所述紧套光纤上，得到光单元部分；

电单元导体芯制备步骤：取若干根铜合金导体束丝成多芯铜合金导体；

电单元绝缘层制备步骤：取第一绝缘层材料，将所述第一绝缘层材料绕包在所述多芯铜合金导体上，然后取第二绝缘层材料进行绕包，接着进行烧结，得到电单元部分；

成缆步骤：取所述光单元部分和所述电单元部分，采用主动退扭放线架及悬臂单绞机，辅以填充材料平托于所述光单元部分和所述电单元表面，将填充材料、光单元部分和电单元部分几何成圆形成半成品；

编织铠装层制备步骤：采用单锭单丝编织设备，将编织铠装材料编织在所述半成品外；

保护层制备步骤：取保护层材料，将所述保护层材料绕包在所述编织铠装层外，然后进行半烧结，即成。

进一步地，在所述光单元紧套光纤制备步骤中，进行光纤紧套材料绕包时，控制绕包设备的张力为1～25n；

在所述光单元金属铠装步骤中，将所述紧套光纤置于铠装放线架上，设置放线张力为0～40n；所述金属铠装材料的螺旋升角范围为17～60°，螺旋间距为0.05mm；

在所述电单元导体芯制备步骤中，设置节径比为10～16；

在所述电单元绝缘层制备步骤中，进行第一绝缘层材料绕包时，设置搭接宽度为30％～80％，进行第二绝缘层材料绕包时，设置搭接宽度为30％～80％；

在所述成缆步骤中，设置节径比为8～14；

在所述编织铠装层制备步骤中，设置编织锭数为8～144锭，编织密度控制在80％以上；

在所述保护层制备步骤中，进行半烧结时控制烧结温度为320～370℃。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)本发明所提供的高强度系留电缆，同时是一种耐高温轻质系留电缆，采用特殊的散热结构设计理念，使用轻质新型的绝缘材料及铜箔丝材料，在保证性能的基础上，降低了线缆整体的外径和重量，极大的提高了系留线缆的有效长度和使用时效，进而提高了无人机的工作高度和时长。

(2)本发明所提供的高强度系留电缆的制备方法，利用特殊的铠装、绝缘制造及编织工艺，光缆结构散热性能好，耐高温，线缆整体抗拉强度高，有利于提高无人机的飞行高度，同时保证长时间稳定工作。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的高强度系留电缆的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的高强度系留电缆中编织铠装层的爆炸示意图。

图中：1、光纤芯层；2、光纤紧套层；3、金属铠装层；4、多芯铜合金导体；5、第一绝缘层；6、第二绝缘层；7、填充层；8、编织铠装层；81、中空镀银铜丝；82、防弹芳纶丝；9、保护层。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

一种高强度系留电缆，如图1所示，包括至少一个光单元部分、至少两个电单元部分和加强单元部分，光单元部分为圈层结构，包括光纤芯层1、以及依次绕包在光纤芯层1外的光纤紧套层2和金属铠装层3；电单元部分为圈层结构，包括多芯铜合金导体4，以及依次绕包在多芯铜合金导体4外的第一绝缘层5和第二绝缘层6；光单元部分和电单元部分平行而设；加强单元部分包括填充层7、编织铠装层8和保护层9；填充层7、光单元部分和电单元部分几何成圆形成一体，记为半成品，填充层7填充在光单元部分和电单元部分以外的地方；编织铠装层8编织在半成品外，保护层9绕包在编织铠装层8外。

作为进一步的实施方式，对于光单元部分，光纤芯层1选用聚酰亚胺涂覆的单模光纤；具体为耐高温的聚酰亚胺涂覆的g657d单模弯曲不敏感光纤，保证了数据信号的传输距离和质量。

作为进一步的实施方式，光纤紧套层2为聚四氟乙烯生料带绕包层，聚四氟乙烯生料带的单层厚度为0.01～0.20mm，宽度为2.2～19.2mm，多层绕包后光纤紧套层2的总厚度为0.1～0.35mm。ptfe生料带多层包覆于光纤表面达到防水、隔温及机械防护缓冲的目的。

作为进一步的实施方式，对于光单元部分，金属铠装层3为不锈钢丝绕包层，不锈钢丝的外径为0.05～1.5mm，最优选为0.15mm，不锈钢丝挤压成扁带后螺旋绕包于光纤紧套层2外，螺旋升角为17～60°，优选为45°，螺旋间距为0.08-0.15mm，优选为0.05mm。柔软金属铠装层3采用高强度不锈钢丝均匀螺旋缠绕于光纤紧套层2外，起到散热、提升线缆抗拉性能、机械防护、改善弯曲特性以及耐侧压力的作用。并且，这样的设置能够提高光纤抗受外界环境以及外层结构的侧压力，并且减少光缆的整体外径，保证线缆的弯曲性能，更加快捷的散热。

作为进一步的实施方式，对于电单元部分，多芯铜合金导体4由柔软轻质的多芯镀镍铜合金导体束丝而成，能够提高耐温等级，改善弯曲特性和线缆硬度，在传输电能的同时，具有很好的散热性；设置节径比为10～16，保证导体外观圆整饱满。多芯铜合金导体4有效的降低了线缆的外径和重量，加大了导体单丝间的紧密程度，保证了导电层的电导性，提升了散热性能。

作为进一步的实施方式，对于电单元部分，第一绝缘层5为聚四氟乙烯-聚酰亚胺-聚四氟乙烯复合材料带绕包层，搭接宽度为30％～80％，第一绝缘层5作为复合绝缘介电层的一部分，采用特殊的聚四氟乙烯-聚酰亚胺-聚四氟乙烯复合材料带，其特点是质量轻、绝缘性能卓越，可耐温至500度，只需要薄薄的一层就能达到优异的电气绝缘性能，极大的减轻了线缆的外径和体积。

作为进一步的实施方式，第二绝缘层6为聚四氟乙烯生料带绕包层，搭接宽度为30％～80％，聚四氟乙烯生料带的单层厚度为0.01～0.20mm，宽度为1.8～32mm。第二绝缘层6作为复合绝缘介电层的另一部分，采用工艺和配方生产的聚四氟乙烯生料带紧紧包覆于复合材料表面，起到辅助电气绝缘和防水的作用。

作为进一步的实施方式，对于加强单元部分，填充层7为芳纶填充层7，节径比为8～14；芳纶填充充实成缆的孔隙，使之电缆几何成圆的同时，提高线缆的负重和抗拉能力，同时空隙的存在也提高了线缆的散热性。

如图2所示，作为进一步的实施方式，对于加强单元部分，编织铠装层8包括由若干条防弹芳纶丝82组成的防弹芳纶丝芯层，以及绕包在防弹芳纶丝芯层外的中空镀银铜丝81层；编织铠装层8的编织锭数为8～144锭，编织密度为80％以上。可以根据实际产品的设计选取不同外径的中空镀银铜箔丝，中空的结构在保证了长距离大功率传输线缆的时候的散热，同时也降低了线缆产品的重量，并且当受到空气或物理侧压及撞击时，起到缓冲和防护的作用。

作为进一步的实施方式，保护层9为聚四氟乙烯生料带绕包层，聚四氟乙烯生料带的单层厚度为0.15～0.4mm。采用ptfe生料带多层均匀缠绕于编织铠装层8表面，被称之为塑料王的ptfe材料本身就具有极其优异的耐恶劣环境的特性，生料带层分子间致密多孔的结构既保证的散热和透气性，又保证了潮气和水分子的渗入，起到防护和防水的作用。

作为进一步的实施方式，如图1所示，光单元部分和电单元部分的数目均为两根，两根电单元部分左右并排而设形成电单元体，两个光单元部分分别设置在电单元体的上方和下方。

本发明实施例所提供的高强度系留电缆，同时是一种耐高温轻质系留电缆，采用特殊的散热结构设计理念，使用轻质新型的绝缘材料及铜箔丝材料，在保证性能的基础上，降低了线缆整体的外径和重量，极大的提高了系留线缆的有效长度和使用时效，进而提高了无人机的工作高度和时长。

一种高强度系留电缆的制备方法，包括：

光单元紧套光纤制备步骤：将光纤紧套材料绕包在光纤芯层1外，得到紧套光纤；

光单元金属铠装步骤：将紧套光纤置于铠装放线架上，取金属铠装材料，将金属铠装材料挤压成扁带后螺旋绕包于紧套光纤上，得到光单元部分；

电单元导体芯制备步骤：取若干根铜合金导体束丝成多芯铜合金导体4；

电单元绝缘层制备步骤：取第一绝缘层5材料，将第一绝缘层5材料绕包在多芯铜合金导体4上，然后取第二绝缘层6材料进行绕包，接着进行烧结，得到电单元部分；

成缆步骤：取光单元部分和电单元部分，采用主动退扭放线架及悬臂单绞机，辅以填充材料平托于光单元部分和电单元表面，将填充材料、光单元部分和电单元部分几何成圆形成半成品；

编织铠装层8制备步骤：采用单锭单丝编织设备，将编织铠装材料编织在半成品外；

保护层9制备步骤：取保护层9材料，将保护层9材料绕包在编织铠装层8外，然后进行半烧结，即成。

作为进一步的实施方式，在光单元紧套光纤制备步骤中，进行光纤紧套材料绕包时，控制绕包设备的张力为1～25n，避免在生产过程中张力过大，使得光纤产生拉伸和微弯，影响传输效能，使用我司独立研发的绕包设备，使用特殊的绕包头和模具以及电机控速，三者相互配合，采用多层多次绕包，使得ptfe生料带均匀的附在光纤表面，ptfe生料带绕包总厚度范围为0.1～0.35mm。

在光单元金属铠装步骤中，将紧套光纤置于铠装放线架上，设置放线张力为0～40n；金属铠装材料的螺旋升角范围为17～60°，螺旋间距为0.05mm；

在电单元导体芯制备步骤中，设置节径比为10～16；

在电单元绝缘层制备步骤中，使用我司独立研发的绕包设备，使用特殊的绕包头和模具以及电机控速，三者相互配合，采用多层多次绕包，首先绕包聚四氟乙烯-聚酰亚胺-聚四氟乙烯复合材料带，精确控制搭接宽度为30％～80％，紧紧围绕在导体层表面，然后再绕包ptfe生料带，精确控制搭接宽度为30％～80％，紧紧围绕在复合材料带表面，根据线径的大小，选取合适厚度(0.01～0.20mm)和宽度(1.8～32mm)的带子，或者生料带和复合带相互配合，保证了电单元中电线的绝缘电气性能。然后进行烧结工序，控制烧结的线速度和烧结温度，让绝缘带子紧紧贴覆于导体表面，形成细密的绝缘层，降低了线缆的外径和体积。

在成缆步骤中，设置节径比为8～14；

在编织铠装层8制备步骤中，为保证良好的散热特性，不需要进行并丝处理，采用单锭单丝编织设备，锭数的范围为8～144锭，优选为120锭。当长距离传输电能时，镀银铜丝本身的中空结构以及单锭单丝的特殊编织结构，能够保证线缆的整体散热特性。编织的主要参数是编织密度，其密度范围控制在80％以上，优选为85％，既保证了机械防护又控制了线缆重量；而常规的编织工序前，要对材料进行并丝处理；

在保护层9制备步骤中，为了保障线缆内部有效工作单元的正常和稳定持久工作，采用了ptfe生料带进行绕包形成保护层9。使用我司独立研发的绕包设备，使用特殊的绕包头和模具以及电机控速，三者相互配合，采用多层多次绕包，使得带子均匀的附在电缆表面，其厚度范围为0.15～0.4mm。接着采用特定的半烧结工艺，其烧结温度控制在320～370℃，保证了线缆的良好的散热性能。

本发明实施例所提供的高强度系留电缆的制备方法，利用特殊的铠装、绝缘制造及编织工艺，光缆结构散热性能好，耐高温，线缆整体抗拉强度高，有利于提高无人机的飞行高度，同时保证长时间稳定工作。

以下是本发明具体的实施例，在下述实施例中所采用的原材料、设备等除特殊限定外均可以通过购买方式获得。

实施例1

一种高强度系留电缆，包括两个光单元部分、两个电单元部分和加强单元部分，光单元部分为圈层结构，包括光纤芯层、以及依次绕包在光纤芯层外的光纤紧套层和金属铠装层；电单元部分为圈层结构，包括多芯铜合金导体，以及依次绕包在多芯铜合金导体外的第一绝缘层和第二绝缘层，第一绝缘层为聚四氟乙烯-聚酰亚胺-聚四氟乙烯复合材料带绕包层，第二绝缘层为聚四氟乙烯生料带绕包层；光单元部分和电单元部分平行而设；加强单元部分包括芳纶填充层、编织铠装层和聚四氟乙烯保护层；芳纶填充层、光单元部分和电单元部分几何成圆形成一体，记为半成品，芳纶填充层填充在光单元部分和电单元部分以外的地方；编织铠装层编织在半成品外，聚四氟乙烯保护层绕包在编织铠装层外；编织铠装层包括由若干条防弹芳纶丝组成的防弹芳纶丝芯层，以及绕包在防弹芳纶丝芯层外的中空镀银铜丝层，该高强度系留电缆按照以下方法制备而成：

光单元紧套光纤的制备：选取耐高温的聚酰亚胺涂覆的g657d单模弯曲不敏感光纤，选取厚度为0.08mm，宽度为15mm的ptfe生料带，绕包设备的张力控制在22n，采用多层多次绕包，使得带子均匀的附在光纤表面，其厚度为0.2mm。

光单元光纤铠装的制备：将上步骤得到的紧套光纤置于铠装放线架上，调整放线张力范围为40n，同时采用高强度镀锌不锈钢丝，外径范围在0.65mm，挤压成扁带，螺旋绕包于紧套光纤上，螺旋升角范围在60°，螺旋间距为0.15mm；

电单元导体层的制备：使用多芯轻质柔软铜合金导体，规格为0.5mm²，采用27×0.15mm束丝结构，其节径比为16；

电单元绝缘介电层的制备：采用多层多次绕包，首先绕包聚四氟乙烯-聚酰亚胺-聚四氟乙烯复合材料带，选取0.05mm厚度和6.5mm宽度，控制搭接度为55％，再选取0.05mm厚度和7.8mm宽度的ptfe生料带，搭接度为55％，550℃下红外烧结30秒；

成缆的制备：采用主动退扭放线架，及进口的悬臂单绞机，辅以4根1500d芳纶填充平托于电单元和光单元表面，节径比优选为12。采用2根铠装光纤和2根电线的4芯成缆结构；

编织铠装层的制备：选取编织为120锭的立式高速编织设备，设定其编织密度为85％，选取铜箔丝的直径为0.10mm；

线缆氟塑料护层的制备：使用厚度为0.20mm的ptfe生料带进行绕包，采用独特的半烧结工艺，烧结温度控制在340℃。

实施例2

一种高强度系留电缆，包括两个光单元部分、两个电单元部分和加强单元部分，光单元部分为圈层结构，包括光纤芯层、以及依次绕包在光纤芯层外的光纤紧套层和金属铠装层；电单元部分为圈层结构，包括多芯铜合金导体，以及依次绕包在多芯铜合金导体外的第一绝缘层和第二绝缘层，第一绝缘层为聚四氟乙烯-聚酰亚胺-聚四氟乙烯复合材料带绕包层，第二绝缘层为聚四氟乙烯生料带绕包层；光单元部分和电单元部分平行而设；加强单元部分包括芳纶填充层、编织铠装层和聚四氟乙烯保护层；芳纶填充层、光单元部分和电单元部分几何成圆形成一体，记为半成品，芳纶填充层填充在光单元部分和电单元部分以外的地方；编织铠装层编织在半成品外，聚四氟乙烯保护层绕包在编织铠装层外；编织铠装层包括由若干条防弹芳纶丝组成的防弹芳纶丝芯层，以及绕包在防弹芳纶丝芯层外的中空镀银铜丝层，该高强度系留电缆按照以下方法制备而成：

光单元紧套光纤的制备：选取耐高温的聚酰亚胺涂覆的g657d单模弯曲不敏感光纤，选取厚度为0.15mm，宽度为19mm的ptfe生料带，绕包设备的张力控制在25n，采用多层多次绕包，使得带子均匀的附在光纤表面，其厚度为0.35mm。

光单元光纤铠装的制备：将上步骤得到的紧套光纤置于铠装放线架上，调整放线张力范围为35n，同时采用高强度镀锌不锈钢丝，外径范围在0.25mm，挤压成扁带，螺旋绕包于紧套光纤上，螺旋升角范围在45°，螺旋间距为0.08mm；

电单元导体层的制备：使用多芯轻质柔软铜合金导体，规格为13mm²，采用161×0.32mm束丝结构，其节径比为12；

电单元绝缘介电层的制备：采用多层多次绕包，首先绕包聚四氟乙烯切削带，选取0.03mm厚度和13mm宽度，搭接度为35％，然后绕包聚四氟乙烯-聚酰亚胺-聚四氟乙烯复合材料带，选取0.05mm厚度和17.2mm宽度，控制搭接度为52％，最后选取0.064mm厚度和22mm宽度的ptfe生料带进行绕包，搭接度为70％，680℃下红外烧结50秒；

成缆的制备：采用主动退扭放线架，及进口的悬臂单绞机，辅以6根1500d芳纶填充平托于电单元和光单元表面。节径比优选为14。采用2根铠装光纤和2根电线的4芯成缆结构；

编织铠装层的制备：选取编织为144锭的立式高速编织设备，设定其编织密度为85％，选取铜箔丝的直径为0.20mm；

线缆氟塑料护层的制备：使用厚度为0.25mm的ptfe生料带进行绕包，采用独特的半烧结工艺，烧结温度控制在340℃。

效果评价及性能检测

根据本领域内常规的检测方法，对实施例1-3获取的系留电缆进行性能检测，检测指标包括外径、重量、拉断力、耐温等级、弯曲、长度、最高使用电压和最高传输电流，另外取市面上常规材料及结构的系留电缆(2根光纤，2根24awg电线)作为对比例1，测试结果如下表1所示。

表1实施例1-3和对比例1的性能测试结果对比表

从表1可得，实施例1-3的高强度系留电缆的性能优于对比例1。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。