Normen für Bordausrüstung von Schiffen

Das US-Verteidigungsministerium (U.S. Department of Defense, DoD) führt eine umfassende Liste von Normen für Ausrüstung, die in militärischen Anwendungen eingesetzt wird. Wenn Konstrukteur*innen sich für nach diesen Normen qualifizierte Geräte entscheiden, können sie sicherstellen, dass COTS-Lösungen (commercial off the shelf, kommerzielle Serienfertigungen) die Minimalanforderungen für den Schutz kritischer Systeme erfüllen. Verschiedene Normen befassen sich direkt mit den Herausforderungen, die in elektronischen Bordanwendungen von Schiffen zu finden sind, und werden häufig bei der Konstruktion von Gehäusen für Marineschiffe herangezogen:

• MIL-DTL-901E: Diese Norm ersetzt MIL-S-901D, die von 1989 bis 2017 die DoD-Norm für mechanische Stoßprüfungen war. Die neue Norm 901E legt Prüfkriterien für Stoßprüfungen fest, um sicherzustellen, dass die Gehäuse auch rauem Seebetrieb und Seeschlachten standhalten und missionskritische Geräte schützen, wenn Zuverlässigkeit am dringendsten benötigt wird. Eine wichtige Ergänzung von 901E ist die Aufnahme des neuen „Deck Simulating Shock Test“ (Deck-Simulations-Stoßprüfung) zusätzlich zu den in 901D festgelegten Prüfungen zu mechanischen Schlag- und Stoßbelastungen sowie Live-Schwimmtests.
• MIL-STD-167-1A: Mechanische Vibrationsmessungen für Bordausrüstung von Schiffen stellen sicher, dass das Gehäuse und die Elektronik in der Anlage zuverlässig funktionieren, während Vibrationen von üblichen Schiffsquellen, einschließlich Motorvibrationen über einen bestimmten Frequenzbereich hinweg, auftreten.
• MIL-STD-461G: Die EMV-Prüfung (elektromagnetische Verträglichkeit) stellt sicher, dass das Gehäuse Schutz vor externen elektromagnetischen Störungen bietet und die im Schrank erzeugten Emissionen effektiv eindämmen. Strahlungs- und Leitungsemissionen haben das Potenzial, Daten zu übertragen, die von Gegnern abgefangen und genutzt werden können, wodurch eine effektive elektrische Abschirmung für empfindliche Kommunikationsgeräte unerlässlich ist. In einigen Anwendungen ist ein Schutz über MIL-STD-461G hinaus erforderlich, bis hin zum Schutz von Signalen auf TEMPEST-Ebene (die US-Regierungsvorschrift zum Schutz vor Datendiebstahl durch Abfangen elektromagnetischer Strahlung).

MIL-STD-810E: Salzsprühnebelprüfungen geben die Sicherheit, dass die Geräte im Gehäuse vor potenziell schädlicher Korrosion geschützt sind, die durch Kontakt mit salzhaltiger Luft bei langen Bereitstellungen auf See verursacht wird. Während die auf den oberen Decks befindlichen Gehäuse in den meisten Fällen Spritzwasser aus dem Meer und Regen ausgesetzt sind und angemessen in wetterfesten Gehäusen untergebracht werden müssen, kann die unter Deck befindliche Elektronik auch durch atmosphärisches Salz beeinträchtigt werden. Durch die Verwendung von Gehäusen unter Deck, die nach den Anforderungen von 810E Salzsprühnebelprüfungen unterzogen wurden, wird sichergestellt, dass kritische Elektronik nicht dem Salzgehalt ausgesetzt wird, der in der Umgebungsluft des Schiffes vorhanden ist.

Zusätzlich zu den oben aufgeführten Nomen veröffentlicht das DoD Dutzende von Normen, die sich auf spezifische Umweltbedingungen in Bordanwendungen von Schiffen beziehen. Da jede Anwendung anders ist, ist es wichtig, die Einhaltung einer vollständigen Reihe von Normen zu bestimmen, die die jeweiligen Anforderungen einer bestimmten Installation erfüllen.

Jede Anwendung ist einmalig

Standardprüfungen können die Gewissheit geben, dass bei der Konstruktion von Elektronikgehäusen übliche Gefahren berücksichtigt wurden. Allerdings sind nur sehr wenige Bordanwendungen von Schiffen identisch, und die Normen können nicht alle möglichen Bedingungen erfüllen, denen ein Schiff ausgesetzt sein könnte. Neben der Festlegung von Gehäusen, die die oben genannten Prüfungen bestehen, können Konstrukteur*innen von Lösungen profitieren, die modular, skalierbar und anpassbar sind, jedoch auf einer gemeinsamen Plattformarchitektur beruhen. Dadurch wird sichergestellt, dass die COTS-Komponenten leicht verfügbar sind, während gleichzeitig ein Gehäuse modifiziert werden kann, um spezifischen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden. Zu den üblichen Modifikationen von Elektronikgehäusen gehören:

• Kundenspezifische Vibrationsdämpfung und Isolierung
• Modifizierte E/A- und Kabeleinführungsplatten
• Aktive und passive Kühllösungen
• Widerstandsfähige Stromverteilung
• Physische und elektronische Zugangskontrollsysteme
• TEMPEST-Zertifizierung für sensible Kommunikation
• EMV-Schirmung
• Feuerlöschanlagen
• Kabelführung und -organisation

Viele dieser einzigartigen Anwendungsanforderungen erfordern eine spezielle Konstruktion, um die Zuverlässigkeit der Elektronik unter rauen Bedingungen zu gewährleisten. Für alle auf Vibrationsdämpfern montierten Gehäuse sollte eine Finite-Elemente-Analyse durchgeführt werden, um eine zuverlässige Leistung und angemessene Toleranzen unter Belastung sicherzustellen.

Moderne thermische Modellierung wird zunehmend notwendig, um eine ordnungsgemäße Kühlung der Elektronik sicherzustellen, da mehr Rechenleistung in Anwendungen auf engem Raum bereitgestellt wird. Selbst einfache Überlegungen wie das Spiel des Biegeradius von Kabeln im Gehäuse können erhebliche Installationsprobleme verursachen, wenn sie während des Konstruktionsprozesses übersehen werden.

Da jede Anwendung einzigartig ist, kann eine leicht modifizierte COTS-Gehäuseplattform die Zeit für eine Neukonstruktion verkürzen und die Ausfallsicherheit der Lieferkette verbessern. Gleichzeitig wird die Sicherheit erhöht, dass die Elektronik für jede Umgebung vorbereitet ist, in die das Schiff auf See geraten kann.

Installation eines robusten Wärmemanagements

Neben den physischen und Umwelt-Anforderungen, wie in MIL-Normen festgelegt, benötigen moderne Elektronikschränke robuste Wärmemanagementsysteme. Die Implementierung von fortschrittlichen Sicht- und Zielerfassungssystemen, autonomen Plattformen, künstlicher Intelligenz (KI) und fortschrittlichen elektronischen Kampfführungssystemen (EloKa) im Verteidigungsbereich erfordert Computer-Hardware mit hoher Geschwindigkeit und hoher Verfügbarkeit. Dies erzeugt viel Wärme, oft mit höheren Dichten als in der Vergangenheit.

Herkömmliche Kühlmethoden wie Konvektion und Zwangskühlung mit Luft sind oft nicht ausreichend, um diese erhöhte thermische Belastung zu bewältigen. Konstrukteur*innen müssen sich zunehmend auf eine ganze Reihe von Kühlsystemen verlassen, von Konvektion bis Flüssigkeitskühlung, damit moderne Marineelektronik erfolgreich sein kann:

• Konvektion: Geeignet zur Kühlung von bis zu 800 W pro Rack, je nach Umgebungslufttemperatur. Erfordert Schlitze oder Perforationen, um den Luftstrom in und aus dem Schrank zu ermöglichen. Heiße Abluft muss aus dem Computerraum abgeführt oder aktiv gekühlt werden. Funktioniert am besten in Kombination mit einer Computerraum-Klimaanlage, um die Umgebungsluft zu kühlen und die Umgebungsbedingungen zu überwachen.
• Zwangskühlung mit Luft: Geeignet zur Kühlung von bis zu 2.000 W pro Rack, je nach Umgebungslufttemperatur. Erfordert Schlitze oder Perforationen, um den Luftstrom in und aus dem Schrank zu ermöglichen. Heiße Abluft muss aus dem Computerraum abgeführt oder aktiv gekühlt werden. Funktioniert am besten in Kombination mit einer Computerraum-Klimaanlage, um die Umgebungsluft zu kühlen und die Umgebungsbedingungen zu überwachen.
• Klimaanlagen: Geeignet zur Kühlung bis zu 2.600 W pro Rack. Optimal für Anwendungen, bei denen die Umgebungsluft nicht aktiv gekühlt wird oder die inkonsistente Temperaturen aufweist. Die Warmluftabführung der Klimaanlage muss vom Computerraum/Rack weg entlüftet werden.
• Flüssigkeitskühlung: Geeignet zur Kühlung von bis zu 45.000 W (45 kW) pro Rack. Flüssigkeitskühlung kann eine extrem hohe Rechendichte pro Rack ermöglichen, was den Platz im Computerraum optimiert und die Anzahl der pro Schiff benötigten Racks reduziert. Kalte Umgebungsluft ist nicht erforderlich, und das System kann in einem abgedichteten Schrank als geschlossener Kreislauf betrieben werden. Kühles Wasser wird vom Schiff benötigt, damit es als Kühlmittel im Luft-Wasser-Wärmetauscher genutzt werden kann.

Qualität und Konformität

Eine letzte Überlegung ist die Einhaltung der DFARS-Beschaffungsanforderungen und der Projektablaufvorgaben. Die DFARS (Defense Federal Acquisition Regulation Supplement, Nachtrag zur Bundesbeschaffungsvorschrift für die Verteidigung) ist eine Reihe von Cybersicherheitsvorschriften, die Rüstungsindustrie und Lieferanten befolgen müssen, um neue DoD-Verträge zu erhalten. Bei der Auswahl von Lieferanten für die Marineelektronik-Infrastruktur muss unbedingt sichergestellt werden, dass dieser alle relevanten Qualitäts- und Beschaffungsanforderungen erfüllt. Zu den gängigen Überlegungen von Lieferanten auf dem Markt für Marineelektronik gehören:

• Einhaltung der DFARS-Anforderungen für die Materialrückverfolgbarkeit
• ITAR-Zertifizierung (International Traffic in Arms Regulation, Regelungen des internationalen Waffenhandels)
• Qualitätszertifizierungen nach ISO und AS9100
• Ein robustes Programm zur Verhinderung gefälschter Teile
• Erstmusterprüfverfahren
• Ein Lebenszyklus-Management-Programm, das sicherstellt, dass die Ausrüstung nach der Festlegung während der gesamten Laufzeit eines Programms verfügbar ist und unterstützt wird

Weiterentwicklung

Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von elektronischen Bordsystemen von Schiffen ist entscheidend für die Einsatzbereitschaft der Marine. Obwohl jede Anwendung einzigartig ist, gibt es mehrere Möglichkeiten, wie Konstrukteur*innen bei der Festlegung von Elektronikgehäusen für Marineschiffe allgemeine mechanische, elektrische/elektromagnetische und Umweltherausforderungen angehen können. Stellen Sie sicher, dass die Geräte-Racks den relevanten militärischen und behördlichen Spezifikationen entsprechen, auf physische und thermische Leistung analysiert wurden, an die individuellen Anforderungen der Anwendung angepasst sind und von einem Lieferanten mit robusten Qualitätskontrollen und Erfahrung in der Bereitstellung militärischer Elektroniklösungen bezogen werden. So können Sie sich darauf verlassen, dass missionskritische Elektronikgeräte auch den härtesten Seeanwendungen standhalten können.