L'elettronica navale deve affrontare sfide applicative difficili

Standard per le apparecchiature a bordo delle navi

Il Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti (DoD, Department of Defense) mantiene un elenco completo di standard per le apparecchiature implementate nelle applicazioni militari. Selezionando le apparecchiature idonee a questi standard, i progettisti possono garantire che le soluzioni commerciali pronte all'uso (COTS, Commercial Off-the-Shelf) soddisfino già i requisiti minimi per la protezione dei sistemi critici. Diversi standard affrontano direttamente le sfide che si trovano nelle applicazioni elettroniche a bordo delle navi e vengono spesso utilizzati come riferimento durante la progettazione di armadi per imbarcazioni navali:

• MIL-DTL-901E: sostituisce lo standard MIL-S-901D, che è stato lo standard DoD per i test sugli urti meccanici dal 1989 al 2017. Il nuovo standard 901E specifica i criteri di test per i test sugli urti ad alto impatto per garantire che gli armadi siano in grado di resistere a condizioni di funzionamento sulle navi più ardue e in ambienti di combattimento navale, proteggendo le apparecchiature mission-critical quando l'affidabilità è essenziale. Un'aggiunta fondamentale alla norma 901E è l'inclusione di un nuovo “test di simulazione degli urti sul ponte” oltre ai test meccanici di urti e impatti e ai test con ordigni reali su lance specificati nella norma 901D.
• MIL-STD-167-1A: i test meccanici sulle vibrazioni per le apparecchiature a bordo delle navi garantiscono l'affidabilità del funzionamento di armadi e componenti elettronici in caso di vibrazioni provenienti da fonti navali comuni, incluse le vibrazioni del motore su un'ampia gamma di frequenze.
• MIL-STD-461G: i test sulla compatibilità elettromagnetica (EMC, Electromagnetic Compatibility) garantiscono che l'armadio fornisca una protezione contro le interferenze elettromagnetiche esterne (EMI, Electromagnetic Interference) nonché un efficace contenimento delle emissioni generate all'interno dell'armadio. Le emissioni irradiate e di linea possono trasmettere dati intercettabili e sfruttabili dagli avversari, rendendo indispensabile un'efficace schermatura elettrica per le apparecchiature di comunicazione sensibili. In alcune applicazioni, è richiesta una protezione oltre lo standard MIL-STD-461G, fino alla protezione del segnale di livello TEMPEST inclusa (specifica del governo statunitense per la protezione dal furto di dati tramite l'intercettazione delle radiazioni elettromagnetiche).

MIL-STD-810E: il test della nebbia salina offre la tranquillità della protezione delle apparecchiature all'interno dell'armadio dalla corrosione potenzialmente dannosa causata dall'esposizione all'aria salina durante lunghe implementazioni in mare. Mentre gli armadi situati sui ponti superiori sono più spesso esposti a spruzzi di mare e pioggia e devono essere adeguatamente alloggiati in armadi resistenti alle intemperie, i componenti elettronici situati sotto il ponte possono essere compromessi anche dall'esposizione al sale atmosferico. Specificando che gli armadi sotto il ponte vengano testati in base ai requisiti di nebbia salina 810E garantisce che i componenti elettronici fondamentali non vengano esposti alla salinità presente nell'aria dell'ambiente della nave.

Oltre agli standard sopra elencati, il Dipartimento della difesa pubblica decine di standard che soddisfano specifiche condizioni ambientali nelle applicazioni a bordo delle navi. Poiché ogni applicazione è diversa, è fondamentale specificare la conformità a una gamma completa di standard che soddisfano i requisiti specifici di una determinata installazione.

Ogni applicazione è unica

I test standard possono aiutare a garantire che nella progettazione di un quadro elettronico siano stati presi in considerazione i rischi comuni. Tuttavia, pochissime applicazioni per le navi sono identiche e gli standard non sono in grado di soddisfare tutte le possibili condizioni che una nave potrebbe dover affrontare. Oltre a specificare gli armadi che soddisfano i test sopra riportati, i progettisti possono trarre vantaggio da soluzioni modulari, scalabili e personalizzabili, ma basate su un'architettura di piattaforma comune. In questo modo si garantisce che i componenti COTS siano prontamente disponibili, consentendo al contempo di modificare un armadio per soddisfare le esigenze di applicazioni specifiche. Le modifiche più comuni ai quadri elettronici includono:

• Smorzamento e isolamento delle vibrazioni personalizzati
• Pannelli di ingresso cavi e I/O modificati
• Soluzioni di raffreddamento attive e passive
• Distribuzione della potenza robusta
• Sistemi di controllo degli accessi fisici ed elettronici
• Certificazione TEMPEST per comunicazioni sensibili
• Schermatura EMC
• Sistemi antincendio
• Gestione e organizzazione dei cavi

Molti di questi requisiti applicativi unici richiedono un'ingegneria specializzata durante la fase di progettazione per garantire l'affidabilità dell'elettronica in condizioni difficili. È necessario eseguire un'analisi a elementi finiti per tutti gli armadi montati su isolatori di vibrazioni per garantire prestazioni affidabili e tolleranze adeguate sotto sollecitazione.

La modellazione termica avanzata sta diventando sempre più necessaria per garantire il corretto raffreddamento dei componenti elettronici, poiché nelle applicazioni vincolate dallo spazio viene implementata una maggiore potenza di elaborazione. Anche semplici considerazioni come il gioco del raggio di piegatura per i cavi all'interno dell'armadio possono causare problemi di installazione significativi se trascurati durante la fase di progettazione.

Poiché ogni applicazione è unica, iniziando da una piattaforma di armadi COTS facilmente modificata è possibile ridurre i tempi di riprogettazione e migliorare la resilienza della catena di fornitura, aumentando la sicurezza che i componenti elettronici siano preparati per qualsiasi ambiente l'imbarcazione incontrerà in mare.

Installazione di una gestione termica affidabile

Oltre ai requisiti fisici e ambientali previsti dagli standard MIL, i moderni armadi elettronici richiedono sistemi di gestione termica robusti. L'implementazione di sistemi avanzati di visione e puntamento, piattaforme autonome, intelligenza artificiale (IA) e sistemi avanzati di guerra elettronica (EW, Electronic Warfare) nella difesa richiede hardware informatico ad alta velocità e con una elevata disponibilità. Ciò genera calore significativo, spesso a densità più elevate rispetto al passato.

I metodi di raffreddamento tradizionali, come la convezione e l'aria forzata, sono spesso insufficienti per gestire questo aumento del carico termico. I progettisti devono affidarsi sempre di più a una suite completa di sistemi di raffreddamento, dalla convezione al raffreddamento a liquido, per eseguire i moderni sistemi elettronici navali:

• Convezione: adatto per il raffreddamento fino a 800 W per rack, a seconda della temperatura dell'aria dell'ambiente. Richiede griglie o perforazioni per consentire l'ingresso e l'uscita del flusso d'aria dall'armadio. L'aria calda di scarico deve essere fatta defluire dalla sala computer o raffreddata attivamente. Funziona meglio in combinazione con un condizionatore d'aria per la sala computer, per raffreddare l'aria dell'ambiente e monitorare le condizioni ambientali.
• Aria forzata: adatta per il raffreddamento fino a 2.000 W per rack, a seconda della temperatura dell'aria dell'ambiente. Richiede griglie o perforazioni per consentire l'ingresso e l'uscita del flusso d'aria dall'armadio. L'aria calda di scarico deve essere fatta defluire dalla sala computer o raffreddata attivamente. Funziona meglio in combinazione con un condizionatore d'aria per la sala computer, per raffreddare l'aria dell'ambiente e monitorare le condizioni ambientali.
• Condizionatori d'aria: adatti per il raffreddamento fino a 2.600 W per rack. Ideali per le applicazioni in cui l'aria dell'ambiente non viene raffreddata attivamente o non è a temperatura costante. Lo scarico dell'aria calda dal climatizzatore deve essere allontanato dalla sala computer/rack.
• Raffreddamento a liquido: adatto per il raffreddamento fino a 45.000 W (45 kW) per rack. Il raffreddamento a liquido può consentire un'elevata densità di calcolo per rack, ottimizzando lo spazio nella sala computer e riducendo il numero di rack necessari in un'imbarcazione. L'aria presente nell'ambiente non deve essere necessariamente fredda e il sistema può funzionare come circuito chiuso in un armadio sigillato. È necessaria acqua fredda dalla nave per fungere da liquido di raffreddamento nello scambiatore di calore aria-acqua.

Qualità e conformità

Una considerazione finale consiste nel garantire la conformità ai requisiti di approvvigionamento DFARS e ai flow down di progetto; la conformità DFARS [Defense Federal Acquisition Regulation Supplement, Supplemento al regolamento federale sugli appalti della difesa] è una serie di normative sulla sicurezza informatica che gli appaltatori e i fornitori nel settore della difesa devono seguire per poter aggiudicarsi nuovi contratti DoD. Quando si sceglie un partner fornitore per l'infrastruttura elettronica navale, è fondamentale garantire che tutti i requisiti di qualità e approvvigionamento siano soddisfatti. Le considerazioni più comuni dei fornitori nel mercato dell'elettronica navale includono:

• Conformità ai requisiti di tracciabilità dei materiali DFARS
• Certificazione International Traffic in Arms Regulation (ITAR)
• Certificazioni di qualità ISO e AS9100
• Un affidabile programma di prevenzione da parti contraffatte
• Procedure di ispezione del primo articolo
• Un programma di gestione del ciclo di vita che garantisce che, una volta specificato, l'apparecchiatura sarà disponibile e supportata per l'intera durata di un programma

In prospettiva futura

Garantire l'affidabilità e la disponibilità dei sistemi elettronici a bordo delle navi è fondamentale per la preparazione navale. Sebbene ogni applicazione sia unica, vi sono diversi modi in cui i progettisti possono risolvere le comuni sfide meccaniche, elettriche/elettromagnetiche e ambientali quando si progettano i quadri elettronici per le imbarcazioni navali. Garantire che i rack per apparecchiature soddisfino le specifiche militari e governative pertinenti, che siano stati analizzati per soddisfare le prestazioni fisiche e termiche richieste, che siano personalizzati in base ai requisiti specifici dell'applicazione e che vengano forniti da un fornitore con robusti controlli di qualità ed esperienza nella fornitura di soluzioni di elettronica militare, offre la tranquillità che le apparecchiature elettroniche mission-critical siano in grado di resistere alle più difficili applicazioni navali.