De maritieme elektronica staat voor uitdagingen op het gebied van robuuste toepassingen

Normen voor uitrusting aan boord van schepen

Het Amerikaanse ministerie van Defensie (DoD) houdt een uitgebreide lijst bij met normen voor apparatuur die voor militaire toepassingen wordt ingezet. Door apparatuur te selecteren die voldoet aan deze normen, kunnen ontwerptechnici ervoor zorgen dat COTS- [kant-en-klare commerciële] oplossingen al voldoen aan de minimale vereisten voor de bescherming van kritieke systemen. Verschillende normen zijn direct gericht op uitdagingen die zich voordoen in elektronische toepassingen aan boord van schepen en worden vaak gebruikt bij het ontwerpen van kasten voor marineschepen:

• MIL-DTL-901E: Deze norm vervangt MIL-S-901D, de DoD-standaard voor mechanische schoktests van 1989 tot 2017. De nieuwe 901E-norm specificeert testcriteria voor schoktests met grote impact om ervoor te zorgen dat kasten bestand zijn tegen zware maritieme activiteiten en gevechtsomgevingen, waardoor bedrijfskritische apparatuur wordt beschermd wanneer betrouwbaarheid het meest nodig is. Een belangrijke aanvulling op de 901E is de toevoeging van een nieuwe "Deck Simulating Shock Test" naast de mechanische schok- en impacttests en de tests van de stabiliteit van schepen zoals gespecificeerd in 901D.
• MIL-STD-167-1A: Mechanische trillingstests voor apparatuur op schepen zorgen ervoor dat de behuizing en de elektronica binnen betrouwbaar werken terwijl deze trillingen ondervinden van gangbare maritieme bronnen, waaronder motortrillingen van diverse frequenties.
• MIL-STD-461G: EMC-tests [elektromagnetische compatibiliteit] zorgen ervoor dat de behuizing bescherming tegen externe EMI [elektromagnetische interferentie] en effectieve beheersing van emissies biedt die in de kast worden gegenereerd. Stralings- en lijnemissies kunnen gegevens verzenden die door tegenstanders kunnen worden onderschept en misbruikt, waardoor een effectieve elektrische afscherming noodzakelijk is voor gevoelige communicatieapparatuur. In sommige toepassingen is bescherming vereist die verder gaat dan MIL-STD-461G, tot en met signaalbeveiliging op TEMPEST-niveau (de Amerikaanse overheidsspecificatie voor bescherming tegen gegevensdiefstal door het onderscheppen van elektromagnetische straling).

MIL-STD-810E: Tests met zoute nevel biedt de zekerheid dat apparatuur in de kast beschermd is tegen mogelijk schadelijke corrosie veroorzaakt door blootstelling aan zoute lucht tijdens langdurige toepassingen op zee. Hoewel behuizingen op bovendekken meestal worden blootgesteld aan spatwater uit de zee en regen en dus moeten worden ondergebracht in weerbestendige behuizingen, kan de elektronica onder het dek ook worden aangetast door blootstelling aan zout in de atmosfeer. Specificaties van behuizingen onder het dek die zijn getest volgens de 810E-vereisten voor zoute mist, voorkomen dat kritische elektronica wordt blootgesteld aan zoutgehalte in de omgevingslucht van het schip.

Naast de bovengenoemde normen publiceert DoD tientallen normen die betrekking hebben op specifieke milieuomstandigheden in toepassingen aan boord van schepen. Aangezien elke toepassing anders is, is het van essentieel belang om te specificeren dat aan een volledige reeks normen wordt voldaan die overeenkomt met de unieke vereisten van een bepaalde installatie.

Elke toepassing is uniek

Standaardtests kunnen de zekerheid geven dat bij het ontwerp van een elektronicabehuizing rekening is gehouden met veelvoorkomende gevaren. Er zijn echter maar weinig toepassingen aan boord identiek, en normen kunnen niet alle mogelijke omstandigheden aan die een schip kan tegenkomen. Naast het specificeren van behuizingen die voldoen aan de bovenstaande tests, kunnen ontwerptechnici ook profiteren van modulaire, schaalbare en aanpasbare oplossingen, maar gebaseerd op een gemeenschappelijke platformarchitectuur. Dit zorgt ervoor dat COTS-componenten direct beschikbaar zijn, terwijl een behuizing toch kan worden aangepast aan specifieke toepassingsbehoeften. Veelvoorkomende aanpassingen aan de elektronicabehuizing zijn onder meer:

• Trillingsdemping en -isolatie op maat
• Aangepaste I/O- en kabelinvoerpanelen
• Actieve en passieve koeloplossingen
• Robuuste stroomverdeling
• Fysieke en elektronische toegangscontrolesystemen
• TEMPEST-certificering voor gevoelige communicatie
• EMC-afscherming
• Brandbestrijdingssystemen
• Kabelbeheer en -organisatie

Veel van deze unieke toepassingsvereisten vergen gespecialiseerde techniek tijdens het ontwerpproces om de betrouwbaarheid van elektronica onder zware omstandigheden te garanderen. Er moet een eindige elementanalyse worden uitgevoerd voor alle behuizingen die op trillingsisolatoren zijn gemonteerd om betrouwbare prestaties en de juiste toleranties onder spanning te garanderen.

Geavanceerde thermische modellering wordt steeds noodzakelijker om een goede koeling van elektronica te garanderen, aangezien er meer rekenkracht wordt ingezet in ruimtelijk beperkte toepassingen. Zelfs eenvoudige overwegingen zoals de buigradius voor kabels in de behuizing kunnen aanzienlijke installatieproblemen veroorzaken als deze tijdens het ontwerpproces over het hoofd worden gezien.

Omdat elke toepassing uniek is, kan een eenvoudig te wijzigen COTS-kastplatform de tijd voor het opnieuw ontwerpen verminderen en de veerkracht van de toeleveringsketen verbeteren, terwijl het vertrouwen toeneemt dat de elektronica is voorbereid op elke omgeving die het schip op zee tegenkomt.

Installatie van robuust thermisch beheer

Naast de fysieke en omgevingsvereisten die in de MIL-normen worden genoemd, zijn voor moderne elektronicakasten robuuste thermische beheersystemen nodig. De implementatie van geavanceerde zicht- en richtsystemen, autonome platforms, kunstmatige intelligentie (AI) en systemen voor geavanceerde elektronische oorlogvoering (EW) in de verdediging vereist hoge snelheid en hoge beschikbaarheid computerhardware. Dit genereert significante warmte, vaak bij hogere dichtheden dan in het verleden.

Traditionele koelmethoden zoals convectie en geforceerde lucht zijn vaak onvoldoende om deze verhoogde thermische belasting te bedwingen. Ontwerpers moeten steeds meer vertrouwen op een volledig pakket koelsystemen, van convectie tot vloeistofkoeling, om met succes te kunnen werken met moderne maritieme elektronica:

• Convectie: Geschikt voor koeling tot 800 W per rek, afhankelijk van de omgevingsluchttemperatuur. Hiervoor zijn ventilatieroosters of perforaties nodig om lucht in en uit de kast te laten stromen. Hete afgevoerde lucht moet uit de computerruimte worden geventileerd of actief worden gekoeld. Werkt het beste in combinatie met een airconditioner in de computerruimte om de omgevingslucht te koelen en de omgevingscondities te bewaken.
• Geforceerde lucht: Geschikt voor koeling tot 2.000 W per rek, afhankelijk van de omgevingsluchttemperatuur. Hiervoor zijn ventilatieroosters of perforaties nodig om lucht in en uit de kast te laten stromen. Hete afgevoerde lucht moet uit de computerruimte worden geventileerd of actief worden gekoeld. Werkt het beste in combinatie met een airconditioner in de computerruimte om de omgevingslucht te koelen en de omgevingscondities te bewaken.
• Airconditioners: Geschikt voor koeling tot 2.600 W per rek. Het meest geschikt voor toepassingen waarbij de omgevingslucht niet actief wordt gekoeld of de temperatuur niet consistent is. De heteluchtafvoer van de airconditioning moet weg van de computerruimte/het computerrek worden gericht.
• Vloeistofkoeling: Geschikt voor koeling tot 45.000 W (45 kW) per rek. Vloeistofkoeling kan een extreem hoge rekenkracht per rek mogelijk maken, waardoor de ruimte in de computerruimte wordt geoptimaliseerd en het aantal rekken dat op een schip nodig is, wordt verminderd. Koude omgevingslucht is niet nodig en het systeem kan als een gesloten lus in een afgedichte kast werken. Koud water is van het schip vereist om te fungeren als koelmiddel in de lucht-naar-water-warmtewisselaar.

Kwaliteit en naleving

Een laatste overweging is het garanderen van naleving van DFARS-vereisten en de project-flowdowns ; DFARS [Defense Federal Acquisition Regulation Supplement] is een reeks cyberbeveiligingsvoorschriften die aannemers en ­toeleveranciers op defensiegebied moeten volgen om nieuwe DoD-contracten te krijgen. Bij het selecteren van een toeleverancier voor de infrastructuur voor maritieme elektronica is het van essentieel belang ervoor te zorgen dat aan alle relevante kwaliteits- en inkoopvereisten kan worden voldaan. Algemene overwegingen van leveranciers in de markt voor maritieme elektronica zijn onder meer:

• Naleving van DFARS-vereisten inzake traceerbaarheid van materiaal
• Certificering van de International Traffic in Arms Regulation (ITAR)
• ISO- en AS9100-kwaliteitscertificeringen
• Een robuust preventieprogramma voor vervalste onderdelen
• Eerste artikel-inspectieprocedures
• Een programma voor levenscyclusbeheer dat ervoor zorgt dat, zodra dit is gespecificeerd, apparatuur beschikbaar is en wordt ondersteund gedurende de levensduur van een programma

In de toekomst

Het waarborgen van de betrouwbaarheid en beschikbaarheid van elektronische systemen aan boord van schepen is van cruciaal belang voor de gereedheid van de marine. Hoewel elke toepassing uniek is, zijn er verschillende manieren waarop ontwerpingenieurs algemene mechanische, elektrische/elektromagnetische en milieu-uitdagingen kunnen aanpakken bij het specificeren van elektronicabehuizingen voor marineschepen. Zorgen dat apparatuurrekken voldoen aan de relevante militaire en overheidsspecificaties, zijn geanalyseerd op fysieke en thermische prestaties, zijn aangepast aan de unieke vereisten van de toepassing en afkomstig zijn van een leverancier met goede kwaliteitscontroles en ervaring met het leveren van militaire elektronicaoplossingen. Dit alles geeft zekerheid dat de gemoedsrust dat essentiële elektronica-apparatuur bestand is tegen de zwaarste maritieme toepassingen.