Maritim elektronikk står overfor tøffe utfordringer

Standarder for utstyr om bord på skip

Det amerikanske forsvarsdepartementet (DoD) har en omfattende liste over standarder for utstyr som brukes i militære applikasjoner. Ved å velge utstyr som er kvalifisert i henhold til disse standardene, kan designingeniører sikre at COTS-løsninger [commercial off-the-shelf] allerede oppfyller minimumskravene for å beskytte kritiske systemer. Flere standarder tar direkte for seg utfordringer som finnes i elektroniske applikasjoner om bord på skip, og det henvises ofte til disse standardene når man designer kabinetter til marinefartøyer:

• MIL-DTL-901E: Denne standarden erstatter MIL-S-901D, som var DoD-standarden for mekanisk sjokktesting fra 1989 til 2017. Den nye 901E-standarden spesifiserer testkriterier for støtprøving for å sikre at kabinettene tåler tøffe sjøoperasjoner og sjøkampmiljøer, og beskytter oppdragskritisk utstyr når pålitelighet er mest nødvendig. Et viktig tillegg til 901E er inkluderingen av en ny "dekksimulerende sjokktest" i tillegg til den mekaniske sjokk- og støttestingen og testingen av lektere under spenning som er spesifisert i 901D.
• MIL-STD-167-1A: Mekanisk vibrasjonstesting av utstyr om bord på skip sikrer at kabinettet og elektronikken i det fungerer pålitelig når det utsettes for vibrasjoner fra vanlige marinekilder, inkludert motorvibrasjoner over en rekke frekvenser.
• MIL-STD-461G: EMC-testing [elektromagnetisk kompatibilitet] sikrer at kabinettet gir beskyttelse mot ekstern EMI [elektromagnetisk interferens] samt effektiv begrensning av utslipp som genereres inne i skapet. Stråling og linjeutslipp har potensial til å overføre data som kan fanges opp og utnyttes av motstandere, noe som gjør effektiv elektrisk skjerming helt avgjørende for sensitivt kommunikasjonsutstyr. I enkelte bruksområder kreves det beskyttelse utover MIL-STD-461G, opp til og inkludert signalbeskyttelse på TEMPEST-nivå (den amerikanske regjeringens spesifikasjon for beskyttelse mot datatyveri gjennom avlytting av elektromagnetisk stråling).

MIL-STD-810E: Salttåketesting gir trygghet for at utstyret inne i kabinettet er beskyttet mot potensielt skadelig korrosjon som følge av eksponering for saltholdig luft under lange utplasseringer til sjøs. Mens kabinetter som er plassert på øvre dekk ofte er utsatt for sjøsprøyt og regn, og derfor må plasseres i værbestandige kabinetter, kan elektronikk som er plassert under dekk, også bli utsatt for eksponering for atmosfærisk salt. Ved å spesifisere skap under dekk som er testet i henhold til 810E-kravene for salttåke, sikrer du at kritisk elektronikk ikke blir eksponert for saltholdigheten som finnes i den omgivende luften på skipet.

I tillegg til standardene som er listet opp ovenfor, publiserer DoD dusinvis av standarder som tar for seg spesifikke miljøforhold om bord på skip. Ettersom alle bruksområder er forskjellige, er det avgjørende å spesifisere samsvar med et komplett utvalg av standarder som ivaretar de unike kravene til en gitt installasjon.

Hver installasjon er unik

Standardtesting kan bidra til å gi trygghet om at det er tatt hensyn til vanlige farer i utformingen av et elektronikkskap. De færreste bruksområder om bord på skip er imidlertid identiske, og standardene kan ikke ta hensyn til alle mulige forhold som kan oppstå på et skip. I tillegg til å spesifisere skap som oppfyller testene ovenfor, kan designingeniører dra nytte av løsninger som er modulære, skalerbare og tilpasningsdyktige, men som er basert på en felles plattformarkitektur. Dette sikrer at COTS-komponenter (kommersielle standardprodukter) er lett tilgjengelige, samtidig som skapet kan modifiseres for å oppfylle spesifikke applikasjonsbehov. Vanlige modifikasjoner av elektronikkskap inkluderer:

• Tilpasset vibrasjonsdemping og -isolering
• Modifiserte I/O-paneler (inngang/utgang) og kabelinngangspaneler
• Aktive og passive kjøleløsninger
• Robust strømfordeling
• Fysiske og elektroniske adgangskontrollsystemer
• TEMPEST-sertifisering for sensitiv kommunikasjon
• EMC-skjerming
• Brannslukkingssystemer
• Kabelhåndtering og organisering

Mange av disse unike applikasjonskravene krever spesialisert prosjektering under designprosessen for å sikre at elektronikken er pålitelig under tøffe forhold. Det bør utføres en finite element-analyse for alle skap montert på vibrasjonsisolatorer for å sikre pålitelig ytelse og passende toleranser under belastning.

Avansert termisk modellering blir stadig mer nødvendig for å sikre riktig kjøling av elektronikk etter hvert som mer datakraft tas i bruk i applikasjoner med begrenset plass. Selv enkle hensyn, som f.eks. bøyeradiusen for kablene inne i skapet, kan føre til betydelige installasjonsproblemer hvis de overses under designprosessen.

Fordi alle bruksområder er unike, kan det å starte med en lett modifiserbar COTS-kabinettplattform redusere tiden det tar å redesigne kabinettet og forbedre leverandørkjedens robusthet, samtidig som det øker tilliten til at elektronikken er klargjort for alle miljøer fartøyet møter til sjøs.

Installere robust varmestyring

I tillegg til de fysiske og miljømessige kravene som MIL-standardene stiller, krever moderne elektronikkskap robuste systemer for varmestyring. Implementeringen av avanserte syns- og målsøkingssystemer, autonome plattformer, kunstig intelligens (AI) og avanserte systemer for elektronisk krigføring (EW) i forsvaret krever maskinvare med høy hastighet og høy tilgjengelighet. Dette genererer betydelig varme, ofte med høyere tetthet enn tidligere.

Tradisjonelle kjølemetoder som konveksjon og tvungen luft er ofte utilstrekkelige for å håndtere denne økte varmebelastningen. For å kunne drive moderne maritim elektronikk på en vellykket måte, må konstruktørene i stadig større grad benytte seg av en komplett serie med kjølesystemer, fra konveksjon til væskekjøling:

• Konveksjon: Egnet for kjøling på opptil 800 W per rack, avhengig av omgivelsestemperaturen. Krever lameller eller perforeringer for å tillate luftstrøm inn og ut av skapet. Varm avtrekksluft må ventileres bort fra datarommet eller aktivt kjøles ned. Fungerer best i kombinasjon med et klimaanlegg for datarom for å kjøle ned omgivelsesluften og overvåke miljøforholdene.
• Tvungen luft: Egnet for kjøling på opptil 2000 W per rack, avhengig av omgivelsestemperaturen. Krever lameller eller perforeringer for å tillate luftstrøm inn og ut av skapet. Varm avtrekksluft må ventileres bort fra datarommet eller aktivt kjøles ned. Fungerer best i kombinasjon med et klimaanlegg i datarommet for å kjøle ned omgivelsesluften og overvåke miljøforholdene.
• Klimaanlegg (aircondition): Egnet for kjøling på opptil 2600 W per rack. Best egnet for bruksområder der omgivelsesluften ikke kjøles aktivt eller har ujevn temperatur. Varmluftsutslippet fra klimaanlegget må ventileres bort fra datarommet/racken.
• Væskekjøling: Egnet for kjøling på opptil 45 000 W (45 kW) per rack. Væskekjøling kan muliggjøre ekstremt høy datatetthet per rack, noe som optimaliserer plassen i datarommet og reduserer antall rack som kreves på et fartøy. Det er ikke nødvendig med kald omgivelsesluft, og systemet kan fungere som en lukket sløyfe i et lukket skap. Det kreves kjølevann fra skipet for å fungere som kjølevæske i luft-til-vann-varmeveksleren.

Kvalitet og samsvar

Et siste punkt er å sikre samsvar med DFARS (Defense Federal Acquisition Regulation Supplement), som er et sett med cybersikkerhetsforskrifter som forsvarsentreprenører og -leverandører må følge for å få tildelt nye DoD-kontrakter. Når man skal velge leverandør av infrastruktur for marineelektronikk, er det avgjørende å sikre at alle relevante kvalitets- og innkjøpskrav kan oppfylles. Vanlige leverandørhensyn i markedet for marineelektronikk inkluderer:

• Overholdelse av DFARS' krav til materialsporbarhet
• Sertifisering i henhold til International Traffic in Arms Regulation (ITAR)
• ISO- og AS9100-kvalitetssertifiseringer
• Et robust program for forebygging av forfalskede deler
• Prosedyrer for inspeksjon av første artikkel
• Et program for livssyklusstyring som sikrer at utstyret som er spesifisert, vil være tilgjengelig og få støtte i hele programmets levetid

Fremover

Det er avgjørende for flåtens beredskap at de elektroniske systemene om bord er pålitelige og tilgjengelige. Selv om alle bruksområder er unike, finnes det flere måter designingeniører kan løse vanlige mekaniske, elektriske/elektromagnetiske og miljømessige utfordringer på når de spesifiserer elektronikkskap for marinefartøy. Ved å sørge for at utstyrsrackene oppfyller relevante militære og offentlige spesifikasjoner, har blitt analysert med tanke på fysisk og termisk ytelse, er tilpasset applikasjonens unike krav og kommer fra en leverandør med robuste kvalitetskontroller og erfaring med å levere militære elektronikkløsninger, kan du føle deg trygg på at oppdragskritisk elektronikkutstyr tåler de tøffeste bruksområdene til sjøs.