Układy elektroniczne w marynarce mierzą się z trudnymi wyzwaniami

Normy dotyczące wyposażenia okrętów

Departament Obrony USA (DoD) prowadzi kompleksową listę norm dotyczących sprzętu używanego w zastosowaniach wojskowych. Wybierając sprzęt spełniający wymogi tych norm inżynierowie projektowi mogą zapewnić, że rozwiązania COTS [komercyjne gotowe do użycia] od razu spełniają minimalne wymagania w zakresie ochrony kluczowych systemów. Wiele norm odnosi się do bezpośrednio wyzwań związanych z elektronicznymi aplikacjami pokładowymi i normy te często mają zastosowanie podczas projektowania obudów przeznaczonych do okrętów:

• MIL-DTL-901E: Norma ta zastępuje MIL-S-901D, normę używaną przez DoD przy testach wstrząsów mechanicznych w latach 1989–2017. Nowa norma 901E określa kryteria testowe wstrząsów o dużej sile w celu zapewnienia, że obudowy mogą wytrzymać trudne operacje morskie i warunki bojowe na morzu oraz odpowiednio chronić sprzęt o kluczowym znaczeniu, gdy najważniejsza jest niezawodność. Jednym z kluczowych dodatków do normy 901E jest włączenie nowego „testu wstrząsów symulującego warunki na pokładzie”, wykonywanego oprócz testów wstrząsów mechanicznych i obciążeń udarowych oraz testów ostrej amunicji okrętowej określonych w 901D.
• MIL-STD-167-1A: Mechaniczne testy drgań sprzętu okrętowego zapewniają niezawodność obudowy i elektroniki, narażonych jednocześnie na drgania generowane przez typowe źródła drgań na morzu, w tym drgania silnika mające różne częstotliwości.
• MIL-STD-461G: Test EMC [kompatybilności elektromagnetycznej] gwarantuje, że obudowa zapewnia ochronę przed zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI) oraz że skutecznie ogranicza emisje generowane w szafie. Dane przesyłane w formie emisji promieniowych i liniowych mogą zostać przechwycone i wykorzystane przez przeciwników, dlatego niezbędne jest skuteczne ekranowanie elektryczne wrażliwych urządzeń komunikacyjnych. W niektórych zastosowaniach wymagana jest ochrona bardziej zaawansowana, niż wymaga tego norma MIL-STD-461G, włącznie z ochroną sygnału na poziomie TEMPEST (specyfikacja rządu USA dotycząca ochrony przed kradzieżą danych poprzez przechwytywanie promieniowania elektromagnetycznego).

MIL-STD-810E: Testowanie w środowisku mgły solnej daje pewność, że układy we wnętrzu obudowy będą chronione przed potencjalnie szkodliwą korozją, powstającą wskutek narażenia na działanie słonego powietrza podczas długotrwałego użytkowania na morzu. Ponieważ obudowy znajdujące się na górnych pokładach są najczęściej narażone na działanie wody morskiej i deszczu, muszą być odpowiednio zabezpieczone w obudowach odpornych na warunki atmosferyczne, natomiast układy elektroniczne zlokalizowane pod pokładem mogą być zagrożone wskutek narażenia na działanie soli atmosferycznej. Jeśli obudowy zlokalizowane pod pokładem zostały przetestowane zgodnie z wymogami dotyczącymi mgły solnej normy 810E, kluczowe układy elektroniczne nie będą narażone na kontakt z solą obecną w powietrzu otaczającym okręt.

Oprócz wyżej wymienionych norm DoD publikuje dziesiątki norm dotyczących specyficznych warunków środowiskowych w odniesieniu do zastosowania na okręcie. Ponieważ każde zastosowanie jest inne, ważne jest określenie zgodności z pełnym zakresem norm dotyczących wymogów powiązanych z wybraną instalacją.

Każde zastosowanie jest wyjątkowe

Standardowe testy mogą być przydatne do potwierdzenia, że przy projektowaniu obudowy układów elektronicznych uwzględniono powszechnie występujące zagrożenia. Jednak bardzo rzadko zdarzają się identyczne zastosowania pokładowe i nie można stworzyć normy obejmujących wszystkie możliwe warunki, jakie mogą wystąpić na morzu. Oprócz odpowiedniego doboru obudów, które przeszły powyższe testy, inżynierowie projektowi mogą wykorzystywać modułowe, skalowalne i konfigurowalne rozwiązania oparte na wspólnej architekturze platformy. Pozwala to wykorzystywać łatwo dostępne komponenty COTS, a jednocześnie modyfikować obudowy w celu spełnienia określonych potrzeb. Typowe modyfikacje obudów układów elektronicznych obejmują:

• Niestandardowe tłumienie drgań i odseparowanie od źródła drgań
• Zmodyfikowane panele wejściowe/wyjściowe i wejścia kabli
• Aktywne i pasywne rozwiązania chłodzące
• Wzmocnione układy dystrybucji energii
• Fizyczne i elektroniczne systemy kontroli dostępu
• Certyfikat TEMPEST w zakresie komunikacji wrażliwej
• Ekranowanie EMC
• Systemy przeciwpożarowe
• Zarządzanie okablowaniem i organizacja kabli

Wiele z tych unikalnych wymagań związanych z zastosowaniem wymaga wdrażania w procesie projektowania specjalistycznych rozwiązań inżynieryjnych, aby zapewnić niezawodność układów elektronicznych w trudnych warunkach. Wszystkie obudowy montowane na izolatorach drgań powinny przejść analizę elementów skończonych, aby zapewnić niezawodne działanie i utrzymywanie odpowiednich tolerancji pod wpływem naprężeń.

Zaawansowane modelowanie termiczne staje się coraz bardziej niezbędne do zapewnienia odpowiedniego chłodzenia elektroniki ze względu na wdrażanie coraz większych mocy obliczeniowych w coraz mniejszej przestrzeni. Nawet proste kwestie, takie jak prześwit na utrzymanie odpowiedniego promienia gięcia kabli wewnątrz obudowy, mogą powodować poważne problemy z instalacją, jeśli nie zostaną uwzględnione podczas procesu projektowania.

Ponieważ każde zastosowanie jest wyjątkowe, oparcie projektu na łatwej do modyfikacji platformie obudów COTS może skrócić czas przeprojektowania i podnieść odporność łańcucha dostaw na zakłócenia, a jednocześnie zwiększyć pewność, że elektronika jest przygotowana do działania w każdym środowisku, w którym może znaleźć się okręt na morzu.

Instalacja wytrzymałego systemu zarządzania temperaturą

Oprócz wymagań dotyczących parametrów fizycznych i środowiskowych, określonych w normach MIL, nowoczesne szafy elektroniczne wymagają stosowania wytrzymałych systemów zarządzania temperaturą. Wdrożenie zaawansowanych systemów obserwacyjnych i celowniczych, platform autonomicznych, sztucznej inteligencji (AI) i zaawansowanych obronnych systemów walki elektronicznej (EW) wymaga używania wysokiej dostępności i wysokiej prędkości pracy sprzętu komputerowego. Powoduje to generowanie dużych ilości ciepła, często w układach o większej gęstości niż projektowano dotychczas.

Tradycyjne metody chłodzenia, takie jak chłodzenie konwekcyjne i wymuszonym przepływem powietrza, często nie wystarczają do rozwiązania problemu zwiększonego obciążenia termicznego. Projektanci coraz częściej muszą polegać na pełnym zestawie systemów chłodzenia, od chłodzenia konwekcyjnego po chłodzenie cieczą, aby nowoczesna elektronika okrętowa mogła prawidłowo spełniać swoje zadania:

• Konwekcja: Wydajność chłodzenia może sięgać do 800 W na szafę, w zależności od temperatury powietrza otoczenia. Trzeba stosować żaluzje lub perforacje umożliwiające przepływ powietrza przez szafę. Gorące powietrze wylotowe musi być odprowadzane z pomieszczenia komputerowego lub aktywnie schładzane. To rozwiązanie najlepiej sprawdza się w połączeniu z klimatyzatorem w pomieszczeniu komputerowym, ponieważ pozwala jednocześnie schładzać powietrze w otoczeniu i monitorować warunki środowiskowe.
• Wymuszony przepływ powietrza: Wydajność chłodzenia może sięgać do 2000 W na szafę, w zależności od temperatury powietrza otoczenia. Trzeba stosować żaluzje lub perforacje umożliwiające przepływ powietrza przez szafę. Gorące powietrze wylotowe musi być odprowadzane z pomieszczenia komputerowego lub aktywnie schładzane. To rozwiązanie najlepiej sprawdza się w połączeniu z klimatyzatorem w pomieszczeniu komputerowym, ponieważ pozwala jednocześnie schładzać powietrze w otoczeniu i monitorować warunki środowiskowe.
• Klimatyzatory: Wydajność chłodzenia może sięgać do 2600 W na szafę. Najlepsze rozwiązanie do zastosowań, w których powietrze otoczenia nie jest aktywnie schładzane lub występują duże wahania temperatury. Gorące powietrze opuszczające klimatyzator musi być odprowadzane z pomieszczenia komputerowego/szafy.
• Chłodzenie cieczą: Wydajność chłodzenia może sięgać do 45.000 W (45 kW) na szafę. Chłodzenie cieczą pozwala zapewnić wyjątkowo wysoką gęstość obliczeniową na szafę, a tym samym optymalnie wykorzystać przestrzeń w pomieszczeniu komputerowym i zmniejszyć liczbę szaf na okręcie. Nie jest konieczny dostęp zimnego powietrza z otoczenia, system może działać jako zamknięta pętla w zamkniętej szafie. Okręt musi tylko dostarczać chłodną wodę, używaną jako płyn chłodzący w wymienniku ciepła powietrze-woda.

Jakość i zgodność

Kluczową kwestią jest zapewnienie zgodności z wymogami systemu zaopatrzenia zgodnie z suplementem federalnego prawa zamówień rządowych dotyczących obronności [Defense Federal Acquisition Regulation Supplement — DFARS], aby zaprojektowane rozwiązanie mogło działać płynnie. DFARS to zbiór przepisów dotyczących cyberbezpieczeństwa, których muszą przestrzegać wykonawcy i ­dostawcy produktów i usług związanych z obronnością, aby otrzymać nowe kontrakty DoD. Przy wyborze dostawcy infrastruktury elektronicznej do zastosowań morskich ważne jest, aby zapewnić spełnienie wszystkich istotnych wymagań dotyczących jakości i pewności całego łańcucha zaopatrzenia. Powszechnie stosowane analizy dostawców elektroniki do zastosowań morskich obejmują następujące zagadnienia:

• Zgodność z wymogami dotyczącymi identyfikowalności materiałów używanych w łańcuchach dostaw DFARS
• Certyfikat zgodności z międzynarodowymi przepisami w zakresie obrotu bronią (International Traffic in Arms Regulations — ITAR)
• Certyfikaty jakości ISO i AS9100
• Odpowiedni program zapobiegający możliwości używania podrobionych części
• Procedury kontroli pierwszego artykułu
• Program zarządzania cyklem życia zapewniający, że po zaaprobowaniu sprzęt będzie dostępny i obsługiwany przez cały okres trwania programu

Ruch do przodu

Zapewnienie niezawodności i dostępności pokładowych systemów elektronicznych ma kluczowe znaczenie dla gotowości użycia w środowisku morskim. Chociaż każde zastosowanie jest unikalne, istnieje kilka sposobów pozwalających inżynierom projektowym rozwiązać typowe wyzwania mechaniczne, elektryczne / elektromagnetyczne i środowiskowe przy doborze obudów układów elektronicznych przeznaczonych do okrętów. Zapewnienie, że szafy sprzętowe spełniają wymogi odpowiednich specyfikacji wojskowych i rządowych, zostały przeanalizowane pod kątem wydajności fizycznej i termicznej, są dostosowane do unikalnych wymagań zastosowania oraz pozyskiwane od dostawcy zapewniającego odpowiednią kontrolę jakości i mającego doświadczenie w dostarczaniu rozwiązań z obszaru elektroniki wojskowej, wszystko to daje pewność, że sprzęt elektroniczny o kluczowym znaczeniu może wytrzymać nawet najtrudniejsze zastosowania na morzu.