Marin elektronik står inför krävande tillämpningsutmaningar

Standarder för skeppsutrustning

USA:s försvarsdepartement (DoD) upprätthåller en detaljerad lista med standarder för utrustning som används i militära tillämpningar. Om du väljer utrustning som är kvalificerad enligt dessa standarder vet du att den kommersiella standardutrustningen redan uppfyller minimikraven för att skydda kritiska system. Flera standarder gäller utmaningar för elektronik i fartygstillämpningar, och används ofta inom konstruktion av kapslingar för fartygsbruk:

• MIL-DTL-901E: Den här standarden ersätter MIL-S-901D, som var DoD-standarden för test av mekaniska stötar från 1989 till 2017. Den nya 901E-standarden specificerar testkriterier för kraftiga stötar så att kapslingarna ska klara krävande marina miljöer och stridssituationer, och skydda verksamhetskritisk utrustning när den måste vara tillförlitlig. Ett viktigt tillägg i 901E är det nya testet ”stöttestsimulering på däck”, förutom de mekaniska stöt-, slag- och ammunitionstester som ingår i 901D.
• MIL-STD-167-1A: Mekanisk vibrationstestning för skeppsutrustning säkerställer att kapslingarna och elektroniken fungerar tillförlitligt när de utsätts för vibrationer från vanliga marina källor, som motorvibrationer med ett antal olika frekvenser.
• MIL-STD-461G: EMC-tester (ekektromagnetisk kompatibilitet) ser till att kapslingen ger skydd mot extern EMI (elektromagnetiska störningar) samt effektivt innesluter de emissioner som genereras i kapslingen. Utstrålade och ledningsburna emissioner har potential att överföra data som kan fångas upp och utnyttjas av fiender, så det är viktigt med en effektiv elektrisk avskärmning för känslig kommunikationsutrustning. I vissa tillämpningar behövs ett skydd utöver MIL-STD-461G, upp till ett signalskydd på TEMPEST-nivå (amerikanska regeringens specifikation för skydd mot datastöld genom att fånga upp elektromagnetisk strålning).

MIL-STD-810E: Tester med saltdimma visar att utrustning inuti kapslingen skyddas mot potentiellt skadlig korrosion från exponering för koksalt under långa perioder till sjöss. Även om kapslingar på övre däck oftast utsätts för havsstänk och regn, och måste placeras i väderbeständiga kapslingar, kan elektroniken under däck också påverkas om den utsätts för salt i atmosfären. När kapslingar under däck testats enligt 810E-kraven gällande saltdimma ser du till att inte kritisk elektronik utsätts för salt i fartygets omgivningsluft.

Förutom de standarder som anges ovan publicerar DoD dussintals standarder för specifika miljöförhållanden i fartygstillämpningar. Eftersom alla tillämpningar är olika är det viktigt att specificera efterlevnad med ett heltäckande utbud av standarder som uppfyller de unika kraven för en viss installation.

Varje tillämpning är unik

Standardtester kan ge sinnesro kring att vanliga risker har beaktats när elektronikskåpet utformades. Mycket få tillämpningar på fartyg är dock identiska, och standarder kan inte gälla för alla tänkbara förhållanden som kan uppstå på ett fartyg. Förutom att specificera kapslingar enligt testerna ovan kan designingenjörer ha nytta av lösningar som är modulära, skalbara och anpassningsbara, men som är baserade på en gemensam plattformsarkitektur. Då har du alltid tillgång till COTS-komponenter samtidigt som kapslingen kan modifieras för specifika behov. Här är några vanliga modifieringar av kapslingar för elektronik:

• Anpassad vibrationsdämpning och isolering
• Modifierade I/O-paneler och kabelgenomföringar
• Aktiva och passiva kylningslösningar
• Robust strömfördelning
• Kontrollsystem för fysisk och elektronisk åtkomst
• TEMPEST-certifiering för känslig kommunikation
• EMC-skydd
• Brandskyddssystem
• Hantering och organisering av kablar

Många av de här unika tillämpningskraven kräver specialiserad teknik under designprocessen så att elektroniken säkert ska vara tillförlitlig under krävande förhållanden. En finita element-analys bör utföras för alla kapslingar som är monterade på vibrationsisolatorer så att du säkert får tillförlitliga prestanda och lämpliga toleranser även under påfrestningar.

Det blir allt vanligare med avancerad värmemodellering för att säkerställa att elektroniken kyls tillräckligt när mer datorkraft används i tillämpningar med begränsat utrymme. Även enkla överväganden som böjningsradien för kablar i kapslingen kan innebära betydande installationsproblem om de förbises under konstruktionsprocessen.

Eftersom varje tillämpning är unik kan du korta ned konstruktionstiden och få bättre motståndskraft i försörjningskedjan om du utgår från en COTS-plattform som är enkel att modifiera, samtidigt som du säkert vet att elektroniken är förberedd för alla miljöer som fartyget utsätts för till sjöss.

Installera en robust värmehantering

Utöver de fysiska och miljömässiga krav som ingår i MIL-standarderna så behöver moderna elektronikskåp en robust värmehantering. När avancerade system för seende och målinriktning, autonoma plattformar, artificiell intelligens (AI) och avancerade system för elektronisk krigföring (EW) implementeras i försvaret behövs även maskinvara med hög hastighet och tillgänglighet. Sådan utrustning genererar mycket värme, och den installeras ofta tätare än tidigare.

Traditionella kylmetoder som konvektion och riktad luft räcker ofta inte för att hantera den högre värmebelastningen. Dagens konstruktörer måste ofta använda hela utbudet av kylsystem, från konvektion till vätskekylning, för att kunna köra den moderna marina elektroniken:

• Konvektion: Passar för kylning upp till 800 W per rack beroende på omgivningsluftens temperatur. Kräver galler eller perforeringar så att luften kan flöda in i och ut ur skåpet. Den varma utblåsluften måste ventileras bort från datorrummet eller kylas aktivt. Fungerar bäst i kombination med luftkonditionering i datorrummet för att kyla omgivningsluften och övervaka miljöförhållandena.
• Riktad luft: Passar för kylning upp till 2 000 W per rack beroende på omgivningsluftens temperatur. Kräver galler eller perforeringar så att luften kan flöda in i och ut ur skåpet. Den varma utblåsluften måste ventileras bort från datorrummet eller kylas aktivt. Fungerar bäst i kombination med luftkonditionering i datorrummet för att kyla omgivningsluften och övervaka miljöförhållandena.
• Luftkonditionering: Passar för kylning upp till 2 600 W per rack. Bäst för tillämpningar där omgivningsluften inte är aktivt kyld eller när temperaturen varierar. Utloppet av varmluft från luftkonditioneringen måste ventileras bort från datorrummet/racket.
• Vätskekylning: Passar för kylning upp till 45 000 W (45 kW) per rack. Vätskekylning kan möjliggöra extremt hög beräkningsdensitet per rack, vilket optimerar utrymmet i datorrummet och gör att det krävs färre rack på fartyget. Omgivningsluften behöver inte vara kall och systemet kan fungera som en sluten slinga i en kapsling. Det behövs kylvatten från fartyget som kylvätska i luft/vatten-värmeväxlaren.

Kvalitet och efterlevnad

Ett sista övervägande är efterlevnaden med DFARS-kraven gällande upphandling och störningar i projektflödet. DFARS-efterlevnad [Defense Federal Acquisition Regulation supplement] är en uppsättning cybersäkerhetsbestämmelser som entreprenörer och leverantörer till försvaret måste leva upp till för att kunna få nya DoD-kontrakt. När du väljer en leverantörspartner för elektronikinfrastruktur på fartyg är det viktigt att alla relevanta kvalitets- och inköpskrav kan uppfyllas. Här är några vanliga överväganden gällande leverantörer på marknaden för marin elektronik:

• Efterlevnad med kraven på materialspårbarhet inom DFARS
• ITAR-certifiering (International Traffic in Arms Regulation)
• ISO- och AS9100-certifieringar gällande kvalitet
• Ett robust program som skyddar mot förfalskade delar
• Procedurer för inspektion av första artikel
• Ett program för livscykelhanteringen som ser till att utrustningen förblir tillgänglig och stöds under hela programmets livslängd

Nästa steg

Det är viktigt att säkerställa tillförlitligheten och tillgängligheten för elektroniksystem på fartyg. Även om varje tillämpning är unik finns det flera sätt som designingenjörer kan hantera vanliga mekaniska, elektriska/elektromagnetiska och miljömässiga utmaningar när de specificerar kapslingar för elektronik på fartyg. Om du ser till att utrustningsrack uppfyller relevanta militära och myndighetsrelaterade specifikationer, att de har analyserats gällande fysiska och termiska prestanda, är anpassade efter tillämpningens unika krav och att de kommer från en leverantör med robusta kvalitetskontroller och erfarenhet av att leverera militära elektroniklösningar kan du säkerställa att den verksamhetskritiska elektroniska utrustningen klarar även mycket krävande marina tillämpningar.