車輛集成商面臨的挑戰(zhàn)是在機(jī)載平臺上的非加壓空間中提供增強(qiáng)的處理能力。直接噴涂外殼提供了一種替代方法，可以在惡劣環(huán)境中對電子設(shè)備進(jìn)行環(huán)境隔離，以滿足有效載荷趨勢，縮短開發(fā)時間并管理整個技術(shù)生命周期。

對載人或無人駕駛飛行器（UAV）平臺的加工需求不斷增長，超過了電子設(shè)備的壓力空間。將敏感電子設(shè)備移動到無調(diào)節(jié)的隔間需要許多平臺無法提供的環(huán)境隔離。很少有解決方案可以滿足在惡劣環(huán)境中選擇和集成電子器件時對經(jīng)濟(jì)高效的靈活性的需求。創(chuàng)新的包裝方法，例如使用直接噴霧的方法，提供必要的環(huán)境隔離，并能夠在同一外殼中混合商業(yè)級風(fēng)冷和堅(jiān)固的傳導(dǎo)冷卻電子設(shè)備。除了成功滿足當(dāng)今的有效載荷趨勢外，直接噴涂外殼還縮短了開發(fā)時間并提高了生命周期成本。

滿足有效載荷趨勢

集成商比以往任何時候都更需要以更小的尺寸、重量和功率 （SWaP） 提供更多的功能，從而在惡劣環(huán)境中產(chǎn)生功率密度，從而對傳統(tǒng)冷卻能力造成負(fù)擔(dān)。如今，情報(bào)、監(jiān)視和偵察 （ISR） 應(yīng)用將關(guān)鍵信息從機(jī)載平臺上的傳感器中繼到地面進(jìn)行編譯。減少對有限數(shù)據(jù)鏈路速率的依賴的趨勢需要更多的空中計(jì)算。并行處理、浮點(diǎn)和定點(diǎn)計(jì)算以及濾波是在有效載荷中執(zhí)行的常見任務(wù)，例如雷達(dá)和圖像處理、電子戰(zhàn)、信號處理、命令和控制以及任務(wù)處理。使用FPGA和DSP產(chǎn)品為各種應(yīng)用配置專用硬件和特定任務(wù)軟件的能力對領(lǐng)先的車輛集成商很有吸引力。

不幸的是，這種電子設(shè)備每6U插槽（特別是VPX）消耗100-200 W，迅速超過風(fēng)冷和傳導(dǎo)冷卻外殼和平臺冷卻能力。由于航空電子設(shè)備的技術(shù)更新周期從8年到10年不等，處理電子產(chǎn)品的時間從5年到8年不等，因此不可避免地會迫使一些電子設(shè)備離開有條件的空間。同樣，對非加壓無人機(jī)不斷增長的需求給集成商帶來了同等的負(fù)擔(dān)，要么加固電子設(shè)備，要么以其他方式將溫度更敏感的電子設(shè)備（如射頻卡）與極端環(huán)境隔離開來。

加固電子設(shè)備以從靜止的地面環(huán)境或加壓隔間重新定位到非條件空間，要求高度從25，000到70，000英尺，溫度從-65?∞C到+71?∞C對開發(fā)計(jì)劃有重大影響。重新設(shè)計(jì)、制造和測試用于傳導(dǎo)冷卻的風(fēng)冷板可能需要長達(dá) 12 個月的時間，而工業(yè)級組件的交付周期僅超過 6 個月。如果使用堅(jiān)固耐用的風(fēng)冷卡，由于外殼中第一張卡和最后一張卡之間的溫度變化，通常需要對射頻卡進(jìn)行補(bǔ)償。無論哪種方式，延長的開發(fā)和集成時間都會對在惡劣環(huán)境中快速部署有效負(fù)載的能力產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，每個平臺都有不同級別的冷卻基礎(chǔ)設(shè)施，當(dāng)電路板僅以風(fēng)冷或傳導(dǎo)冷卻配置存在，而不是兩者存在時，集成變得復(fù)雜。

添加最初部署電子子系統(tǒng)時不可用的功能和性能需要預(yù)先規(guī)劃，以限制電子、I/O 和軟件應(yīng)用程序的刷新成本。傳導(dǎo)式和風(fēng)冷式外殼在極端環(huán)境中為當(dāng)今的電子設(shè)備提供足夠的冷卻。隨著未來十年技術(shù)的變化，集成商可以使用當(dāng)今外殼而無需重新設(shè)計(jì)未來電子產(chǎn)品的可能性很低。當(dāng)部署系統(tǒng)時沒有提供每插槽冷卻、整體散熱或環(huán)境控制系統(tǒng) （ECS） 容量等增長功能時，技術(shù)升級的成本將變得非常高昂。生命周期成本的另一個重要因素是電子設(shè)備：傳導(dǎo)冷卻電子設(shè)備的成本通常是其商業(yè)級風(fēng)冷等效物的兩倍。直接噴涂解決方案確保了未來升級的熱裕量，同時使當(dāng)今能夠靈活地部署任何電子設(shè)備，以便在惡劣的軍事環(huán)境中使用。

縮短開發(fā)時間

風(fēng)冷和傳導(dǎo)卡可輕松安裝在直接噴涂外殼中，以便在軍事平臺上進(jìn)行集成、測試和生產(chǎn)。RQ-4全球鷹（見照片由諾斯羅普·格魯曼公司提供，文章的第一頁），U-2龍女，MQ-1捕食者和MQ-9 Reaper等飛機(jī)正在利用在極端環(huán)境中使用商業(yè)級電子設(shè)備的固有能力，通過使用直接噴淋外殼。在所有情況下，電子設(shè)備都位于平臺的未加壓隔間中，其工作要求如表1所示。即使在這種極端情況下，靈敏的射頻電子設(shè)備也可以加熱和冷卻，能夠?qū)囟忍荻冉抵??∞C以下，用于20插槽外殼，而電路板的功率范圍為20至100 W /插槽，無需溫度補(bǔ)償。對于風(fēng)冷式外殼，從第一個插槽到最后一個插槽的梯度可以高達(dá) 20 ?∞C。

表 1

直接噴涂外殼需要大約六個月的時間來配置I / O，識別和采購所需的背板，并在客戶電子設(shè)備安裝之前測試子組件。在外殼配置期間，通過混合商用級風(fēng)冷和/或傳導(dǎo)冷卻板，可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中集成電子硬件和軟件。然后，可以將這些相同的實(shí)驗(yàn)室資產(chǎn)集成到平臺上，以進(jìn)行進(jìn)一步的鑒定和部署。圖1描述了當(dāng)需要相對于直接噴涂外殼中的商業(yè)級電子設(shè)備進(jìn)行加固時，電子設(shè)備集成的時間表。

圖 1

管理生命周期成本

通用處理 （GPP） 仍然是已部署機(jī)箱中的必要功能，它提供在 XP、VXWorks 或 Linux 等操作系統(tǒng)上運(yùn)行的用戶界面、系統(tǒng)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，并分析 DSP 或 FPGA 板預(yù)處理的數(shù)據(jù)。商用級GPP SBC的價格從每張6U卡5，000美元到10，000美元不等，而堅(jiān)固的傳導(dǎo)冷卻配置平均為15，000美元。當(dāng)FPGA板有風(fēng)冷和傳導(dǎo)冷卻版本時，百分比差異較小，分別為30，000美元和40，000美元。表 2 顯示了集成機(jī)箱（按插槽計(jì)算）的電路板成本差異。

表 2

帶有冷卻系統(tǒng)組件的直接噴涂外殼比同等的傳導(dǎo)外殼多出約20，000美元，比數(shù)量少于10個的風(fēng)冷外殼多約30，000美元（再次見表1）。在直接噴涂的情況下，這包括冷卻系統(tǒng)，容納電子設(shè)備的卡籠和外殼，如圖2所示。對于風(fēng)冷和傳導(dǎo)冷卻外殼，所需的平臺級冷卻硬件不包括在所介紹的成本中。當(dāng)三個或四個板采用空氣冷卻與傳導(dǎo)冷卻時，很容易克服直接噴涂和傳導(dǎo)之間的外殼成本差異。

圖 2

對于容納 5 到 20 個插槽的大型機(jī)載機(jī)身外殼，電子設(shè)備的成本節(jié)省可能是直接噴涂外殼和冷卻系統(tǒng)額外費(fèi)用的五倍。整個生命周期的成本被認(rèn)為很重要，因?yàn)闄C(jī)載平臺的使用壽命預(yù)計(jì)為30至40年。對于KC-135和B-52來說，現(xiàn)實(shí)情況是部署時間超過60年，因?yàn)樯壓头碌慕?jīng)濟(jì)性超過了新飛機(jī)的開發(fā)成本。增量技術(shù)更新周期在當(dāng)今老化的飛機(jī)上很常見。直接噴涂系統(tǒng)將刷新成本限制在購買下一代電子產(chǎn)品、配置 I/O、開發(fā)軟件和調(diào)整不同電路板的卡籠噴霧上。這是通過直接噴涂外殼固有的熱裕量實(shí)現(xiàn)的。

直接噴涂外殼使任何電子設(shè)備都可以在多個刷新周期內(nèi)進(jìn)行升級，演示板上每個插槽的功率密度為500 W，行業(yè)預(yù)測為每張6U卡的每個插槽850-1，000 W。隨著直接噴涂外殼的總熱負(fù)荷增加，安裝在飛機(jī)上的熱交換器（再次參見圖2）可以進(jìn)行縮放以滿足有效載荷要求。在可預(yù)見的未來，直接噴涂外殼提供的熱裕量為集成商的開發(fā)和升級成本節(jié)約提供了空間。當(dāng)系統(tǒng)部署時，以每槽冷卻能力和整體散熱的形式提供增長，技術(shù)升級的成本在飛機(jī)生命周期內(nèi)降低。

直接噴涂：滿足現(xiàn)代需求

直接噴涂外殼支持與空氣平臺上的傳感器共置更多處理有效載荷的趨勢，特別是對于未加壓，SWaP約束的無人機(jī)。子系統(tǒng)集成時間和成本的降低源于能夠輕松接受風(fēng)冷、傳導(dǎo)冷卻和定制板的能力。由于機(jī)柜和熱交換器構(gòu)成了一個自主子系統(tǒng)，而不依賴于 ECS 等冷卻基礎(chǔ)設(shè)施，因此簡化了平臺級集成。在極端環(huán)境中集成和部署商業(yè)級電子產(chǎn)品的能力提供了采購提前期優(yōu)勢并節(jié)省了成本。直接噴涂外殼，如SprayCool生產(chǎn)的外殼，也可以節(jié)省開發(fā)時間和生產(chǎn)成本。憑借固有的熱裕量，成本節(jié)約可在整個平臺生命周期內(nèi)延長。

審核編輯：郭婷