L'électronique navale face aux défis des environnements difficiles

Normes pour l’équipement embarqué sur les navires

Le ministère de la Défense américain conserve une liste complète des normes applicables à l’équipement déployé dans le cadre des applications militaires. En optant pour des équipements répondant à ces normes, les concepteurs sont assurés que les solutions COTS répondent aux exigences minimales de protection des systèmes critiques. Plusieurs normes concernent directement les défis rencontrés par les applications électroniques embarquées et sont fréquemment consultées lors de la conception de coffrets pour les navires militaires :

• MIL-DTL-901E : cette norme remplace MIL-S-901D, qui était la norme adoptée par le ministère de la Défense américain pour les tests de résistance aux chocs mécaniques de 1989 à 2017. La nouvelle norme 901E spécifie des critères de test pour les tests de résistance aux impacts élevés afin d’assurer que les coffrets puissent résister aux environnements exigeants des opérations en mer et des batailles navales, et protègent l’équipement stratégique aux moments où sa fiabilité est la plus cruciale. Un supplément essentiel à la norme 901E est l’ajout d’un nouveau « Test de simulation de choc sur le pont », qui vient s’ajouter aux tests de barge pour les chocs et les impacts mécaniques et pour les munitions spécifiés dans la norme 901D.
• MIL-STD-167-1A : Les tests de vibrations mécaniques pour l’équipement embarqué permettent de vérifier que le coffret et les composants électroniques fonctionneront de façon fiable sous l’influence des vibrations couramment émises par les sources navales, telles que les vibrations de moteur sur toute une plage de fréquences.
• MIL-STD-461G: CEM [compatibilité électromagnétique] test assurant que le coffret offre une protection contre les IEM externes [electromagnetic interference] ainsi que le confinement efficace des émissions générées à l’intérieur de l’armoire. Les émissions rayonnées et de ligne peuvent potentiellement transmettre des données susceptibles d’être interceptées et exploitées par l’ennemi ; il est donc impératif d’utiliser un blindage électrique efficace pour l’équipement de communication sensible. Dans certaines applications, une protection supérieure à MIL-STD-461G est requise, jusqu’à et y compris la protection des signaux de niveau TEMPEST (la spécification du gouvernement américain pour la protection contre le vol de données par le biais de l’interception des rayonnements électromagnétiques).

MIL-STD-810E : Le test du brouillard salin permet d’assurer que l’équipement placé dans le coffret sera protégé contre une corrosion potentiellement nuisible causée par l’exposition à l’air salin durant les longs déploiements en mer. Alors que les coffrets situés sur les ponts supérieurs sont le plus souvent exposés aux embruns et à la pluie et doivent donc être abrités dans des coffrets résistant aux intempéries, les composants électroniques situés sous le pont peuvent aussi être compromis suite à une exposition au sel contenu dans l’atmosphère. La spécification de coffrets sous le pont testés pour répondre aux exigences de la norme 810E concernant le brouillard salin permet d’assurer que les composants électroniques stratégiques ne sont pas exposés à la salinité présente dans l’air ambiant du navire.

Outre les normes présentées ci-dessus, le ministère de la Défense américain publie des dizaines de normes concernant des conditions environnementales spécifiques pour les applications à bord des navires. Chaque application est différente, et il est donc essentiel de spécifier la conformité à une gamme complète de normes qui répondent aux exigences uniques de l’installation concernée.

Chaque application est unique

Les tests standard procurent l’assurance que les risques communs ont été pris en considération dans la conception d’un coffret électronique. Cependant, très peu d’applications embarquées sont identiques, et les normes ne peuvent pas envisager toutes les conditions auxquelles un navire peut être confronté. Outre la spécification de coffrets répondant aux tests ci-dessus, les concepteurs peuvent bénéficier de solutions modulaires, évolutives et personnalisables, mais basées sur une architecture de plate-forme commune. Cela permet d’assurer que les composants COTS sont facilement accessibles, tout en permettant de modifier un coffret pour qu’il réponde aux besoins d’une application donnée. Les modifications couramment apportées aux coffrets électroniques comprennent :

• L’amortissement et l’isolation des vibrations personnalisées
• La modification des panneaux d’I/O et d’entrée de câble
• Les solutions de refroidissement passif et actif
• La distribution d’alimentation renforcée
• Les systèmes de contrôle d’accès physiques et électroniques
• La certification TEMPEST pour les communications sensibles
• Le blindage CEM
• Les systèmes d’extinction des incendies
• La gestion et l’organisation des câbles

Bon nombre de ces exigences d’application uniques nécessitent une ingénierie spécialisée durant la conception, afin d’assurer la fiabilité de l’équipement électronique dans des conditions hostiles. Une analyse d’éléments finis doit être réalisée sur tous les coffrets montés sur des isolateurs de vibration pour assurer des performances fiables et les tolérances appropriées dans des conditions de stress.

La modélisation thermique avancée s’avère de plus en plus nécessaire pour assurer le refroidissement correct des composants électroniques, à mesure qu’une puissance de calcul toujours plus élevée est déployée dans des applications à espace restreint. Même des facteurs simples tels que le dégagement du rayon de courbure pour les câbles placés à l’intérieur du coffret peuvent causer des problèmes d’installation notables s’ils ne sont pas pris en compte durant la conception.

Chaque application étant unique, commencer la conception avec une plate-forme de coffret COTS facilement modifiable peut réduire le temps consacré à une nouvelle conception et améliorer la résilience de la chaîne d’approvisionnement, tout en accroissant la confiance que les composants électroniques sont prêts à résister à tout environnement rencontré par le navire en mer.

Installation d’un système de gestion thermique robuste

Outre les exigences physiques et environnementales auxquelles répondent les normes MIL, les coffrets électroniques modernes ont besoin de systèmes de gestion thermique robustes. L’implémentation de systèmes de vision et de ciblage avancés, de plates-formes autonomes, de l’intelligence artificielle (IA) et de systèmes de guerre électronique (EW) avancés dans le secteur de la défense nécessite un matériel informatique haute vitesse et haute disponibilité. Ceci génère beaucoup de chaleur, souvent à des densités plus importantes que par le passé.

Les méthodes de refroidissement traditionnelles telles que la convection et l’air forcé sont souvent insuffisantes pour gérer cette charge thermique accrue. Les concepteurs ont de plus en plus besoin de disposer de systèmes complets de refroidissement, de la convection au refroidissement liquide, pour assurer le fonctionnement sans faille de l’électronique navale moderne :

• Convexion : convient au refroidissement de jusqu’à 800 W par rack, en fonction de la température de l’air ambiant. Nécessite des persiennes ou des perforations pour permettre la circulation d’air en entrée et sortie dans l’armoire. L’air d’échappement chaud doit être évacué hors de la salle informatique ou activement refroidi. Fonctionne de façon optimale en combinaison avec un climatiseur de salle informatique pour refroidir l’air ambiant et surveiller les conditions environnementales.
• Air forcé : convient au refroidissement de jusqu’à 2 000 W par rack, selon la température de l’air ambiant. Nécessite des persiennes ou des perforations pour permettre la circulation d’air en entrée et sortie de l’armoire. L’air d’échappement chaud doit être évacué hors de la salle informatique ou activement refroidi. Fonctionne de façon optimale en combinaison avec un climatiseur de salle informatique pour refroidir l’air ambiant et surveiller les conditions environnementales.
• Climatiseurs : conviennent pour le refroidissement de jusqu’à 2 600 W par rack. Optimal pour les applications dans lesquelles l’air ambiant n’est pas activement refroidi ou présente des températures fluctuantes. L’air d’échappement chaud du climatiseur doit être évacué hors de la salle informatique/du rack.
• Refroidissement liquide : convient au refroidissement de jusqu’à 45 000 W (45 kW) par rack. Le refroidissement liquide peut permettre de disposer d’une densité informatique extrêmement dense par rack, pour optimiser l’espace dans la salle informatique et réduire le nombre de racks requis sur un navire. Il n’est pas nécessaire que l’air ambiant soit froid, et le système peut fonctionner en boucle fermée dans une armoire hermétique. Il est nécessaire de disposer d’eau froide provenant du navire qui agisse comme un liquide de refroidissement dans l’échangeur thermique air-eau. 

Qualité et conformité

Un point final à prendre en compte est d’assurer la conformité avec les exigences d’approvisionnement et les flux descendants des projets de DFARS ; la conformité à DFARS [Réglementation des acquisitions fédérales liées à la défense (Defense Federal Acquisition Regulation Supplement, DFARS)] la conformité est un jeu de réglementations concernant la cybersécurité que les entreprises et les fournisseurs de défense doivent respecter pour se voir accorder de nouveaux contrats du DoD. Lors de la sélection d’un partenaire fournisseur pour l’infrastructure électronique navale, il est vital de s’assurer que toutes les exigences en termes de qualité et d’approvisionnement peuvent être respectées. Parmi les considérations courantes concernant les fournisseurs du marché de l’électronique navale, on compte :

• La conformité avec les exigences de traçabilité des matériaux DFARS
• La certification ITAR (International Traffic in Arms Regulation)
• Les certifications de qualité ISO et AS9100
• Un robuste programme de prévention des pièces contrefaites
• Les procédures d’inspection du premier article
• Un programme de gestion du cycle de vie permettant d’assurer qu’une fois spécifié, l’équipement sera disponible et pris en charge pour toute la durée de vie d’un programme.

À l’avenir

Pour maintenir la préparation des navires militaires, il est vital d’assurer la fiabilité et la disponibilité des systèmes électroniques embarqués. Alors que chaque application est unique, les concepteurs peuvent employer plusieurs méthodes pour répondre aux défis mécaniques, électriques/électromagnétiques et environnementaux courants lors de la spécification de coffrets électroniques pour les navires militaires. Pour être certain que l’équipement électronique stratégique soit capable de résister aux applications navales les plus exigeantes, il est essentiel de s’assurer que les racks d’équipement sont conformes aux spécifications militaires et gouvernementales appropriées, ont été analysés en termes de performances physiques et thermiques, sont personnalisés pour répondre aux exigences uniques de l’application, et proviennent d’un fournisseur ayant des contrôles de qualité robustes et une grande expérience dans la livraison de solutions d’électronique militaire.