車輛集成商面臨的挑戰(zhàn)是在機(jī)載平臺(tái)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(duì)電子設(shè)備進(jìn)行環(huán)境隔離，以滿足有效載荷趨勢(shì)，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間并管理整個(gè)技術(shù)生命周期。

對(duì)載人或無(wú)人駕駛飛行器（UAV）平臺(tái)的加工需求不斷增長(zhǎng)，超過(guò)了電子設(shè)備的壓力空間。將敏感電子設(shè)備移動(dòng)到無(wú)調(diào)節(jié)的隔間需要許多平臺(tái)無(wú)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(shí)對(duì)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(jí)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(shì)外，直接噴涂外殼還縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間并提高了生命周期成本。

滿足有效載荷趨勢(shì)

集成商比以往任何時(shí)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(duì)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(tái)上的傳感器中繼到地面進(jìn)行編譯。減少對(duì)有限數(shù)據(jù)鏈路速率的依賴的趨勢(shì)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(jiàn)任務(wù)，例如雷達(dá)和圖像處理、電子戰(zhàn)、信號(hào)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(duì)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(guò)風(fēng)冷和傳導(dǎo)冷卻外殼和平臺(tái)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(shí)間從5年到8年不等，因此不可避免地會(huì)迫使一些電子設(shè)備離開(kāi)有條件的空間。同樣，對(duì)非加壓無(wú)人機(jī)不斷增長(zhǎng)的需求給集成商帶來(lái)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(kāi)來(lái)。

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(duì)開(kāi)發(fā)計(jì)劃有重大影響。重新設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試用于傳導(dǎo)冷卻的風(fēng)冷板可能需要長(zhǎng)達(dá) 12 個(gè)月的時(shí)間，而工業(yè)級(jí)組件的交付周期僅超過(guò) 6 個(gè)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(duì)射頻卡進(jìn)行補(bǔ)償。無(wú)論哪種方式，延長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)和集成時(shí)間都會(huì)對(duì)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(gè)平臺(tái)都有不同級(jí)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(shí)，集成變得復(fù)雜。

添加最初部署電子子系統(tǒng)時(shí)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(lái)十年技術(shù)的變化，集成商可以使用當(dāng)今外殼而無(wú)需重新設(shè)計(jì)未來(lái)電子產(chǎn)品的可能性很低。當(dāng)部署系統(tǒng)時(shí)沒(méi)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(zhǎng)功能時(shí)，技術(shù)升級(jí)的成本將變得非常高昂。生命周期成本的另一個(gè)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(jí)風(fēng)冷等效物的兩倍。直接噴涂解決方案確保了未來(lái)升級(jí)的熱裕量，同時(shí)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(kāi)發(fā)時(shí)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(tái)上進(jìn)行集成、測(cè)試和生產(chǎn)。RQ-4全球鷹（見(jiàn)照片由諾斯羅普·格魯曼公司提供，文章的第一頁(yè)），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(jí)電子設(shè)備的固有能力，通過(guò)使用直接噴淋外殼。在所有情況下，電子設(shè)備都位于平臺(tái)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(wú)需溫度補(bǔ)償。對(duì)于風(fēng)冷式外殼，從第一個(gè)插槽到最后一個(gè)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(gè)月的時(shí)間來(lái)配置I / O，識(shí)別和采購(gòu)所需的背板，并在客戶電子設(shè)備安裝之前測(cè)試子組件。在外殼配置期間，通過(guò)混合商用級(jí)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(tái)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(duì)于直接噴涂外殼中的商業(yè)級(jí)電子設(shè)備進(jìn)行加固時(shí)，電子設(shè)備集成的時(shí)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(jí)GPP SBC的價(jià)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(shí)，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(gè)的風(fēng)冷外殼多約30，000美元（再次見(jiàn)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(duì)于風(fēng)冷和傳導(dǎo)冷卻外殼，所需的平臺(tái)級(jí)冷卻硬件不包括在所介紹的成本中。當(dāng)三個(gè)或四個(gè)板采用空氣冷卻與傳導(dǎo)冷卻時(shí)，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(duì)于容納 5 到 20 個(gè)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(gè)生命周期的成本被認(rèn)為很重要，因?yàn)闄C(jī)載平臺(tái)的使用壽命預(yù)計(jì)為30至40年。對(duì)于KC-135和B-52來(lái)說(shuō)，現(xiàn)實(shí)情況是部署時(shí)間超過(guò)60年，因?yàn)樯?jí)和翻新的經(jīng)濟(jì)性超過(guò)了新飛機(jī)的開(kāi)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(jiàn)。直接噴涂系統(tǒng)將刷新成本限制在購(gòu)買下一代電子產(chǎn)品、配置 I/O、開(kāi)發(fā)軟件和調(diào)整不同電路板的卡籠噴霧上。這是通過(guò)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(gè)刷新周期內(nèi)進(jìn)行升級(jí)，演示板上每個(gè)插槽的功率密度為500 W，行業(yè)預(yù)測(cè)為每張6U卡的每個(gè)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(jiàn)圖2）可以進(jìn)行縮放以滿足有效載荷要求。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，直接噴涂外殼提供的熱裕量為集成商的開(kāi)發(fā)和升級(jí)成本節(jié)約提供了空間。當(dāng)系統(tǒng)部署時(shí)，以每槽冷卻能力和整體散熱的形式提供增長(zhǎng)，技術(shù)升級(jí)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(tái)上的傳感器共置更多處理有效載荷的趨勢(shì)，特別是對(duì)于未加壓，SWaP約束的無(wú)人機(jī)。子系統(tǒng)集成時(shí)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(gè)自主子系統(tǒng)，而不依賴于 ECS 等冷卻基礎(chǔ)設(shè)施，因此簡(jiǎn)化了平臺(tái)級(jí)集成。在極端環(huán)境中集成和部署商業(yè)級(jí)電子產(chǎn)品的能力提供了采購(gòu)提前期優(yōu)勢(shì)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(kāi)發(fā)時(shí)間和生產(chǎn)成本。憑借固有的熱裕量，成本節(jié)約可在整個(gè)平臺(tái)生命周期內(nèi)延長(zhǎng)。

審核編輯：郭婷