Hypersonické novinky (5)

Hypersonické novinky (5)
Hlavním nepřítelem „hypersonické elektroniky“ je teplo / archív autora (Zvětšit)

V dnešním závěrečném tématu o fyzikálních bariérách, jimž čelí vědci při vývoji hypersonických zbraní, popíšeme některé překážky při použití elektroniky.

Lety hypersonickou rychlostí v atmosféře kladou vysoké požadavky na odolnost desek plošných spojů a elektronických součástek, jež musí odolávat vibračním, tlakovým a teplotním extrémům. Lorne Graves, ředitelka počítačových technologií společnosti Abaco Systems, pro vestavěnou „hypersonickou elektroniku“ uvádí čtyři základní funkce:

  • provádění výpočtů pro příkazy, které reagují na měnící se podmínky za letu a zajišťují fungování všech subsystémů;
  • propočet dráhy a řízení letu, sledování výstupů ze senzorů a řízení provozního využití senzorů;
  • zpracování signálů v reálném čase pro radar, elektrooptické senzory a elektronický boj;
  • bezporuchová a zabezpečená komunikace s velitelskými a řídícími sítěmi.

„Elektronika pro provádění těchto funkcí může existovat v jednom počítačovém boxu nebo může být rozdělena na několik částí,“ uvádí Graves. „Systém může být dokonce navržen tak, aby subsystém elektroniky vykonával více funkcí a přepínal se mezi nimi na základě situace během mise.“


Technik v zařízení Northrop Grumman v Charlottesville, Virginie kontroluje 3D tištěnou součást pro jeden z jejich navigačních systémů. / archív autora

Nároky na desky plošných spojů

„Při letu hypersonickými rychlostmi se vibrační profily dostanou nad rámec toho, co běžné standardy vyžadují. Na deskách plošných spojů máte spoustu rizikových věcí, ať už se jedná například o snímatelné konektory nebo možnost vzniku únavových poruch, které jsou nejhorší,“ říká Ivan Straznicky, technologický ředitel společnosti Curtiss-Wright Defense Solutions.

„Teplo je další riziková oblast,“ pokračuje Straznicky. „Pokud se střela při těchto rychlostech pohybuje v atmosféře, produkuje velké množství tepla, takže potřebujeme ochranné materiály. Tepla se ale úplně nezbavíte, takže uvnitř střely bude horko. Potřebujete elektroniku odolnou proti extrémním teplotním výkyvům, což může vyžadovat speciální řešení, jako parní komory [vapor chambers] nebo kapalné chlazení [liquid cooling].“

Odborníci musí navrhnout komponenty tak, aby odolaly podmínkám prostředí (teplota, vibrace, vlhkost, tlak vzduchu, koroze atd.) až 10 krát vyšším, než jsou maximální povolené hodnoty podle americké národní normy VITA 47. Ta definuje požadavky odolnosti komerčně dostupných modulů COTS (commercial-off-the-shelf) zásuvných jednodeskových počítačů s procesorem.

„Na střelách jsou počítačové moduly pro výpočet prvků letu nebo palubní počítače mise, které mohou mít velmi odlišné požadavky,“ zdůrazňuje Straznicky. „Letový modul možná bude muset být certifikován na DO-254 DAL [Design Assurance Level] třídy A, což je nejpřísnější úroveň pro palubní elektroniku. Palubní počítače mise musí být na stejné úrovni, pro hardware však bude nutné požadovat další významná omezení, jako rozpoznávání poruchových režimů.“

Výroba součástí je také výzvou. „Komponenty již nejsou vyráběny speciálně pro vojenské aplikace, ale používají se komponenty pro komerční účely,“ vysvětluje Straznicky. „Někteří výrobci průmyslových komponentů splňují i vojenské teplotní charakteristiky, ale je jich málo. Když je navrhnete a namontujete na desku s plošnými spoji a poté na ně umístíte chladicí systémy, musí vše spolehlivě fungovat, například i pájky. Požadavky na ně jsou velmi náročné, zejména z hlediska odolnosti.“

Dalším problémem pro elektroniku představují rázové vlny. Na konci testovacího letu střely X-15 v roce 1967 při rychlosti nad Mach 6 intenzivní zahřívání od vibrací z rázových vln částečně roztavilo pylon držící ramjetový motor střely k trupu. Vibrace obecně mohou zvyšovat vnitřní teplotu střely, což může poškodit citlivou elektroniku. Roli hraje také umístění elektroniky ve střele – například přední část střely bude mít vyšší teplotní požadavky než záď.


Vady počítačových modulů – krátery na desce pod pájecím spojem po vibracích v důsledku nadměrného lokálního namáhání, solný můstek na modulu po 500 hodinách vystavení solné mlze, koroze spoje konektoru vlivem nadměrného tření během vibrací a „usmažený“ procesor kvůli nedostatečnému chlazení během testování při vysoké teplotě. / Curtiss-Wright

Speciální povlaky pro elektroniku

Ochranu elektroniky před teplem při hypersonických rychlostech, kdy vnější teplota stoupá nad 2200 °C, téměř jistě zajistí speciální povlaky elektroniky.

„Máme tři různé typy povlaků: akrylové, uretanové a parylenové [druh polymeru], vakuově napařované filmy až do síly půl milimetru. Ty obklopují vše na desce. To je nejvyšší ochrana, která chrání před vlhkostí a kondenzací v případě velmi rychlých změn teploty,“ říká Straznicky.

Vysoké nároky jsou kladeny také na lepidla a spojovací prostředky pro uchycení elektroniky a senzorů k draku nebo potahu střel. Musí odolat extrémním výkyvům teplot, rázům i vibracím.

Skutečným problémem při vývoji hypersonické střely tedy není ji „dotlačit“ na vysokou rychlost, ale ochránit vestavěné výpočetní systémy před extrémním rozsahem teplot, přetížením, vibracemi, vlhkostí a pyrotechnickými šoky – bez zvyšování celkové hmotnosti střely.

„Nekontrolované energie na rezonančních frekvencích mohou rychle zničit komponenty a spoje v celém integrovaném výpočetním systému. Některé konstrukce hypersonických střel vytváří problémy s mechanickými vibracemi i tím, že používají motor, který mění své chování při spalování na základě nadmořské výšky,“ říká Graves. „Řešení pohonu tedy znamená, že se vibrační charakteristiky motoru budou lišit, což dále komplikuje konstrukci zabudované elektroniky.“


Pozemní testy motoru SJX61-2 střely X-51A Waverider (2010) / Public Domain

Vývoj v oblasti křemíku

„Dnešní zpracování křemíku je rozděleno na technologie vícejádrových procesorů pro všeobecné použití GPP [multi-core general purpose processors], jednotek pro všeobecné zpracování grafiky GPGPU [general purpose graphics processing units], polních programovatelných hradlových polí FPGA [field programmable gate arrays], procesorů digitálního signálu DSP [digital signal processors] a komunikačních procesorů CP [communications processors],“ uvádí Graves. „Jak název napovídá, GPP není specializovaný – a přesto pro účely vestavěných počítačů musí být. GPP je nejlepší typ procesoru, například pro reakci na příkazy“.

Každý pokrok v moderních procesorech však zvyšuje jeden z nejnebezpečnějších problémů hypersonického letu – teplo. I když každá nová generace procesorů poskytuje geometrické zvýšení výkonu, zvyšuje se také generované vnitřní teplo.


Hypersonická demonstrační střela X-51A Waverider (2009); větší foto / USAF

 Chladící výzvy u hypersoniků

Jedním z nejběžnějších způsobů chlazení je nucené proudění vzduchu po povrchu tělesa se zabudovanými procesory. To samozřejmě není možné při hypersonickém letu, kde se řeší odstranění právě vnějšího tepla. Zbývají tedy dvě další hlavní techniky – chlazení vedením tepla a chladící trubice, zpravidla ve vzájemné kombinaci.

Chlazení vedením je řešeno pomocí tepelného rámu, uvnitř kterého jsou desky plošných spojů s připojenými procesory. Pomocí klínových zámků je sestava tepelného rámu a desky plošných spojů uchycena ke stěně šasi systému. Klínové zámky (wedge locks) také pomáhají řešit další problém – vibrace, což zvyšuje celkovou tuhost systému.

„Účinky vibrací, stejně jako síly G při zrychlení a pyrotechnický šok lze snížit použitím tlumících materiálů v místech spoje nejen v samotném šasi systému, ale i tam, kde je šasi připojeno k draku letadla,“ uvádí Graves.

Chladící trubice se používají k odvodu tepla přímo z povrchu u součástek s vysokým tepelným zatížením, jako například více jádrový GPP s vnějším žebrováním povrchu, umístěný uvnitř skříně. Účinnost chladící trubice závisí na řadě proměnných, často ale představuje efektivní způsob řešení zahřívání.


Nový Curtiss-Wrightův TTC-MDW-2020 je miniaturní jednotka pro sběr dat typu DAU (double-wide-form-factor) určená pro použití v přístrojových aplikacích pro letové zkoušky, jako je testování hypersonické výzbroje. / Curtiss-Wright

Testy komerční elektroniky pro vojenské použití

V dnešním technologicky vyspělém prostředí není vývoj konkrétních aplikací pouze pro vojenské použití praktický. Využití nejnovějšího rychle se rozvíjejícího komerčního výpočetního a komunikačního „křemíku“ k vytvoření výkonného, multifunkčního výpočetního systému hypersonických střel bude dostačující. Systémy využívající komerční čipy však musí být odolnější oproti civilním požadavkům, aby byla zajištěna funkčnost v nejnáročnějších podmínkách.

Ověření odolnosti a funkčnosti spadá do fáze letových zkoušek. „Při letových zkouškách musí výrobek prokázat mnohem větší odolnost než v provozní fázi,“ říká Farhad Daghigh, obchodní ředitel společnosti Curtiss-Wright.


Možnosti a schopnosti společnosti Curtiss-Wright

„U letadla, které obvykle letí Mach 2, posunujeme testy na Mach 3,“ říká Daghigh. „U hypersoniků to musíte posunout ještě dále. Pokud to má jít na Mach 8, testujeme to na Mach 9 nebo 10. Při letovém testu v experimentálním režimu s množstvím senzorů se pohybujete v časovém rozpětí řádu nanosekund. Pokud se v jednom bodě něco pokazí, chcete vědět, co se stalo.“

Spojené státy, Rusko i Čína hlásí testování hypersonických střel, nikdo však prozatím neprokázal spolehlivý a úspěšný manévrovatelný let. Rychlost a ovladatelnost hypersonických střel tak nebude jen otázkou jejich pohonu, ale bude také záviset na vyspělosti použitých lepidel, pájek, schopnosti odvodu tepla a protirázové a protivibrační ochraně nejjemnějších vnitřních elektronických součástí.

Zdroj: MilitaryAerospace, Vita.mil, ABACO, CurtisWright

Nahlásit chybu v článku


Související články

Hypersonické novinky (1)

Dnešním článkem spouštíme volný a nepravidelný seriál o novinkách ze světa hypersonických zbraní. ...

Hypersonické novinky (2)

V dnešním volném seriálu ze světa hypersoniky si představíme test ruské střely Zirkon, patent MBDA ...

Hypersonické novinky (3)

V dnešním pokračování seriálu ze světa hypersoniky představíme čínský hypersonický kluzák DF-17 a ...

Hypersonické novinky (4)

V dnešním pokračování volného seriálu představíme hypersonický Air Force One pro amerického ...

Přidávat diskuzní příspěvky a hlasovat pro článek mohou jen registrovaní. Prosím zaregistrujte se nebo se přihlašte!

Komentáře

Zvýraznit příspěvky za posledních:
  • irbis
    19:36 14.01.2021

    Vie ma niekto navigovať na zdroj alebo má info ohľadom interakcie emg. žiarenia /MASER, LASER/ s plazmou? Je vôbec možné zničiť /zahriať/ letiaci projektil v plazmovom obale ...
    Zobrazit celý příspěvek

    Vie ma niekto navigovať na zdroj alebo má info ohľadom interakcie emg. žiarenia /MASER, LASER/ s plazmou? Je vôbec možné zničiť /zahriať/ letiaci projektil v plazmovom obale /+Mach9/ pridaním tepla prostredníctvom emg. žiarenia?
    Skrýt celý příspěvek

  • zdeno
    14:27 12.01.2021

    řešení můžeme nejspíš čekat v kombinaci keramického štítu s chlazením pomocí odpařovacích materiálů a speciálně tvarovaných součástek (s ohledem na mechanické namáhání), čili ...
    Zobrazit celý příspěvek

    řešení můžeme nejspíš čekat v kombinaci keramického štítu s chlazením pomocí odpařovacích materiálů a speciálně tvarovaných součástek (s ohledem na mechanické namáhání), čili nekomerčních a děsně drahých, jenže tu zůstane problém s čidly při hypersonickém letu - takže předem naprogramovat a spolehnout se na inerciální navigaci..........
    Skrýt celý příspěvek

    • logik
      16:39 12.01.2021

      Inerciální navigace nelze rozumně použít na protilodní střely.

      Inerciální navigace nelze rozumně použít na protilodní střely.

      • zdeno
        20:21 13.01.2021

        to je pravda,takže zbývá buď zpomalit a odhodit štít v závěrečné fázi letu (tím se stát zničitelným i když -protisystém by musel mít extrémě krátkou reakční dobu), nebo jaderná ...
        Zobrazit celý příspěvek

        to je pravda,takže zbývá buď zpomalit a odhodit štít v závěrečné fázi letu (tím se stát zničitelným i když -protisystém by musel mít extrémě krátkou reakční dobu), nebo jaderná hlavice -proto mne štve že lidi nevěnují svou invenci do něčeho užitečného
        Skrýt celý příspěvek

  • logik
    22:11 11.01.2021

    "I když každá nová generace procesorů poskytuje geometrické zvýšení výkonu, zvyšuje se také generované vnitřní teplo."
    To není pravda, poslední dobou výkon procesorů nejde příliš ...
    Zobrazit celý příspěvek

    "I když každá nová generace procesorů poskytuje geometrické zvýšení výkonu, zvyšuje se také generované vnitřní teplo."
    To není pravda, poslední dobou výkon procesorů nejde příliš nahoru (max se přidávají nezávislá jadra), ale s novými procesy se především snižuje vygenerované teplo (což právě umožˇňuje uchladit v jednom křemíku více jader).

    PS: I když poslední Intely, snažící se dohnat lepší proces AMDčka, zas ženou spotřebovanou energii a potažmo teplotu nahoru, protože ždímaj křemík daleko za hranici optimálních frekvencí daného procesu - ale to na principu, že nové procesy SNIŽUJÍ energetickou spotřebu procesorů, nic nemění.
    Skrýt celý příspěvek

    • TC82
      12:07 12.01.2021

      Tak desktopove/servrove CPU jsou trochu jina liga nez ASIC v avionice.

      Tak desktopove/servrove CPU jsou trochu jina liga nez ASIC v avionice.

      • logik
        16:36 12.01.2021

        Novější procesy na výrobu polovodičů jsou principiálně podstatně úspornější, je zcela irelevantní, zdali se mluví o jednoúčelových ASIC, nebo běžných procesorech.

        Tvrzení, že nové ...
        Zobrazit celý příspěvek

        Novější procesy na výrobu polovodičů jsou principiálně podstatně úspornější, je zcela irelevantní, zdali se mluví o jednoúčelových ASIC, nebo běžných procesorech.

        Tvrzení, že nové CPU jsou žravější než ty starší, je prostě nesmysl.
        Skrýt celý příspěvek

        • irbis
          17:25 12.01.2021

          Že by bola toto cesta - len 10% spotreba voči ...
          Zobrazit celý příspěvek

          Že by bola toto cesta - len 10% spotreba voči konkurencii:
          https://www.startitup.sk/najle...
          Skrýt celý příspěvek

          • Sunet
            21:44 12.01.2021

            Držím palce tomuto startupu a doufám, že ten jejich nový procesor Prodigy je fakt tak dobrý, jak o něm píšou. No, něco se psalo o tom, že EU má investovat do polovodičových ...
            Zobrazit celý příspěvek

            Držím palce tomuto startupu a doufám, že ten jejich nový procesor Prodigy je fakt tak dobrý, jak o něm píšou. No, něco se psalo o tom, že EU má investovat do polovodičových technologií desítky miliard eur. Zde se přímo nabízí příjemce těchto peněz. Nehledě na to, že v tomto případě se jedná o univerzální procesor, který by v podstatě Evropě zaručil soběstačnost v PC technice. Tak ať se firmě Tachyum letos daří a už se těším na první komerčně dostupné procesory.
            Skrýt celý příspěvek

          • irbis
            19:30 14.01.2021

            Startup-om by som to nenazval, keďže CEO spoločnosti má cez 100 patentov v oblasti polovodičov. Ináč príbeh veľmi podobný HE3DA. Takisto držím palce.
            O tej dohode som čítal, myslím ...
            Zobrazit celý příspěvek

            Startup-om by som to nenazval, keďže CEO spoločnosti má cez 100 patentov v oblasti polovodičov. Ináč príbeh veľmi podobný HE3DA. Takisto držím palce.
            O tej dohode som čítal, myslím že do 2 rokov by EU chcela mať vlastný procesor a je tam evidentná snaha odstrihnúť sa od Azie.
            Skrýt celý příspěvek

        • TC82
          10:18 13.01.2021

          To asi jsou, ale v avionice se nepoužívají. Tam se pořád pohybujeme v µm.

          To asi jsou, ale v avionice se nepoužívají. Tam se pořád pohybujeme v µm.

          • logik
            14:48 13.01.2021

            Trochu si vymýšlíš. Ano, v letectví se používají konzervativní technologie, takže ozkoušené procesy, ale miniaturizace tam postupuje úplně stejně, jako jinde, jen prostě o "pár ...
            Zobrazit celý příspěvek

            Trochu si vymýšlíš. Ano, v letectví se používají konzervativní technologie, takže ozkoušené procesy, ale miniaturizace tam postupuje úplně stejně, jako jinde, jen prostě o "pár kroků pozadu".

            Např v avionice a řízení motorů se používají tyto čipy:
            https://www.nxp.com/applicatio...
            které jsou dělané 28nm procesem.
            Skrýt celý příspěvek

          • irbis
            19:26 14.01.2021

            Toto uádza stránka na Tachyome ohľadom armády:
            Okrem výkonu je charakteristickým znakom dobrých obranných systémov veľkosť, hmotnosť a sila (SWaP), a Prodigy poskytne napríklad ...
            Zobrazit celý příspěvek

            Toto uádza stránka na Tachyome ohľadom armády:
            Okrem výkonu je charakteristickým znakom dobrých obranných systémov veľkosť, hmotnosť a sila (SWaP), a Prodigy poskytne napríklad našim bezpilotným lietadlám a satelitom viac ako 10-násobne vyšší vlastný výkon spracovania (MIPS/Watt) v porovnaní s aktuálnymi východiskovými systémami, čo umožní efektívne využívanie Big AI bez zvýšenia spotreby energie.
            Skrýt celý příspěvek

          • TC82
            10:53 18.01.2021

            Logik: Tak urcite, a ktere certifikovane systemy to maji ?

            Logik: Tak urcite, a ktere certifikovane systemy to maji ?