Abdecken des Energiebedarfs intelligenter Munition
Christian Jonglas, Customer Support Manager bei Gaia Converter, betont die Bedeutung einer zuverlässigen Stromversorgung für elektronische Komponenten beim Entwurf intelligenter Munition und berücksichtigt dabei Faktoren wie Eingangsleistung, thermische Anforderungen, Größe und Zertifizierung.
Die Waffentechnologie hat sich in den letzten Jahren mit der Entwicklung intelligenter Munition dramatisch verändert. Diese intelligente Munition nutzt Fortschritte in der hochzuverlässigen Datenverarbeitung, fortschrittliche Sensoren und Leitsysteme und kann Ziele über große Entfernungen lokalisieren, identifizieren und angreifen. Es hat sich gezeigt, dass sie im Vergleich zu herkömmlichen Waffenkonzepten eine höhere Erfolgsquote bei geringeren Kollateralschäden aufweisen.
Eine wichtige Grundlage für die Zuverlässigkeit intelligenter Munition sind die Stromversorgungs-Subsysteme, die die fortschrittlichen Computer-, Sensor- und Betätigungsgeräte unterstützen, die für die Durchführung eines Einsatzes erforderlich sind. Diese Stromversorgungssysteme müssen kompakt sein und extremen Umwelteinflüssen wie Stößen, Vibrationen und hohen Temperaturschwankungen standhalten können. Dabei stellen sie sicher, dass die Versorgungsschienen, die die einzelnen elektronischen Steuereinheiten versorgen, stabil bleiben.
Die Entwicklung intelligenter Munition begann mit der Paveway-Serie lasergesteuerter Bomben, die von der US-Luftwaffe in den späten 1960er Jahren im Kampfeinsatz getestet wurden. Obwohl der Abschuss von Bomben und Raketen nach wie vor eine menschliche Entscheidung ist, hat die intelligente Munition immer mehr autonome Fähigkeiten erlangt, z. B. bei der Infrarot- oder Radarsteuerung, bei der die Waffe der Wärmesignatur oder der Flugbahn eines bestimmten Ziels folgt. Bei Artilleriegranaten ist die Trägheitssteuerung eine gängige Komponente. Die Granate steuert sich selbst, um einer vorprogrammierten Flugbahn zu folgen, wobei Daten von internen Gyroskopen und Beschleunigungsmessern verwendet werden.
Bei größeren Entfernungen werden präzisionsgelenkte Artilleriegeschosse anhand der Signale des Global Positioning System (GPS) auf die Ziele gelenkt, was die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen Treffers erhöht und das Risiko, Unbeteiligte oder befreundete Streitkräfte zu treffen, verringert. Die Besorgnis über Kollateralschäden trägt dazu bei, das Interesse am Einsatz intelligenter Munition zu steigern. Auch defensive Anwendungen sind auf dem Vormarsch. Intelligente Boden-Luft-Raketen sind in den letzten Konflikten für den Schutz der Zivilbevölkerung von entscheidender Bedeutung geworden, wobei eine Vielzahl von Techniken - von der Laserlenkung bis hin zur Vollautomatisierung - eingesetzt wird, um ankommende Ziele zu treffen. Bei vielen dieser intelligenten Munitionen ist eine kompakte Elektronik entscheidend. Das Gesamtsystem muss unter Umständen einen Durchmesser von 55 mm oder 155 mm haben, oder die Raketen müssen mit tragbaren Flugabwehrsystemen (MANPAD) kompatibel sein.
Intelligente Munition für die Artillerie erfordert im Vergleich zu herkömmlichen Geschossen mehrere zusätzliche elektronische Elemente. Obwohl sowohl dumme als auch intelligente Granaten einen Zünder enthalten, wird die intelligente Form ein komplexeres Zündersystem enthalten, das sich auf Sensormesswerte und Entscheidungen eines Mikrocontrollers stützt, bevor die Nutzlast gezündet wird. Zu den Sensorkomponenten gehört eine Trägheitsmesseinheit, die aus Beschleunigungsmessern und einem Gyroskop besteht, um die Ausrichtung und Geschwindigkeit des Geschosses zu jedem Zeitpunkt vom Start bis zum Aufprall zu bestimmen. Ein GPS-Empfänger ergänzt dies häufig und hilft bei der genauen Standortbestimmung. Ein Radiofrequenz (RF)-Transceiver kann die Fernsteuerung durch eine Kommandoeinheit oder die Weiterleitung von Daten an andere Kampfeinheiten ermöglichen.
Die Hochfrequenz- und Positionssensoren messen zusammen mit anderen Sensoren Temperatur, Feuchtigkeit und Druck, um Umweltveränderungen während des Transports und nach dem Abschuss auszugleichen, und leiten die Daten an eine zentrale Recheneinheit weiter. Dieser Prozessor führt Führungsalgorithmen aus und sendet Befehle an die Aktoren, die zur Steuerung der Flugbahn verwendet werden. So können beispielsweise Schrittmotoren die Lage der externen Ruder verändern, um die Hülle zu drehen und ihre Fluggeschwindigkeit zu steuern. Eine bordeigene Energiequelle liefert über einen oder mehrere DC/DC-Wandler Strom. Da die Sensoren und andere Komponenten stabile Versorgungsschienen benötigen, muss die gelieferte Leistung konstant sein und innerhalb enger Toleranzgrenzen liegen.
Energie kann aus verschiedenen Quellen stammen. Lithiumbatterien werden wegen ihrer hohen Energiedichte häufig in kleineren Lenkflugkörpern eingesetzt. Auch Bordgeneratoren, die auf kleinen Verbrennungsmotoren oder Mikroturbinen basieren, können eine dauerhafte Energieerzeugung bieten, haben jedoch lange Anlaufzeiten und erfordern eine sekundäre Energiequelle für vorübergehende Funktionen. Superkondensatoren hingegen liefern schnelle Stromstöße für Funktionen wie Lenkung oder Detonation und sind besonders wertvoll für Einsätze von kurzer Dauer. Für eine wachsende Zahl von Situationen, in denen Munition so programmiert ist, dass sie vor dem Abschuss oder der Detonation lange Zeit in der Schwebe bleibt, kann die Nutzung von Umgebungsenergie aus Licht, Vibration oder Luftbewegung eine langfristige, aber geringe Energiemenge liefern. Da sich diese Energiequellen gegenseitig ergänzen, kann ein intelligentes Munitionsdesign mehr als ein Subsystem zur Energieerzeugung enthalten.
Die Ausgangsspannung von Batteriezellen kann beispielsweise schnell abfallen, wenn sie das Ende ihres Entladezyklus erreichen, was in der Regel in der Nähe des endgültigen Detonationspunktes geschieht. Backup-Energiesysteme, die zur Ergänzung der primären Energiequelle dienen, wenn diese erschöpft ist, aber Zeit brauchen, um die volle Leistung zu erreichen, können dazu führen, dass sich die Eingangsspannung schnell ändert. Ein für intelligente Munition konzipierter DC/DC-Wandler kann gewährleisten, dass die elektronischen Subsysteme auch beim Umschalten zwischen den Energiequellen eine gleichbleibende Leistung erhalten, selbst in Zeiten hoher Belastung und bei großen Schwankungen in der von der Energiequelle erzeugten Spannung. Ein breiter Eingangsspannungsbereich stellt sicher, dass die Spannungsschienenausgänge nach dem Zünden der Munition bis zum Zeitpunkt der Detonation konstant bleiben. Bei den für diese Anwendung konzipierten DC/DC-Wandlern, wie z. B. der MGDD-Reihe von GAIA Converter, ist es möglich, Produkte zu finden, die einen Bereich von 12V bis 16V bieten.
Die DC/DC-Wandler spielen eine Schlüsselrolle bei der Optimierung der Energieeffizienz und der Vermeidung von Schäden an Komponenten, die durch Spannungsschwankungen bei ungeregelten Versorgungen entstehen können. Als Komponenten, die die korrekte Stromversorgung elektronischer Subsysteme sicherstellen, ist eine hohe Zuverlässigkeit unerlässlich. Da die Gehäuse intelligenter Munition angesichts der Notwendigkeit, Sprengstoff, Energiequellen, Aktoren und Elektronik unterzubringen, nur wenig Platz bieten, müssen die Wandler leicht und klein sein. Ein Problem, das sich bei der Entwicklung von Stromversorgungen stellen kann, ist die Höhe. Obwohl viele handelsübliche Produkte so konstruiert sind, dass sie nur eine relativ kleine Fläche auf der Leiterplatte benötigen, kann die Höhe der passiven Komponenten wie Kondensatoren und Induktoren dazu führen, dass ein Netzteil nur schwer in ein Gehäuse passt. Die von GAIA Converter hergestellte MGDD-Serie umgeht dieses Problem, indem sie einen kompletten DC/DC-Wandler mit einer Höhe von nur 8 mm für Designs, die 40 W oder 12,5 mm für bis zu 500 W Leistung benötigen, implementiert.
DC/DC-Wandler sollten in der Lage sein, großen Temperaturschwankungen sowohl während der Lagerung als auch im Einsatz zu widerstehen. Ein Lagertemperaturbereich von -40 bis +125°C, den die GAIA Convertor MGDD-Serie unterstützt, erfüllt dieses Ziel. Durch den Verguss des Wandlermoduls mit einer Zweikomponentenmasse mit hoher Wärmeleitfähigkeit gewährleisten die Module eine optimale Wärmeableitung unter rauen Umgebungsbedingungen. Die Vergussmasse hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie die Bauteile vor Beschädigungen durch Stöße und Vibrationen schützt.
Ebenso wichtig ist die Fähigkeit, die strengen militärischen Normen für Produktqualität und -verhalten zu erfüllen. Mehrere Normen sind für die Elektronik in intelligenter Munition wichtig. MIL-STD-810 bietet eine Reihe von Tests, die die Robustheit des Systems durch seine Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Stößen, Vibrationen und Höhenlage bestimmen. MIL-STD-461 bestimmt die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des militärischen Systems und stellt sicher, dass die intelligente Munition nicht durch externe Störungen beeinträchtigt wird. Und MIL-STD-331 bietet einen Rahmen für die Prüfung elektronischer Komponenten, um die allgemeine Zuverlässigkeit des endgültigen Systems zu gewährleisten.
Da intelligente Munition immer häufiger eingesetzt wird und die Funktionen in kleinere Gehäuse integriert werden, um ein breiteres Spektrum von Gefechtsszenarien zu unterstützen, werden Integration und Entwicklungsgeschwindigkeit zu Schlüsselelementen des Designs. Bei den Stromversorgungs-Subsystemen wird dies durch die Bereitstellung von integrierten Stromversorgungsmodulen wie dem PSDG-48 unterstützt. Dieser DC/DC-Wandler liefert 48 W über drei Ausgangsschienen von einem einzigen 16-60-V-DC-Eingang. Ein integrierter Filter sorgt für eine hohe EMV, und eine auf einem externen Kondensator basierende Überbrückungsfunktion ermöglicht es der Stromversorgung, vorübergehende Unterbrechungen der bordeigenen Energiequellen während des Einsatzes zu überstehen.
Die Versorgung empfindlicher Elektronik mit zuverlässiger, konstanter Energie ist nach wie vor eine Schlüsselanforderung bei der Entwicklung intelligenter Munition. Durch die Berücksichtigung des Bedarfs an Flexibilität in Bezug auf Eingangsleistung, thermische Eigenschaften, Größe und Zertifizierungsanforderungen ist GAIA ideal positioniert, um ein zuverlässiger langfristiger Partner für die Entwicklung dieser Systeme zu sein.
www.gaia-converter.com
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