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Robuste Gehäuselösungen für die Luftfahrt : Ausgabe 16/2015, 07.10.2015

Hightech-Gehäuse an Bord

Extreme Temperaturen, grosse Höhen, Feuchtigkeit und Staub sowie Schock und Vibration – die Elektronik in Anwendungen der Luft- und Raumfahrt ist enormen Belastungen ausgesetzt. So muss das Electronic Packaging nicht nur zuverlässig sein, sondern auch alle wichtigen Normen für Hightech-Gehäuse erfüllen.

Bilder: morrbyte | fotolia.com, POLYRACK

Im Luftverkehr lassen sich mit dem ATR (Air Transportation Rack) vielfältige Anwendungen kosteneffizient umsetzen. Inzwischen haben sich die ATR-Gehäuselösungen als Standard für elektronische Geräte in Flugzeugen etabliert. Durch ihr modulares Design bieten sie zahlreiche individuelle Konfigurationsmöglichkeiten und liefern einheitliche Optionen zur Befestigung der Applikation sowie zur Integration von Hardware und Kühlung.

Richtig gekühlt mit Konduktions- und Zwangskühlung

Welche Art von Kühlung in einem ATR-System in der Luft- und Raumfahrt zum Einsatz kommt, ist vom Einsatztemperaturbereich, der Betriebstemperatur und der maximalen Systemleistung abhängig. Generell werden die ATR-Chassis für Betriebstemperaturen im Bereich -55 bis +85 °C konzipiert.

Ein passiv gekühltes System bietet sich bei Leistungen bis zu 120 W an. Hersteller nutzen hierfür als optimierte Wärmeableitung die Konduktionskühlung. Bei ihr werden alle Wärmequellen (Hot-Spots) mit der Verschalung kontaktiert. Dadurch lässt sich die Wärme von den einzelnen Quellen, wie dem Hauptprozessor (CPU), zur Verschalung übertragen und über die Keilverschlüsse zur Gehäuseoberfläche sowie nach aussen leiten. Das Gehäuse kann dabei komplett luftdicht (IP67 und höher) aufgebaut werden.

Höhentaugliches Kühlsystem erfordert spezielle Lüfter

Eine zusätzliche Zwangskühlung eignet sich für die Entwärmung von Systemen mit höherer Leistung. Bei dieser Variante sind die Kühlrippen mit einer äusseren Platte abgedeckt, wobei zwischen diesen und dem eigentlichen Gehäuse Belüftungskanäle entstehen. Die kältere Luft wird angesaugt und durch die Belüftungskanäle transportiert. Diese Methode erfordert höhentaugliche Lüfter, die stets ihre geforderte Leistung bringen. Um auch bei hohem Druck einen gleichmässigen Luftfluss zu garantieren, muss die Belüftungsvorrichtung sowohl auf die herrschenden Betriebstemperaturen als auch auf die Luftfeuchtigkeit abgestimmt sein.

Vor elektromagnetischer Strahlung geschützt

Da die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) eine wichtige Rolle für die Systemintegrität in Flugzeugen spielt, muss sie von Komponentenebene an in das Design der Gehäuse einfliessen. Aluminiumkonstruktionen bieten einen inhärenten Schutz vor elektromagnetischen Strahlen und erlauben ein freies Erdungskonzept über die leitende Oberfläche. Eine hohe EMV in Systemen ist gewährleistet, wenn diese hermetisch aufgebaut sind. Um die Einstrahlung von Fremdsystemen sowie die Ausstrahlung von Störsignalen zu verhindern, bedürfen abnehmbare Teile einer EMV/IP-Kombi-Dichtung. Im System selbst lassen sich Störeinflüsse der Steckkarten untereinander vermeiden, indem Signalbereich und Powerbereich soweit möglich mechanisch getrennt werden. Im Rugged MIL ½ Short ATR-Chassis sind Einsteckkarten komplett von einem Metallrahmen bzw. zwei Metall-Halbschalen umhüllt.

Stabil bei Schock und Vibration

Um Gehäusesysteme vor den Folgen von Schock und Vibration zu schützen, sind die Einzelteile des ATR-Chassis im Tauchlötverfahren verbunden. Das gewährleistet eine gute Festigkeit, vermeidet Schraubverbindungen und verbessert gleichzeitig die Wärmeübertragungseigenschaften. Für eine zusätzliche Stabilisierung der Einsteckkarten sorgen die VPX-Backplanes mit Fangstiften. Kritische Bauteile sichert der Hersteller zudem durch Verkleben und verwendet beim Einbau von Baugruppen ein frei schwimmendes Montagekonzept. Eine weitere Möglichkeit zur Dämpfung von Schock und Vibrationen stellen passive Isolatoren dar. Hier nimmt eine Feder Erschütterungen auf und ein Dämpfer absorbiert bis zu 80 % der Eingangsbelastung.

Hightech-Gehäuse nach Norm

Das Rugged MIL ½ Short ATR-Chassis eignet sich für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, wie Helikopter oder Airborne Fighters, sowie für Shipboards in der Marine und für Landfahrzeuge im Bereich Transportation. Denn es erfüllt alle Anforderungen in Sachen Robustheit, Kühlung, Gewicht und EMV-/ESD-Schutz. Zudem entspricht es dem ARINC 404A-Standard und ist nach den strengen Spezifikationen aus der Sicherheits- und Verteidigungstechnik konzipiert. Unter anderem wurde das Chassis durch Tests nach MIL-STD-810G qualifiziert und hält die Normen für elektrische Versorgungsysteme in Flugzeugen (MIL-STD-704) sowie der EMV (MIL-STD-461) ein.

Neue Materialien erfüllen die hohen Anforderungen

Um die Leichtbauweise, eine optimale Entwärmung, Schock- und Vibrationsschutz sowie Höhentauglichkeit zu erreichen, setzten die Entwickler neue Materialien ein, wie Aluminium 606 – T651. Auch das Salzbadlöten erlaubt eine leichte Bauweise und erzeugt eine komplett versiegelte Umgebung. Das Chassis verfügt über eine konduktionsgekühlte Stromversorgung nach VITA 62, optional gibt es auch andere AC- und DC-Eingänge. Durch ein spezielles Netzteil und die Verwendung von spezifischen Steckverbindern erfüllt das Gehäuse die EMV-Anforderungen, alle abnehmbaren Gehäuseteile sind mit einem 2K-Material IP- und EMV-dicht verschlossen.

Individuelle Lösung schnell entwickeln

Die Konstrukteure verwenden für die Backplane die Technologie der OpenVPX nach VITA65. Ihr Vorteil: Das Profil ist fast beliebig skalier- und konfigurierbar, zudem arbeitet es mit einer Datenübertragungsrate von bis zu 10 GBit/s. Das Standardmodell ist in 13 Grössen und Varianten erhältlich. Individuelle Lösungen für unterschiedliche Einsatzbereiche lassen sich auf Basis der zertifizierten Rugged-Plattformen ohne lange Entwicklungszeiten und kostspielige Zulassungsverfahren realisieren.

Infoservice


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ATR-Gehäuselösungen haben sich als Standard für elektronische Geräte in Flugzeugen etabliert


Das ATR-System bietet eine optimale Entwärmung, Schock- und Vibrationsschutz sowie Höhentauglichkeit


Thermische Simulation des ATR-Systems bei einer Verlustleistung von 135 W und einer Umgebungstemperatur von 50 °C