Air Transportation Rack High-Tech-Gehäuse unter extremen Bedingungen

Autor / Redakteur: Ahmet Tasseki und Maximilian Schober * / Kristin Rinortner

Die Elektronik in Luftfahrtanwendungen ist enormen Belastungen ausgesetzt. Gefordert sind nicht nur absolute Zuverlässigkeit, sondern auch wirtschaftlich realisierbare Gehäuse nach Norm.

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Luftfahrt: Rugged-Gehäuselösungen für die Luftfahrt werden in 16000 m Flughöhe, bei Geschwindigkeiten von über 800km/h und extremen Temperaturen hart auf die Probe gestellt.
Luftfahrt: Rugged-Gehäuselösungen für die Luftfahrt werden in 16000 m Flughöhe, bei Geschwindigkeiten von über 800km/h und extremen Temperaturen hart auf die Probe gestellt.
(Bild: david morrison @morrbyte - Fotolia.com)

Für elektronische Geräte an Bord von Flugzeugen hat sich ATR (Air Transportation Rack) als Standard etabliert. Bekannt unter der Bezeichnung ARINC 404, definiert er die Bauformen von Flugzeugausrüstungen.

So bieten ATR-Gehäuse zum Beispiel einheitliche Optionen zur Befestigung der Applikation sowie zur Integration von Hardware und Kühlung. Durch ihr modulares Design in den Basisformen ½, ¾, 1 und 1½ ATR lassen sie sich für vielfältige Anwendungen kosteneffizient konfigurieren.

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Je nach Einsatzort sind die Gehäuse rauen mechanischen, klimatischen, chemischen und elektrischen Bedingungen ausgesetzt. Sie müssen hohe dynamische Belastungen überstehen und Schock und Vibrationen bis 40 g verkraften. Extreme Temperaturen, große Höhen, Feuchtigkeit, Sand und Staub stellen eine zusätzliche Herausforderung dar.

Konduktion/Konvektion versus Zwangskühlung

Für den Einsatz eines ATR-Systems in der Luft- und Raumfahrt spielen Faktoren wie Einsatztemperaturbereich und Betriebstemperatur sowie maximale Systemleistung eine entscheidende Rolle. Sie bestimmen, welche Art von Kühlung zum Einsatz kommt.

Im Allgemeinen werden die ATR Chassis für Betriebstemperaturen im Bereich –55 bis 85°C konzipiert. Die Umgebungstemperatur liegt dabei um 50°C.

Sollen im System Leistungen bis zu 120 W umgesetzt werden, bietet sich der Einsatz eines rein passiv gekühlten Systems an. Für eine optimierte Wärmeableitung setzen Hersteller die Konduktionskühlung ein. Dabei werden alle Wärmequellen, die sogenannten Hot-Spots, mit der Verschalung kontaktiert. Die Wärme wird dadurch von den einzelnen Quellen, wie dem Hauptprozessor (CPU), zur Verschalung übertragen und über die Keilverschlüsse zum Gehäuse weitergeleitet.

So gelangt die Wärme zur Gehäuseoberfläche, die mit Kühlrippen versehen ist, und wird von dort nach außen geleitet. Das Gehäuse kann dabei komplett luftdicht (IP67 und höher) aufgebaut werden. Damit sind sowohl Systemboards als auch Netzteil und andere Systemkomponenten vor Umwelteinflüssen geschützt. Da der Einbau von rotierenden Bauteilen wie Lüftern bei dieser Kühlung entfällt, reduziert sich der Wartungsaufwand.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 7/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar. Oder: Bestellen sie das Probeabo mit drei kostenlosen Ausgaben!

Die Entwärmung von Systemen mit höherer Leistung wird in der Regel mit zusätzlicher Zwangskühlung realisiert. Bei dieser Variante werden die Kühlrippen, die in Belüftungsrichtung angeordnet sind, mit einer äußeren Platte abgedeckt. So entstehen zwischen den äußeren Platten und dem eigentlichen Gehäuse Belüftungskanäle. Die Belüftung wird meist an der Rückseite des ATR Chassis angebracht, die Luftzufuhr lässt sich entweder an der Frontseite oder an den Seiten unterbringen.

Die relativ kalte Luft wird an den Lufteinlässen angesaugt und durch die Belüftungskanale transportiert. Hierbei erfolgt die Entwärmung durch Konduktions- und Zwangskühlung. Diese Methode erfordert den Einsatz von höhentauglichen Lüftern, die unter den speziellen Druckverhältnissen die geforderte Leistung erbringen. Dabei muss die Belüftungsvorrichtung auf die herrschenden Betriebstemperaturen und die Luftfeuchtigkeit abgestimmt sein, um selbst bei hohem Druck einen gleichmäßigen Luftdurchfluss zu garantieren.

Schutz vor Staub

Für Anwendungen in Flugzeugen, die in trockenen und staubigen Regionen verkehren, ist zudem ein abwaschbarer und elektrostatischer Hochleistungsluftfilter sinnvoll, der Staub und Verunreinigungen abhält. Hermetisch versiegelte Thermostate und Fan-Fail-Funktionen, die frühzeitig vor Überlastung warnen, steigern zusätzlich die Zuverlässigkeit des Wärmemanagements – und damit des Systems.

Die Konduktionskühlung findet sich in den sogenannten „Ruggedized“-Gehäusen wieder. Der Leiter aus Aluminium bildet eine stabile mechanische Verstärkung, an die sich das Board an mehreren Punkten befestigen lässt. Doppelte Wände sowie Modulschienen, Abdeckungen, Schrauben und anderes Befestigungsmaterial garantieren eine stoßfeste Konstruktion. Um das Gewicht dabei möglichst gering zu halten, bestehen die ATR-Gehäuse meist aus Aluminium.

Elektromagnetische Strahlung

Aluminiumkonstruktionen haben einen weiteren Vorteil: Sie bieten einen inhärenten Schutz vor elektromagnetischen Strahlen und erlauben ein freies Erdungskonzept über die leitende Oberfläche. Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) spielt eine wichtige Rolle für die Systemintegrität in Flugzeugen und muss von Komponentenebene an (Boards, Netzteile, Netzfilter, Ventilatoren) in das Design der Gehäuse mit einfließen.

Für eine hohe EMV sollte das System hermetisch aufgebaut sein, beispielsweise durch das Tauchlötverfahren. Abnehmbare Teile bedürfen einer EMV/IP-Kombi-Dichtung, so dass sowohl die Einstrahlung von Fremdsystemen als auch die Ausstrahlung von Störsignalen verhindert wird.

Im System selbst lassen sich Störeinflüsse der Steckkarten untereinander vermeiden, indem Signalbereich und Powerbereich soweit möglich mechanisch getrennt werden. Der Gehäusespezialist aus Straubenhardt versieht sein Rugged MIL ½ Short ATR Chassis darüber hinaus mit Einsteckkarten, die komplett von einem Metallrahmen, bzw. zwei Metall-Halbschalen umhüllt sind (Clamshell) und auf die Karte geschraubt werden. So ist neben dem EMV-Schutz auch eine optimale Kühlung sichergestellt.

Da die Karten mit Aushebegriffen in der Kartenführung fixiert sind, sind diese einfach zu handeln. Keilverschlüsse (wedge locks) sorgen nicht nur für zusätzliche Stabilität gegen Schock und Vibration und bieten Schutz vor elektrostatischer Entladung (ESD), sie stellen auch den thermischen Kontakt zwischen Karte und Gehäusewand her, so dass die Wärme nach außen abgeführt wird.

Stabilität bei Schock und Vibration

Grundsätzlich müssen Gehäusesysteme für die Luftfahrt so konstruiert sein, dass sie beiden Vibrationstypen standhalten: Schock und Vibration. Diese haben unterschiedliche Auswirkungen auf die Komponenten. Da Schock ein Einzelimpuls-Vorgang mit bestimmter Belastung ist, entstehen bei Industriesystemen Werte von 5 bis 10 G, bei MIL- oder Naval-Systemen hingegen bis zu 100 G.

Die Folge: Verbindungen von Karten und Steckern können stark beansprucht und Kontaktflächen beschädigt werden. Um dem entgegen zu wirken, sind gerade bei solchen Anwendungen die Art der Konstruktion, die Auswahl von Material und Komponenten sowie die Applikation und die Montageart des Systems am Einsatzort extrem wichtige Kriterien für das Gehäusedesign.

Vibration hingegen definiert sich als kontinuierliche Dauer-Sinuswelle mit schwankender Belastung entlang einer oder mehrerer Achsen, wie sie z.B. bei einem Hubschrauber vorkommt oder auch zufällig in Bodenfahrzeugen auftritt. Dadurch können die verwendeten Komponenten oder Materialien in Resonanz treten, Bauteile können brechen oder mechanisch beschädigt werden, Schrauben können sich mit der Zeit lockern und lösen.

Stabilität bei Schock und Vibration

Um das System vor den Folgen von Schock und Vibration zu schützen, benötigt es besonderer Vorkehrungen. So wurden bei der Konstruktion des ATR Chassis die Einzelteile im Tauchlötverfahren miteinander verbunden. Das gewährleistet eine sehr gute Festigkeit, vermeidet Schraubverbindungen und verbessert gleichzeitig die Wärmeübertragungseigenschaften.

Die VPX-Backplanes mit Fangstiften sorgen für eine zusätzliche Stabilisierung der Einsteckkarten, über die Fangstifte lassen sich die Steckplätze codieren. Kritische Bauteile sichert man zudem durch Verkleben und verwendet beim Einbau von Baugruppen oder Unterbaugruppen in das Gehäuse ein „frei schwimmendes“ Montagekonzept.

Eine weitere Möglichkeit zur Dämpfung von Schock und Vibrationen sind passive Isolatoren. Sie bestehen aus einer Feder zur Aufnahme der Erschütterung und einem Dämpfer zur Absorption der Belastung, teils bis zu 80% der Eingangsbelastung. Als Feder kann entweder eine Drahtseilfeder aus geflochtenem Edelstahl genutzt werden, die hohen Schock- und Vibrationsbelastungen standhält, oder ein Luftfedersystem, das zu Applikationen mit niederfrequentierter Belastung passt.

High-Tech Produkt nach Norm

Alle Anforderungen in Sachen Robustheit, Kühlung, Gewicht und EMV/ESD Schutz erfüllt das Rugged MIL ½ Short ATR Chassis. Es entspricht dem Standard ARINC 404A und ist nach strengsten Spezifikationen aus der Sicherheits- und Verteidigungstechnik konzipiert. Unter anderem wurde es durch Tests nach MIL-STD-810G qualifiziert, der die Zuverlässigkeit von Geräten unter extremen Temperaturen, hohem Luftdruck und Beschleunigungskräften sowie bei Sonneneinstrahlung, Feuchtigkeit und Vibrationen prüft.

Zudem entspricht das ATR-Chassis den Normen für elektrische Versorgungsysteme in Flugzeugen (zum Beispiel Maximalstrom, Spannung, Frequenz) nach MIL-STD-704 sowie der EMV nach MIL-STD-461. Damit eignet es sich für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, wie Airborne Fighters oder Helikoptern, außerdem für Shipboards in der Marine und für Landfahrzeuge im Bereich Transportation.

Bei der Entwicklung und Fertigung der Mechanik setzten die Entwickler neue Materialien ein, z.B. Aluminium 606 – T651 und andere zertifizierte Werkstoffe. Sie ermöglichen die Leichtbauweise, eine optimale Entwärmung, Schock- und Vibrationsschutz sowie Höhentauglichkeit. Das Salzbadlöten erlaubt eine leichte Bauweise, wie sie für den Einsatz in Luftfahrzeugen entscheidend ist. Zudem entsteht eine komplett versiegelte Umgebung, die das passive „conductive cooling“ unterstützt. Einsteckkarten und Netzteile sind speziell für die Konduktionskühlung entwickelt.

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Flexibles Profil dank OpenVPX-Technologie

Das Chassis verfügt über eine konduktionsgekühlte Stromversorgung nach VITA 62. Optional sind auch andere AC- und DC-Eingänge möglich. Durch den Einsatz eines speziellen Netzteils 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. Auch die Oberflächenbehandlung führt das Unternehmen aus Straubenhard selbst aus.

Für die Backplane verwendete man erstmals die Technologie der OpenVPX nach VITA65. Der Vorteil: Das Profil ist fast beliebig skalier- und konfigurierbar und bietet eine flexible Basis, auf das spezifische Technologien in unterschiedlichen Normen aufsetzen können. Es arbeitet mit einer Datenübertragungsrate von bis zu 10 GBit/s, wobei fünf 3U Slots im ATR zur Verfügung stehen. Zusätzlich zur VPX-Backplane lässt sich das System mit CPCI-, VME- und VMEX-Backplanes sowie Netzteilen und I/O-Verbindungskarten konfigurieren.

Vielseitiges Standardmodell

Das Standardmodell ist in 13 Größen und Varianten erhältlich, die allen relevanten Normen und Standards entsprechen. Auf Basis dieser zertifizierten Rugged-Plattformen lassen sich weitere spezifische Anpassungen vornehmen, sowohl in der Größe als auch in der Funktion, Ausstattung und Leistung. Individuelle Lösungen lassen sich ohne lange Entwicklungszeiten und kostspielige Zulassungsverfahren für die unterschiedlichsten Einsatzbereiche konfigurieren und realisieren. Dadurch haben Anwender die Möglichkeit, schnell auf neue Herausforderungen im Markt zu reagieren und auch zukünftige Anforderungen an Rugged-Gehäuselösungen für die Luftfahrt zu erfüllen.´

* Ahmet Tasseki arbeitet als Projektmanager bei der Polyrack Tech Group in Straubenhardt.

* Maximilian Schober ist Leiter Marketing bei der Polyrack Tech Group in Straubenhardt.

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