Optimising thermal management in UAVs and RAS
Los vehículos aéreos no tripulados (UAV, del inglés “Unmanned Aerial Vehicle”) y los sistemas autónomos y robóticos (RAS, del inglés “Robotics and Autonomous System”) contienen potentes sistemas electrónicos en espacios reducidos, y mantener fríos estos sistemas en entornos adversos es un desafío de ingeniería cada vez más importante.
Los UAV y los robots autónomos requieren procesadores, sensores y electrónica de potencia para funcionar de manera eficaz, pero incorporar toda esa potencia informática a drones o robots produce un calor intenso. Este sistema de alta densidad de componentes electrónicos significa que la gestión térmica es fundamental para la misión, ya que los vehículos se volverán inútiles si los componentes se sobrecalientan.
Los UAV también suelen aventurarse en entornos extremos, desde desiertos cálidos hasta entornos de aire frío a gran altitud, por lo que sus diseños térmicos deben adaptarse a ofrecer este rango. Según Matt Tarney, líder global de Crecimiento Vertical para el sector aeroespacial y de defensa en nVent SCHROFF: “Las altas temperaturas externas pueden contribuir aún más al calor interno, acelerar la degradación de la batería y causar fallas en los componentes, mientras que el frío extremo también puede reducir la eficiencia de la batería y el rendimiento de otros componentes mecánicos”.
La altitud es otro factor, ya que el aire a gran altura proporciona un enfriamiento menos convectivo, lo que hace que los sistemas electrónicos generen más calor mientras funcionan para un determinado nivel de potencia. En operaciones a gran altitud, la reducción de la densidad del aire genera una transferencia de calor menos eficiente, lo que produce temperaturas elevadas dentro del equipo. Los ingenieros deben abordar esto mediante la reducción de potencia de los componentes o la mejora de otros métodos de enfriamiento cuando los UAV vuelen a gran altura.
Más allá de la temperatura, los contaminantes suponen desafíos adicionales. El polvo, la arena y la humedad pueden infiltrarse en las vías de enfriamiento. Notas de Tarney: “La humedad y los residuos pueden dañar el sistema electrónico si el enfriamiento depende de recintos abiertos o ventilados a medida que aumenta el ingreso de polvo y humedad”. Esto significa que a menudo se necesitan gabinetes y filtros sellados para proteger los circuitos sensibles.
Diseño para la robustez: Especificaciones MIL y SWaP-C
La gestión térmica para UAV/RAS debe considerar los impactos, la vibración y otros factores de estrés ambientales comunes en aplicaciones militares o industriales.
“Los sistemas de administración térmica deben diseñarse de acuerdo con MIL-DTL-901E (que aborda la resistencia térmica y a los impactos) y MIL-STD-810F para la resistencia a las vibraciones”, explica Tarney. El cumplimiento de estas especificaciones MIL garantiza que los disipadores de calor, las placas frías y los gabinetes mantengan su eficacia ante sacudidas, fuerzas G y vibración constante.
“El tamaño, el peso, la potencia y el costo (SWaP-C) también deben considerarse en el diseño del producto, ya que las aplicaciones de UAV (del inglés “Unmanned Aerial Vehicles”, vehículos aéreos no tripulados) tendrán restricciones adicionales debido al diseño compacto del sistema y a la capacidad de carga”. Esto a menudo da como resultado que los diseñadores prefieran el enfriamiento pasivo, lo que agrega un peso mínimo y no requiere energía, y elijan cuidadosamente materiales que maximicen la transferencia de calor por unidad de masa. Las consideraciones de SWaP son un factor clave en la innovación de disipadores de calor de alta eficiencia, intercambiadores de calor ligeros y estructuras multifuncionales que reducen el peso.
La selección de materiales es una forma de cumplir con los estándares MIL y los objetivos de SWaP. Por ejemplo, el uso de revestimientos o aleaciones de alta conductividad térmica, como los revestimientos de película química en aluminio, puede mejorar la disipación de calor sin partes voluminosas. Se prefieren las soluciones pasivas, como la conducción al fuselaje o la radiación, por su simplicidad y su nulo consumo de energía. Las soluciones activas solo se utilizan cuando es necesario para dispositivos de alta temperatura.
Adaptación a las diferentes necesidades de enfriamiento
Las estrategias de enfriamiento deben adaptarse a las necesidades del componente. Los procesadores de alto rendimiento y los módulos informáticos de IA pueden consumir cientos de vatios, por lo que a menudo requieren técnicas de enfriamiento más activas, como enfriamiento forzado por aire o por líquido. Los ingenieros pueden utilizar disipadores de calor con ventiladores, tuberías de calor o bucles de enfriamiento por líquido en miniatura para extraer el calor del procesador central de los UAV con cargas computacionales pesadas.
Por el contrario, muchos sensores y módulos aviónicos generan menos calor, que el enfriamiento pasivo puede manejar, pero son más sensibles a las condiciones ambientales. Esto podría significar el montaje de sensores lejos de componentes electrónicos calientes con materiales de interfaz térmica para minimizar los cambios de temperatura o con el aislamiento térmico del sensor del resto del sistema. Los elementos de detección deben permanecer dentro de su rango de temperatura óptima para garantizar la precisión y la longevidad, incluso si esto significa darles su propia estrategia de enfriamiento dedicada independiente de los procesadores de alta potencia.
Una solución innovadora: El HTS Card-Lok
El Card-Lok (retenedor de cuña) es una abrazadera que fija una placa de circuito dentro de un chasis y facilita el flujo de calor hacia la pared lateral/pared fría del chasis. La serie HTS es un diseño de última generación que mantiene de manera segura la PCB en su lugar en entornos adversos, con fuertes sacudidas y altas vibraciones, a la vez que está diseñada para cumplir con los requisitos de SWaP-C.
Lo que diferencia al Card-Lok HTS es su perfil en forma serrada, lo que mejora el contacto térmico. Este perfil dentado proporciona una superficie continua y uniforme a lo largo de la PCB/del bastidor térmico y la pared fría, lo que permite que el calor fluya casi directamente desde la placa hacia la pared del chasis. Mediante la reducción de las brechas y la resistencia térmica, el HTS logra hasta un 15 % de rendimiento térmico mejorado en comparación con los retenedores de cuña tradicionales de tamaño similar.
Conclusión
Los ingenieros de gestión térmica enfrentan muchos desafíos. Deben disipar grandes cargas de calor en espacios reducidos, diseñar estructuras que resistan entornos extremos, cumplir con los estándares de resistencia y hacerlo todo bajo restricciones de tamaño, peso y potencia (SWaP-C).
Para tener éxito, se requiere un enfoque holístico que combine un diseño sólido, estrategias inteligentes de enfriamiento adaptadas a cada componente y medidas proactivas, como simulaciones y diseños optimizados. Mediante el enfoque en la eficiencia, los diseñadores pueden extender la duración de la misión y la longevidad del dispositivo.
Soluciones innovadoras, como el Card-Lok HTS, aceleran el rendimiento térmico en diseños que cumplen con los requisitos de SWaP. Equipados con estas prácticas recomendadas y tecnologías nuevas, los ingenieros están mejor equipados para superar los desafíos térmicos y mantener los sistemas no tripulados funcionando de manera confiable en cualquier entorno.