Optimising thermal management in UAVs and RAS
Les véhicules aériens sans pilote (UAV) ainsi que les systèmes robotiques et autonomes (RAS) intègrent des composants électroniques puissants dans des espaces très restreints. Assurer leur refroidissement dans des environnements difficiles représente un défi d’ingénierie de plus en plus important.
Les UAV et les robots autonomes nécessitent des processeurs, des capteurs et des composants électroniques de puissance pour fonctionner efficacement, mais toute cette puissance de calcul intégrée dans les drones ou les robots génère une chaleur intense. Cette concentration élevée de composants électroniques signifie que la gestion thermique est essentielle, car les véhicules deviendraient inutilisables en cas de surchauffe des composants.
Les UAV se déplacent également dans des environnements extrêmes, allant des déserts aux altitudes élevées; ils doivent donc être conçus pour supporter ces conditions. Selon Matt Tarney, directeur mondial de la croissance verticale pour l’aérospatiale et la défense chez nVent SCHROFF : « Les températures extérieures élevées peuvent aggraver la chaleur interne, ce qui accélère la dégradation des batteries et cause des défaillances des composants, tandis que le froid extrême peut également réduire l’efficacité des batteries et les performances d’autres composants mécaniques. »
L’altitude est un autre facteur à prendre en compte, car l’air à une altitude élevée fournit un refroidissement par convection moindre, ce qui fait que les composants électroniques chauffent davantage pour un niveau de puissance donné. Lors des opérations à haute altitude, la réduction de la densité de l’air entraîne un transfert de chaleur moins efficace, ce qui se traduit par une élévation de la température à l’intérieur des équipements. Les ingénieurs doivent en tenir compte en déclassant les composants ou en améliorant d’autres méthodes de refroidissement lorsque les UAV volent à haute altitude.
Au-delà de la température, les contaminants posent des défis supplémentaires. La poussière, le sable et l’humidité peuvent s’infiltrer dans les circuits de refroidissement. Matt Tarney souligne : « L’humidité et les débris peuvent endommager les composants électroniques si le refroidissement s’appuie sur des boîtiers ouverts ou ventilés, car cela favorise la pénétration de poussière et d’humidité. » Cela signifie que des boîtiers étanches et des filtres sont souvent nécessaires pour protéger les circuits sensibles.
Conception robuste : Spécifications MIL et SWaP-C
La gestion thermique des UAV/RAS doit tenir compte des chocs, des vibrations et d’autres contraintes environnementales courantes dans les applications militaires ou industrielles.
« Les systèmes de gestion thermique doivent être conçus conformément à la norme MIL-DTL-901E (qui concerne la résistance aux chocs et la robustesse thermique) et à la norme MIL-STD-810F pour la résistance aux vibrations », explique Matt Tarney. La conformité avec ces spécifications MIL garantit que les dissipateurs thermiques, les plaques froides et les boîtiers restent efficaces face aux secousses, aux forces G et aux vibrations constantes.
« La taille, le poids, la puissance et le coût (SWaP-C) doivent également être pris en compte dans la conception du produit, car les applications UAV auront des contraintes supplémentaires en raison de la configuration compacte du système et de sa capacité de charge. » Cela conduit souvent les concepteurs à privilégier le refroidissement passif, qui ajoute un poids minimal et ne nécessite aucune puissance, et à choisir soigneusement les matériaux qui maximisent le transfert de chaleur par unité de masse. Les considérations SWaP sont une force motrice de l’innovation en matière de dissipateurs thermiques à haut rendement, d’échangeurs de chaleur légers et de structures multifonctions qui réduisent le poids.
La sélection des matériaux est une façon de répondre à la fois aux normes MIL et aux objectifs SWaP. Par exemple, l’utilisation de revêtements ou d’alliages à haute conductivité thermique, tels que les revêtements à pellicule chimique sur l’aluminium, peut améliorer la dissipation de la chaleur sans recourir à des pièces encombrantes. Les solutions passives, telles que la conduction vers la cellule ou le rayonnement, sont préférables pour leur simplicité et leur consommation d’énergie nulle. Les solutions actives ne sont utilisées que lorsque cela est nécessaire pour les appareils à chaleur élevée.
S’adapter aux différents besoins en matière de refroidissement
Les stratégies de refroidissement doivent être adaptées aux besoins du composant. Les processeurs haute performance et les modules de calcul IA peuvent consommer des centaines de watts, ce qui signifie qu’ils nécessitent souvent des techniques de refroidissement plus actives, comme le refroidissement par air forcé ou par liquide. Les ingénieurs peuvent utiliser des dissipateurs thermiques équipés de ventilateurs, des caloducs ou des boucles de refroidissement liquide miniatures pour éloigner la chaleur du processeur central d’un UAV soumis à de lourdes charges de calcul.
En revanche, de nombreux capteurs et modules d’avionique génèrent moins de chaleur, ce qui peut être géré par le refroidissement passif, mais ils sont plus sensibles aux conditions environnementales. Cela peut impliquer de monter les capteurs à l’écart des composants électroniques chauds, d’utiliser des matériaux d’interface thermique pour minimiser les variations de température ou d’isoler thermiquement le capteur du reste du système. Les éléments de détection doivent rester dans leur plage de température optimale pour une précision et une longévité accrues, ce qui peut nécessiter une stratégie de refroidissement dédiée, indépendante de celle des processeurs à haute puissance.
Des solutions innovantes : Le Card-Lok à performances thermiques élevées (HTS)
Le Card-Lok (verrou à coin) est une pince qui maintient une carte de circuit imprimé à l’intérieur d’un châssis et facilite la dissipation de la chaleur vers la paroi latérale du châssis (paroi froide). La série HTS est une conception de nouvelle génération qui maintient fermement la carte de circuit imprimé en place dans des environnements difficiles, soumis à de fortes secousses et à des vibrations intenses, tout en étant conçue pour répondre aux exigences SWaP-C.
Ce qui distingue le Card-Lok HTS, c’est son profil en dents de scie qui améliore le contact thermique. Ce profil dentelé offre une surface continue et uniforme le long du circuit imprimé/cadre thermique et de la paroi froide, permettant à la chaleur de s’échapper presque directement de la carte vers la paroi du châssis. En réduisant les interstices et la résistance thermique, le HTS offre une performance thermique améliorée jusqu’à 15 % par rapport aux verrous à coin traditionnels de taille similaire.
Conclusion
Les ingénieurs en gestion thermique sont confrontés à de nombreux défis. Ils doivent dissiper de grandes charges thermiques dans des espaces confinés, résister à des environnements extrêmes, respecter les normes de robustesse et tout cela dans le cadre de contraintes SWaP-C très strictes.
Le succès repose sur une approche holistique, combinant une conception robuste, des stratégies de refroidissement intelligentes adaptées à chaque composant et des mesures proactives telles que des simulations et des dispositions optimisées. En mettant l’accent sur l’efficacité, les concepteurs peuvent prolonger la durée des missions et la longévité des appareils.
Des solutions novatrices telles que le Card-Lok HTS accélèrent les performances thermiques dans le cadre de conceptions respectueuses des contraintes SWaP. Grâce à ces pratiques exemplaires et à ces nouvelles technologies, les ingénieurs sont mieux équipés pour surmonter les défis thermiques et maintenir le fonctionnement fiable des systèmes sans pilote dans n’importe quel environnement.