Optimising thermal management in UAVs and RAS
Les véhicules aériens sans pilote (UAV - Unmanned Aerial Vehicles) ainsi que les systèmes robotiques et autonomes (RAS - Robotics and Autonomous Systems) regorgent de puissants composants électroniques dans des formats compacts. Le refroidissement de ces systèmes dans des environnements difficiles est un défi technique de plus en plus critique.
Les UAV et les robots autonomes nécessitent des processeurs, des capteurs et des composants électroniques haute puissance pour fonctionner efficacement. Mais toute cette puissance de calcul concentrée dans les drones ou les robots génère une chaleur intense. La forte densité des composants électroniques rend la gestion thermique particulièrement critique, car en cas de surchauffe des composants, les véhicules deviennent inutilisables.
Des déserts brûlants aux hautes altitudes glaciales, les UAV opèrent souvent dans des environnements extrêmes qui nécessitent des conceptions thermiques adaptées. D'après Matt Tarney, Global Vertical Growth Leader for aerospace & defense chez nVent SCHROFF, « Les températures externes élevées entraînent une augmentation de la chaleur interne, ce qui accélère la dégradation de la batterie et provoque des défaillances de composants, tandis que le froid extrême contribue à réduire l'efficacité de la batterie et les performances d'autres composants mécaniques. »
L'altitude est un autre facteur. En effet, à haute altitude, le refroidissement par convection est moins efficace, ce qui entraîne une surchauffe des composants électroniques à un niveau de puissance donné. Lors des opérations qui se déroulent à haute altitude, la réduction de la densité de l'air limite l'efficacité du transfert de chaleur, entraînant une surchauffe des équipements internes. Les ingénieurs doivent tenir compte de ce phénomène en limitant la puissance des composants ou en ayant recours à d'autres méthodes de refroidissement pour les UAV volant à haute altitude.
Au-delà de la température, les contaminants posent également des défis supplémentaires. La poussière, le sable et l'humidité peuvent s'infiltrer dans les circuits de refroidissement. Comme le précise Matt Tarney : « Dans les cas où le refroidissement repose sur des armoires ouvertes ou ventilées, l'humidité et les débris peuvent endommager les composants électroniques à mesure que les infiltrations de poussière et d'humidité augmentent. » Ainsi, il est bien souvent préférable d'utiliser des armoires et des filtres étanches afin de protéger les circuits sensibles.
Conceptions robustes : spécifications MIL et SWaP-C
Les solutions de gestion thermique destinées aux UAV et aux RAS doivent tenir compte des chocs, des vibrations et autres contraintes environnementales courantes dans les applications militaires ou industrielles.
« Les systèmes de gestion thermique doivent être conçus conformément aux spécifications MIL-DTL-901E (pour la résistance aux chocs et la résistance thermique) et MIL-STD-810F pour la résistance aux vibrations », explique Matt Tarney. La conformité à ces spécifications MIL garantit que les dissipateurs thermiques, les plaques froides et les armoires conservent leur efficacité même lorsqu'ils sont soumis à des secousses, à des forces d'accélération et à des vibrations constantes.
« La taille, le poids, la puissance et le coût (SWaP-C) doivent également être pris en considération lors de la conception du produit, les applications impliquant des UAV étant soumises à des contraintes supplémentaires en raison de la conception compacte et de la capacité de charge du système. » Cela explique pourquoi les concepteurs privilégient le plus souvent le refroidissement passif, qui n'ajoute qu'un poids limité et ne requiert aucune alimentation, et optent pour des matériaux qui optimisent le transfert de chaleur par unité de masse. Les exigences en matière de taille, de poids et de puissance stimulent les innovations dans le domaine des dissipateurs thermiques haute efficacité, des échangeurs thermiques légers et des structures multifonctions conçues pour alléger les systèmes.
Le respect des spécifications MIL et des exigences SWaP passe également par la sélection des matériaux. Ainsi, l'emploi de revêtements ou d'alliages affichant une conductivité thermique élevée (ex. : films chimiques appliqués sur de l'aluminium) permet d'améliorer la dissipation thermique sans avoir à intégrer des éléments encombrants. Les solutions passives, telles que la conduction vers le fuselage ou le rayonnement, sont privilégiées pour leur simplicité et leur consommation d'énergie nulle. Les solutions actives ne sont utilisées que lorsque cela s'avère vraiment nécessaire, sur les dispositifs haute température.
Adaptation en fonction des besoins de refroidissement
Les stratégies de refroidissement doivent être adaptées aux besoins du dispositif. Les modules d'IA et les processeurs hautes performances peuvent consommer des centaines de watts, et nécessitent donc souvent des techniques de refroidissement plus actives, telles que le refroidissement liquide ou par air forcé. Les ingénieurs peuvent avoir recours à des dissipateurs thermiques associés à des ventilateurs, des caloducs ou des boucles de refroidissement liquide miniatures pour évacuer la chaleur du processeur central d'un UAV soumis à des charges de calcul élevées.
Bon nombre de capteurs et de modules avioniques, quant à eux, génèrent moins de chaleur et sont compatibles avec un refroidissement passif. Cependant, ils sont plus sensibles aux conditions environnementales. Il peut donc s'avérer nécessaire d'installer les capteurs à l'écart des composants électroniques générant de la chaleur, d'utiliser des matériaux assurant une interface thermique afin de minimiser les variations de température, ou de prévoir l'isolation thermique de ces capteurs. Pour une précision et une longévité optimales, les éléments de détection doivent conserver leur plage de température nominale, même si cela nécessite de prévoir pour ces composants une stratégie de refroidissement distincte de celle des processeurs haute puissance.
Solutions innovantes : Card-Lok HTS
Le Card-Lok (Wedge-Lok) est un système de fixation qui permet de maintenir une carte de circuit imprimé à l'intérieur d'un châssis tout en facilitant la circulation de la chaleur vers les parois latérales du châssis/parois froides. La série HTS est une conception de nouvelle génération, conforme aux exigences SWaP-C, qui maintient fermement la carte de circuit imprimé en place dans des environnements difficiles soumis à des chocs importants et à des vibrations élevées.
La particularité du Card-Lok HTS réside dans son profil en dents de scie qui améliore le contact thermique : le profil dentelé fournit une surface continue et uniforme entre la carte de circuit imprimé/cadre thermique et de la paroi froide, permettant ainsi à la chaleur de s'évacuer presque directement vers les parois du châssis. En réduisant les écarts et la résistance thermique, le système HTS permet d'obtenir des performances thermiques jusqu'à 15 % supérieures à celles des systèmes Wedge-Lok classiques de taille similaire.
Conclusion
Les ingénieurs spécialisés dans la gestion thermique doivent faire face à de nombreux défis, qui consistent notamment à dissiper des charges thermiques élevées dans des espaces restreints, à adapter les solutions à des environnements extrêmes, à respecter des normes de robustesse, le tout en respectant des contraintes SWaP-C.
Pour y parvenir, il est primordial d'adopter une approche globale alliant une conception robuste, des stratégies de refroidissement intelligentes adaptées à chaque composant et des mesures proactives telles que des simulations et des configurations optimisées. En mettant l'accent sur l'efficacité, les concepteurs peuvent prolonger la durée de vie des dispositifs et, par là même, la durée des missions.
Des solutions innovantes telles que le système Card-Lok HTS permettent d'accélérer les performances thermiques tout en respectant les exigences SWaP. Toutes ces bonnes pratiques et ces nouvelles technologies fournissent aux ingénieurs l'ensemble des outils nécessaires pour relever les défis thermiques et assurer le fonctionnement fiable des systèmes sans pilote dans n'importe quel environnement.