海军电子器件面临着严苛的应用挑战

船载设备标准

美国国防部 (DoD) 针对军事应用中部署的设备制定和实施了一套全面的标准体系。设计工程师通过选择符合这些标准的设备，确保商用现成品 (COTS) 解决方案能够满足保护关键系统的最低要求。其中几项标准直接针对船载电子应用方面的挑战，在为海军舰艇设计机壳时常常需要参考这些标准：

• MIL-DTL-901E: 该标准取代了 MIL-S-901D，后者是美国国防部自 1989 年至 2017 年采用的机械冲击试验标准。新的 901E 标准规定了高冲击试验的测试标准，以确保机壳能够承受海军作业和作战的严苛环境，在需要可靠性的重要时刻为任务关键型设备提供保护。901E 还有一项重要补充：除了 901D 中规定的机械冲击和撞击以及现场指令驳船试验之外，还包括了一项新的“甲板模拟冲击试验”。
• MIL-STD-167-1A：船载设备的机械振动试验可确保机壳及其内部电子器件在经受海上常见来源的振动时能够可靠运行，包括各种频率的发动机振动。
• MIL-STD-461G：电磁兼容性 (EMC) 试验可确保机柜针对外部电磁干扰 (EMI) 提供有效防护，并有效控制机柜内部产生的辐射。辐射和谱线发射可能会传输可被对手截获和利用的数据，这使得敏感通信设备亟需有效的电气屏蔽。某些应用场景需要高于 MIL-STD-461G 标准的保护等级，最高可达到 TEMPEST 级别的信号保护（美国政府关于保护数据以防通过截获电磁辐射实施数据盗窃的规范）。

MIL-STD-810E：盐雾试验可确保长时间海上部署期间，机柜内的设备受到保护，不会因暴露在含盐空气中而受到潜在有害腐蚀。虽然位于上层甲板的机柜最常暴露于海面飞沫和雨中，设备必须恰当地安置在防风雨机柜中，但甲板下方的电子器件也可能因接触大气中的盐分而受到影响。通过指定受测甲板下方的机柜是否达到 810E 盐雾要求，可以确保关键电子器件不会接触到船舶环境空气中的盐分。

除了上述标准外，美国国防部还发布了数十项针对船舶应用特定环境条件的标准。由于每个应用场景各不相同，因此必须符合整套标准，以满足所指定安装的独特要求。

每个应用场景都有其独特性。

标准试验让您充分相信，在设计电子器件机柜时已经考虑到了常见危险。但是，几乎没有完全相同的船载应用场景，而这些标准也不能解决船舶可能会遇到的每一种情形。除了指定满足上述试验要求的机柜外，设计工程师还可以从模块化、可扩展和可定制的解决方案中受益，但必须基于一个通用的平台架构。这样既可确保 COTS 组件随时可用，同时仍允许对机柜进行改动以满足特定的应用需求。常见的电子器件机柜改动包括：

• 定制减振和隔离装置
• 改动 I/O 和电缆引入面板
• 主动和被动冷却解决方案
• 强化配电布局
• 物理和电子访问控制系统
• 针对敏感通信的 TEMPEST 认证
• EMC 屏蔽
• 灭火系统
• 电缆管理和整理

在这些独特的应用需求中，许多都要求进行专业工程设计，以确保电子器件在恶劣条件下保持可靠性。应该对安装在隔振器上的所有机壳执行有限元分析，以确保在承受应力时发挥可靠性能并保持适当公差。

随着在空间有限的应用场景中部署更多算力，为确保电子器件得到适当冷却，高级热建模变得越来越有必要。即使是简单的考虑因素（例如电缆在机壳内的弯曲半径间隙），如果在设计过程中被忽略，也可能会导致严重的安装问题。

每个应用场景都有其独特性，从易于改动的 COTS 机壳平台着手可以减少重新设计时间并提高供应链韧性，同时让用户确信电子器件可随时应对船舶在海上遇到的任何环境。

安装强大的热管理系统

除了 MIL 标准所述的物理和环境要求外，现代电子器件机柜还需要强大的热管理系统。在国防设施中部署先进的视觉和瞄准系统、自主平台、人工智能 (AI) 和高级电子战 (EW) 系统时，需要具备高速、高可用性的计算硬件。这会产生极高热量，过去通常要达到较高部署密度时才会如此。

传统的冷却方法（如对流和强制风冷）往往不足以应对更高的热负载。设计人员越来越需要依靠整套冷却系统（从对流到液冷）来成功运行现代海军电子器件：

• 对流：适合冷却最高为 800 W 的单个机架，取决于环境空气温度。需要百叶窗或打孔，以允许气流进出机柜。必须将热空气从机房中排出，或使其主动冷却。最适合与机房空调配合使用，以冷却环境空气并监测环境条件。
• 强制风冷：适合冷却最高为 2,000 W 的单个机架，取决于环境空气温度。需要百叶窗或打孔，以允许气流进出机柜。必须将热空气从机房中排出，或使其主动冷却。最适合与机房空调配合使用，以冷却环境空气并监测环境条件。
• 空调：适合冷却最高为 2,600 W 的单个机架。最适合环境空气未主动冷却或温度有波动的应用场景。来自空调的热空气必须从机房/机架中排出。
• 液冷：适合冷却最高为 45,000 W (45 kW) 的单个机架。液冷技术支持超高的单机架计算密度，同时优化机房空间并减少船载机架数量。不需要冷却环境空气，系统可在密封机柜内闭环运行。船舶需要提供冷却水，在空气-水热交换器中用作冷却液。

质量与合规性

最后一个考虑因素是确保符合 DFARS 采购要求和项目下游流程要求；DFARS（国防联邦采购条例补充）合规性是一套网络安全法规，国防承包商和供应商必须遵守这些法规才能获得国防部新的合同。在为海军电子基础设施选择供应商合作伙伴时，至关重要的是确保满足所有相关质量和采购要求。在海军电子器件市场中，供应商通常考虑以下因素：

• 符合 DFARS 材料可追溯性要求
• 国际武器贸易管制 (ITAR) 认证
• ISO 和 AS9100 质量认证
• 完善的防伪部件预防计划
• 首件检验程序
• 生命周期管理计划，确保在其整个生命周期内提供指定设备并予以支持

展望未来

只有确保船载电子系统的可靠性和可用性，海军才能随时整装待发。虽然每个应用场景都有其独特性，但设计工程师可以通过为海军舰艇指定合适的电子器件机壳，以多种方式解决常见的机械、电气/电磁和环境挑战。确保设备机架符合相关的军事和政府规范、经过物理和热性能分析、按照应用场景的独特要求进行定制，并从那些采取了强大质量控制措施且具有军用电子方案经验的供应商处采购，所有这些旨在让您相信一点：自己的关键任务型电子设备可以承受最严苛的海军应用环境。