Répondre aux besoins énergétiques des munitions intelligentes
Christian Jonglas, responsable du support client chez Gaia Converter, souligne l'importance d'une alimentation électrique fiable pour les composants électroniques dans la conception des munitions intelligentes, en tenant compte de facteurs tels que la puissance d'entrée, les exigences thermiques, la taille et la certification.
La technologie de l'armement a connu une évolution spectaculaire ces dernières années avec le développement de munitions intelligentes. Tirant parti des progrès de l'informatique à haute fiabilité, des capteurs avancés et des systèmes de guidage, ces munitions intelligentes peuvent localiser, identifier et attaquer des cibles sur de longues distances. Ce faisant, il a été démontré qu'elles ont un taux de réussite plus élevé et moins de dommages collatéraux que les armes traditionnelles.
La fiabilité des munitions intelligentes repose en grande partie sur les sous-systèmes de distribution d'énergie qui prennent en charge les dispositifs avancés de calcul, de détection et d'actionnement nécessaires à l'accomplissement d'une mission. Ces systèmes d'alimentation doivent être compacts et capables de supporter des conditions environnementales extrêmes, telles que les chocs, les vibrations et les températures transitoires élevées. Ce faisant, ils veillent à ce que les rails d'alimentation fournis à chaque unité de commande électronique restent stables.
Le développement des munitions intelligentes a commencé avec la série Paveway de bombes guidées par laser, testée au combat par l'armée de l'air américaine à la fin des années 1960. Bien que le tir des bombes et des missiles reste une décision humaine, les munitions intelligentes ont acquis des capacités plus autonomes, comme le guidage infrarouge ou radar, où l'arme suit la signature thermique ou la trajectoire d'une cible désignée. Dans le cas des obus d'artillerie, le guidage inertiel est un élément courant. L'obus se dirige lui-même afin de suivre une trajectoire préprogrammée en utilisant des données provenant de gyroscopes et d'accéléromètres internes.
Pour les situations à plus longue portée, les obus d'artillerie guidés avec précision utilisent les signaux du système de positionnement global (GPS) pour les guider vers les cibles, ce qui augmente la probabilité d'une frappe réussie et réduit le risque de toucher des passants ou des forces amies. Les préoccupations concernant les dommages collatéraux contribuent à stimuler l'intérêt pour l'utilisation de munitions intelligentes. Les applications défensives gagnent également du terrain. Dans les conflits récents, les missiles sol-air intelligents sont devenus essentiels à la protection des civils, avec une variété de techniques allant du guidage laser à l'automatisation complète pour frapper les cibles entrantes. Dans beaucoup de ces munitions intelligentes, l'électronique compacte est cruciale. Le système complet peut devoir s'adapter à des missiles de 55 ou 155 mm de diamètre ou à des missiles compatibles avec des lanceurs MANPAD (man-portable air-defence).
Les munitions intelligentes utilisées pour l'artillerie nécessitent plusieurs éléments électroniques supplémentaires par rapport aux obus conventionnels. Bien que les obus muets et intelligents contiennent tous deux une fusée, la forme intelligente comprendra un système de fusée plus complexe qui s'appuie sur des relevés de capteurs et des décisions prises par un microcontrôleur avant de faire exploser la charge utile. Les capteurs comprennent une unité de mesure inertielle, composée d'accéléromètres et d'un gyroscope, qui détermine l'orientation et la vitesse de l'obus à chaque instant, depuis le lancement jusqu'à l'impact. Un récepteur GPS vient souvent s'y ajouter pour aider à déterminer l'emplacement précis de l'engin. Un émetteur-récepteur de radiofréquences (RF) peut permettre de commander l'engin à distance à partir d'une unité de commandement ou de relayer des données à d'autres ressources du champ de bataille.
Les capteurs RF et d'évaluation de la position, ainsi que d'autres capteurs, mesurent la température, l'humidité et la pression qui sont utilisées pour aider à compenser les changements environnementaux pendant le transport et après la mise à feu, et transmettent les données à une unité centrale de calcul. Ce processeur exécutera des algorithmes de guidage et enverra des commandes aux actionneurs utilisés pour contrôler la trajectoire. Par exemple, des moteurs pas à pas peuvent modifier la position des ailettes externes pour faire devier la munition et contrôler sa vitesse d'air. Une source d'énergie embarquée alimentera un ou plusieurs convertisseurs DC/DC. Les capteurs et autres composants nécessitant des rails d'alimentation stables, la puissance fournie doit être constante et se situer dans des limites de tolérance étroites.
L'énergie peut provenir de diverses sources. Les piles au lithium sont couramment utilisées dans les petites munitions guidées en raison de leur densité énergétique élevée. De même, les générateurs embarqués basés sur de petits moteurs à combustion interne ou des microturbines peuvent offrir une production d'énergie soutenue, bien qu'ils puissent avoir des temps de démarrage longs, ce qui nécessite une source d'énergie secondaire pour les fonctions transitoires. Les supercondensateurs, en revanche, fournissent rapidement de l'énergie pour des fonctions telles que la direction ou la détonation et sont particulièrement utiles pour les engagements de courte durée. Dans un nombre croissant de situations où les munitions sont programmées pour flâner pendant de longues périodes avant le lancement ou la détonation, la collecte d'énergie ambiante à partir de la lumière, des vibrations ou du mouvement de l'air peut fournir des niveaux d'énergie faibles mais à long terme. En raison de la nature complémentaire de ces sources d'énergie, la conception d'une munition intelligente peut comporter plus d'un sous-système de production d'énergie.
La tension de sortie des piles, par exemple, peut diminuer rapidement lorsqu'elles atteignent la fin de leur cycle de décharge, ce qui tend à se produire à proximité du point de détonation final. Les systèmes d'énergie de secours utilisés pour compléter la source principale si elle s'épuise, mais qui peuvent mettre du temps à atteindre leur pleine puissance de sortie, peuvent entraîner une variation rapide de la tension d'entrée. Un convertisseur DC/DC conçu pour les munitions intelligentes peut garantir que les sous-systèmes électroniques reçoivent une alimentation constante, même lorsqu'ils passent d'une source à l'autre, et ce même pendant les périodes de fortes contraintes et de variations importantes de la tension générée par la source d'énergie. Une large plage de tension d'entrée garantit que les sorties du rail de tension restent constantes après la mise à feu de la munition jusqu'au point de détonation. Dans les convertisseurs DC/DC conçus pour cette application, tels que la gamme MGDD fournie par GAIA Converter, il est possible de trouver des produits qui offrent une plage aussi large que 12V à 16V.
10-100Vdc input 12V 40W output power supply
Les convertisseurs DC/DC jouent un rôle clé dans l'optimisation de l'efficacité énergétique et dans la prévention des dommages aux composants qui peuvent résulter des variations de tension en cas d'utilisation d'alimentations non régulées. En tant que composants garantissant l'alimentation correcte des sous-systèmes électroniques, une grande fiabilité est essentielle. Et comme les boîtiers des munitions intelligentes disposent d'un espace limité à l'intérieur en raison de la nécessité d'y loger des explosifs, des sources d'énergie, des actionneurs et des composants électroniques, les convertisseurs doivent être légers et de petite taille. La conception des alimentations électriques peut se heurter à un problème de hauteur. Bien que de nombreux produits disponibles sur le marché soient conçus pour occuper une surface relativement réduite sur le circuit imprimé, la hauteur des composants passifs, tels que les condensateurs et les inductances, peut rendre plus difficile l'insertion d'une alimentation dans les boîtiers d'obus. La série MGDD fabriquée par GAIA Converter évite ce problème, en mettant en œuvre un convertisseur DC/DC complet d'une hauteur de seulement 8 mm pour les conceptions qui nécessitent 40 W ou 12,5 mm pour une puissance délivrée allant jusqu'à 500 W.
250W quarter brick isolated dc/dc converter
Les convertisseurs DC/DC doivent être capables de résister à d'importantes variations de températures pendant le stockage et lorsqu'ils sont déployés. La gamme de températures de stockage de -40 à +125°C, prise en charge par la série MGDD de GAÏA Converter répond à cet objectif. Grâce à l'enrobage du convertisseur à l'aide d'une résine à deux composants à haute conductivité thermique, les modules assurent une dissipation optimale de la chaleur dans des conditions environnementales difficiles. Le composé d'enrobage présente l'avantage supplémentaire d'offrir une protection contre les dommages causés aux composants par les chocs et les vibrations.
Il est tout aussi important de pouvoir satisfaire aux normes militaires strictes en matière de qualité et de comportement des produits. Plusieurs normes sont utilisées pour l'électronique des munitions intelligentes. La norme MIL-STD-810 fournit une série de tests qui déterminent la robustesse du système par sa capacité à résister aux changements de température, à l'humidité, aux chocs, aux vibrations et à l'altitude. La norme MIL-STD-461 détermine la compatibilité électromagnétique (CEM) du système militaire, garantissant dans le cas des munitions intelligentes qu'elles ne sont pas affectées par des interférences provenant de sources externes. Enfin, la norme MIL-STD-331 fournit un cadre pour tester les composants électroniques afin de garantir la fiabilité globale du système final.
Au fur et à mesure que les munitions intelligentes se généralisent et que les fonctions sont intégrées dans des boîtiers plus petits afin de prendre en charge un plus grand nombre de scénarios sur le champ de bataille, l'intégration et la vitesse de développement deviendront des éléments clés de la conception. En ce qui concerne les sous-systèmes d'alimentation, ils seront soutenus par la fourniture de modules d'alimentation intégrés, tels que le PSDG-48. Ce convertisseur DC/DC délivre 48W sur trois rails de sortie à partir d'une seule entrée 16-60V DC. Un filtre intégré assure une compatibilité électromagnétique élevée et une fonction de maintien basée sur un condensateur externe permet à l'alimentation de résister aux interruptions temporaires des sources d'énergie embarquées pendant le déploiement.
La fourniture d'une alimentation fiable et constante aux composants électroniques sensibles reste une exigence clé dans la conception des munitions intelligentes. En prêtant attention au besoin de flexibilité en matière de puissance d'entrée, d'exigences thermiques, de taille et de certification, GAIA est idéalement positionné pour être un partenaire fiable à long terme pour le développement de ces systèmes.
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