美軍艦載電子模塊化封裝箱EME研制過程*

(海軍裝備軟件管理中心 北京 100841)

美軍艦載電子模塊化封裝箱EME研制過程*

徐勇

(海軍裝備軟件管理中心 北京 100841)

艦載電子模塊化封裝箱EME(國內(nèi)稱為EME電子方艙)是美軍研發(fā)最新型驅(qū)逐艦DDG-1000過程中提出的一種新的集成、適配、測試設(shè)備。論文描述DDG-1000驅(qū)逐艦項目用EME的歷史和開發(fā)過程,指出了該項目演化過程中EME的設(shè)計選項和做出的決策,與EME相關(guān)的對艦艇影響等。論文有助于各級領(lǐng)導和技術(shù)人員全面認識EME。

EME;DDG-1000;使命任務(wù)系統(tǒng)電子類設(shè)備;研究過程;艦船集成

ClassNumberTP311.52

1 引言

EME是一種大型容器,提供環(huán)境支持(溫度和濕度、電磁干擾及電磁脈沖保護)、服務(wù)(電力電源管理、空氣調(diào)節(jié)和冷水冷卻)、為使命任務(wù)系統(tǒng)電子類設(shè)備MSE(也就是計算機、無線電、雷達/聲納電子)進行沖擊及結(jié)構(gòu)內(nèi)生噪音的隔離和物理安全等。這種方艙允許使命任務(wù)系統(tǒng)設(shè)備選擇利用COTS貨架電子商品,不需要為海上作戰(zhàn)艦艇進行傳統(tǒng)的電子單元加固。

圖1是一個典型的DDG-1000 EME(小型),圖中顯示了外部風扇單元FCU(從冷水到空氣的)熱交換器(四個,位于EME兩端基座沖擊安裝架支持件的上方)、內(nèi)部設(shè)備概念布局(包括電纜走線器、電源分配單元PDU,交換板、輸入輸出IO電纜訪問嵌板及標準的電子機柜。EME有四種尺寸:大型、中型,、小型和迷你型。表1是EME的尺寸規(guī)格。

圖1 一種小型EME的CAD透視圖

表1 EME的四種規(guī)格尺寸(英尺/米)

EME目的在于是雷神公司2000財年發(fā)起的一個概念研究項目,目的在于減少美國海軍裝備和測試使命任務(wù)系統(tǒng)設(shè)備MSE中的電子產(chǎn)品費用,并有助于以對艦船設(shè)計、建造和未來維修影響較小的方式安裝COTS貨架電子產(chǎn)品。作戰(zhàn)系統(tǒng)提供商預裝配、預測試和避免艦上安裝完成后的重復勞動所帶來的成本效益預期是先前的作戰(zhàn)系統(tǒng)為MSE所作設(shè)計的一半左右,先前設(shè)計中包括艦上安裝和所有作戰(zhàn)系統(tǒng)成員的測試。通過集中精力為運行在其中的COTS電子產(chǎn)品產(chǎn)生合適的工作環(huán)境,EME使得海軍使用最新技術(shù)的計算機、無線電和網(wǎng)絡(luò)成為可能。之前為單獨的電子產(chǎn)品進行沖擊和EMI/EMP加固設(shè)計的方法使得傳統(tǒng)的作戰(zhàn)系統(tǒng)電子產(chǎn)品交付時已經(jīng)落后,常常在性能上遠遠落后于商業(yè)產(chǎn)品。這最終使得這些作戰(zhàn)系統(tǒng)升級更難且費用更高。

EME的目的就是設(shè)計EME的內(nèi)部環(huán)境使之滿足COTS電子產(chǎn)品標準,因而節(jié)約了開發(fā)軍用系統(tǒng)(一個組件一個組件地進行沖擊和振動加固)的費用。通過預先將電子產(chǎn)品打包就可以在更加干凈,在更能控制的環(huán)境中進行系統(tǒng)級的測試。從而可保護電子產(chǎn)品免受艦船安裝的破壞,減少了再驗證(測試)和維修活動。這樣,能以更短的時間合成和驗證基于EME的艦艇作戰(zhàn)系統(tǒng)。艦船建造和試航時間也更短。

圖2 小型EME的外部三維實心CAD模型圖

2 EME的研究過程

美國海軍2001年11月重構(gòu)DD21項目為DD(X)未來驅(qū)逐艦項目,以更好管理技術(shù)成熟度風險并將這種創(chuàng)新性的能力提供給水面作戰(zhàn)艦艇家族,包括DD(X)、CG(X)和濱海戰(zhàn)斗艦LCS。2002年4月啟動DD(X)階段3設(shè)計,此階段期間,船舶設(shè)計集中在將以排筏減輕沖擊的電子產(chǎn)品保持在船舶艦面上層建筑(艦面艙室)內(nèi)部上方(靠近天線和雷達孔徑,它們饋送信號至大部分位于EME中的無線電設(shè)備和計算機)。在船舶設(shè)計的這個節(jié)點,電子產(chǎn)品的模塊化容器概念被稱作盒子中的盒子BIB。BIB來自于艦面上層建筑將由玻璃強化塑料GRP復合材料建造的想法。想法中,內(nèi)部的結(jié)構(gòu)很像蜂房隔間。這些GRP復合材料隔間被用來通過艦面上層建筑的外層表面,運用傳統(tǒng)的合成建造方法將BIB滑進去。所有這些最初概念是所有BIB必須在該船的整個壽命期間預先做好且能夠互換。

邁克慕林公司探究了安裝設(shè)備沖擊緩沖用排筏或設(shè)備固定在墊板上以緩沖沖擊所可能帶來的好處和問題,也研究了將排筏包裹起來(即,使用墻和天花板)或不包裹(允許周邊隔間控制電子設(shè)備所需的環(huán)境)時各種成本選項。每種選項都對EME系統(tǒng)或艦船大小及集成表現(xiàn)出各自的物理限制和成本優(yōu)勢。最后的結(jié)論是COTS設(shè)備使得緩沖沖擊需在排筏級完成(即沖擊基座應(yīng)用于排筏,COTS機柜立在排筏上),與之相對的是框架級本身完成(即將沖擊緩沖基座安裝在設(shè)備機柜上,機柜安裝在墊板上)。通過包裹排筏,EME容器將能為設(shè)備提供必需的環(huán)境條件,從建設(shè)/適配/測試/船上安裝到后續(xù)服務(wù)均可提供。將排筏包裹起來為電子產(chǎn)品提供運輸?shù)奈锢肀Ｗo同時簡化了惡劣天氣/EMI、犯罪企圖(偷竊或破壞知識產(chǎn)權(quán))的預防方法。這些特點超過了帶來的負面影響,如系統(tǒng)多余的重量,成本和產(chǎn)品復雜性。因此,BIB(包裝在盒子中的電子設(shè)備滑進船上的隔間)本身也像盒子,成為早期DD(X)設(shè)計的基線。

從第三階段開始使用滿足沖擊需求的集裝箱進行研發(fā)試驗,于是出現(xiàn)了EME術(shù)語。在此階段期間,建造和沖擊測試了一個全鋼的EME加裝排筏的集裝箱(接近小型變體的大小)。該項工作使得美國海軍研究沖擊的團隊能夠為將來的EME設(shè)計開發(fā)設(shè)計標準。這些標準反映在稱作“沖擊緩沖排筏設(shè)計(SMRD)”程序手冊中。它規(guī)定了EME和在其中的電子設(shè)備必須遵守的激勵和結(jié)構(gòu)要求,以滿足COTS產(chǎn)品的沖擊級別要求,從而避免了必須滿足其中的每一件COTS產(chǎn)品的沖擊質(zhì)量要求。

2006年3月6日,海軍秘書指定DD(X)驅(qū)逐艦編號為DDG1000,命名為USS Zumwalt(美國海軍朱姆沃爾特號)。隨著研發(fā)社團在其承擔的EME設(shè)計任務(wù)上不斷取得進展,整個船的設(shè)計也在不斷演化。一個接一個,鎖定到船體(而不是設(shè)計成能夠隨時搬移)的EME數(shù)量不斷攀升。最終,EME成了不可移動的。基于這個決定,替換COTS設(shè)備的想法只能在機柜級完成,而不是EME級。來自美國國會的壓力也施加到該項目,美國國會要求降低排水量(可以降低費用),對設(shè)計者來說重量越來越重要。到設(shè)計這個點上,空的和適配好的EME總體詳細設(shè)計和建造完全被移交到雷神公司。

美國雷神此時轉(zhuǎn)變成了領(lǐng)導角色,它建議美國海軍由它用鋁材料建造EME,可大大減少重量,并可回避維護某些交叉區(qū)域(之前的EME設(shè)計中用鋼和鋁的連接件)的EMI邊界問題。美國海軍同意了這個建議。然而SMRD(沖擊緩沖排筏設(shè)計)基于鋼框架設(shè)計EME(鋁封皮,機柜置于其中),在階段3期間也進行了測試。相應(yīng)地,海軍沖擊技術(shù)研究團隊要求對全鋁EME設(shè)計進行再認證,以確保用以設(shè)計EME的分析方法仍然有效。演示證明POD(用全新鋁制造的全尺寸EME)在船測試計劃于2010年完成。該POD(小型,DATA用)測試將證明設(shè)計方法并驗證所使用的工具(即:將使用有限元分析FEA模型去證明其他尺寸的EME沖擊的有效性,不用去測試每一個EME)。

雷神公司接管了整個EME設(shè)計后,EME演化并逐漸形成了EME的終極尺寸和數(shù)量。基于商用船舶運輸?shù)南拗?限制EME從制造和適配的陸上運到碼頭),提出了一系列的尺寸。需要經(jīng)過公路和鐵路使得EME的最后寬度為7英尺5.4英寸。

EME的高度是基于甲板與甲板間允許的最大高度(3m)。考慮到?jīng)_擊搖擺空間(由SMRD得到)、標準COTS電子機柜的尺寸,剩下的高度為EME結(jié)構(gòu)使用的高度。需要幾種長度以能夠安裝EME進入船體的復合上層建筑中。這就有一個需要考量的問題:大的EME制造起來便宜,但難以集成到艦艇中(艦艇的橫向艙壁間隔及船的最大寬度)。最后的尺寸也決定于將相似的作戰(zhàn)系統(tǒng)組到一塊兒的想法(電纜長度可以減少)。起初,開發(fā)了三種尺寸(大型,35英尺長;中型,30英尺長;小型,25英尺長)。完成了很多研究以平衡其他的船體設(shè)計限制,最終確定了每個EME類型的數(shù)量。就是在階段3期間,該艦的上層建筑(艦面艙室)復合結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)的玻璃強化塑料結(jié)構(gòu)變?yōu)樘祭w維樹脂-輕質(zhì)木頭核心嵌板復合結(jié)構(gòu)(不僅僅因為與EME相關(guān))。很快,很明顯地,EME的重量分布和復合上層建筑結(jié)構(gòu)上解決EME重量和體積影響的限制使得大多數(shù)EME向下布置到艦艇的鋼質(zhì)船體。EME的可生存性及電子系統(tǒng)的冗余必須進行縱向隔離,增加了所需EME數(shù)量。最終,上層建筑中只有兩個EME,主要是由于孔徑電纜長度限制和上層建筑設(shè)計中減少了的可安排空間。船體設(shè)計后期,明顯需要一種特別小的EME,滿足支撐上層建筑上層外頂“多功能桅桿MFM”通信孔徑的需要(多功能桅桿MFM,為圖3中的有陰影的圓錐體)。第四個尺寸的EME被稱作迷你型EME(18英尺/5.49米長)。由此,大型EME-經(jīng)濟型EME與其他全艦設(shè)計限制取得了某種平衡,更多的EME變?yōu)楦〉某叽纭?/p>

DDG1000船舶設(shè)計必需經(jīng)美國造船署ABS認證,EME框架建造同樣也需要認證。設(shè)計EME框架以滿足最新形成的海軍船舶規(guī)則(NVR),EME的要求通過“DDG1000設(shè)計、建造和生產(chǎn)規(guī)格書DBPS”的宣貫確保合同與其相符。內(nèi)部機柜設(shè)計是所支持的作戰(zhàn)系統(tǒng)的責任,特意從NVR中剔除(也就不需要ABS的驗證),為接受COTS電子產(chǎn)品提供方便。

到DDG1000項目開始船舶詳細設(shè)計(階段4,2008年)時,EME總的數(shù)量已經(jīng)確定下來了,為16個(4個大型,1個中型,9個小型,2個迷你型),其中只有中型和2個迷你型的EME保留在上層建筑中。EME的位置見圖3。EME被分成4個系統(tǒng)級別的組群(適配型):外部通信EXCOMM型,內(nèi)部通信IC、船舶指揮及工程控制系統(tǒng)ECS(通過全艦計算設(shè)備接口)DATA型,艦首及艦尾聲納SONAR型,雷達及光學系統(tǒng)SENSE型,這些是單獨EME的命名習慣。

圖3 DDG1000 EME的最終位置

最初設(shè)計全鋁EME艙的遇到了一個主要挫折。雷神提出一個全鋁EME設(shè)計方法,將大型擠壓的鋁質(zhì)構(gòu)架嵌板焊接在一起。該設(shè)計后來被拒絕,因為鋁焊接后,需要在焊接熱影響區(qū)大大減少材料的可允許屈力(ABS、NVR所要求的)。最終,雷神基于類似于商用和軍用造船容器的建造方法(該方法由Gichner框架系統(tǒng)公司開發(fā)),通過鉚接和綁接的鋁板/發(fā)泡材料核心嵌板方法解決了這個問題。

雷神與Wenzlau工程公司(位于加州舊金山)簽訂了子合同設(shè)計和組裝EME,與Gichner框架系統(tǒng)公司(賓州達拉斯城)制造和組裝EME空框架。Wenzlau與ATA工程公司(加州圣迭戈)簽訂合同對Wenzlau/Gichner設(shè)計的EME進行有限元模型FEM分析并給出結(jié)果。Wenzlau與DRS簽訂了設(shè)計和制造EME的FCU合同。雷神公司EME一體化工藝工作團隊(IPT,位于羅德島的匹茲堡,得到雷神馬州工作人員的支持)管理該合同,優(yōu)化了內(nèi)部系統(tǒng)要求,評估了對EME和內(nèi)部設(shè)備的瞬時響應(yīng)。雷神公司EME一體化工藝工作團隊IPT協(xié)調(diào)雷聲作戰(zhàn)系統(tǒng)之間的合作以優(yōu)化最終設(shè)備安排的共同之處。該團隊協(xié)調(diào)了碼頭集成,EME運輸和儲存,向海軍提交EME技術(shù)歸檔。基礎(chǔ)的、空的EME框架已從Gichner框架系統(tǒng)公司船運到雷神公司三個使命中心中的一個進行適配、集成和測試。DATA和SONAR型EME在羅德島匹茲堡的雷神工廠進行適配。EXCOMM型EME已船運到雷神公司馬州Sudbury工廠。一旦適配完成,這些EME就交付到兩個碼頭插入到船上。其中14個(每條艦)將被運到巴斯鋼鐵集團位于緬因州巴斯的碼頭。剩下的兩個將被船運到諾思魯普·格魯曼造船NGSB公司位于密西西比州Gulfport的工廠以插入到復合上層建筑中。一旦復合上層建筑建好,就會被船運到BIW進行最后的組裝。

EME的模塊性使得雷神公司將幾個SENSE、EXCOMM型的EME運到海軍Wallops島雷達測試射擊場,在這里這些EME與DDG1000雙波段雷達及其他孔徑設(shè)備集成進行測試和驗證,測試完成后就可運到碼頭。圖4是Gichner公司完成的小型EME,待船運到雷神公司進行適配(2009年3月)。

圖4 第一個小型EME框架-內(nèi)部適配之前

2007年9月26日,海軍決定由巴斯鋼鐵集團BIW將建造第一條DDG1000朱姆沃爾特級驅(qū)逐艦。后來在2009年9月海軍采購策略授予BIW進行頭兩條朱姆沃爾特級驅(qū)逐艦剩下的階段4設(shè)計和建造。NGSB將繼續(xù)支持建造策略,提供完成的復合上層建筑、機庫以及兩個船尾導彈發(fā)射器區(qū)域。每個子組裝件將船運到BIW并集成進這些艦的最后組裝。

3 基于EME的艦船集成

EME對船舶設(shè)計和建造提出了一些有趣的限制。EME需要幾個大的封裝件以與船舶詳細設(shè)計進行集成。EME的物理封裝決定了電纜連接、冷水軟管連接和個人訪問EME的門的位置。沖擊封裝是體積限制,限制了船舶制造廠家布置非關(guān)聯(lián)的管道、通風設(shè)備和電線電纜連接EME。這確保了EME有空間在沖擊時里面能移動,同時避免影響周圍結(jié)構(gòu)或其他艦載設(shè)備。最后,維修封裝,保證維修人員有足夠空間替換失效的EME組件(如FCU馬達、過濾器、電子設(shè)備、輔助的沖擊和噪音隔離安裝底座)。

EME受船舶移動和沖擊的影響與其在船體中的位置有關(guān)。比如,位于船體越往下的EME將承受更大的沖擊負荷,艦首的EME將承受很大的海洋沖擊負荷(有點像撞擊負載)。總的來說,沖擊負荷將決定EME沖擊緩沖系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計EME框架的意圖是通過將沖擊安裝底座(支撐EME)的類型與數(shù)量單列出來提供沖擊緩沖。同時也不用重新設(shè)計EME結(jié)構(gòu)或修改內(nèi)部電子機柜(因為艦船整個壽命期間對MSE有效載荷進行改變)。

EME占用大部分可用艙室甲板高度,使得在其上部運行、觀察和維護船體機械/電力系統(tǒng)HM&E不可行或者費用難以承受。因此,DDG1000設(shè)計中,對艦船設(shè)計有一個限制,就是不允許任何HM&E設(shè)備安裝在任何EME之上。類似地,由于EME沖擊封裝,EME下面也有類似的限制。EME是EMI接地的,但限于非機械系統(tǒng)空間以避免周圍設(shè)備EMI暴露。

DDG1000的EME裝備有電源嵌板,嵌板具有遠程監(jiān)視能力,設(shè)計時留有未來增長的裕量,以滿足支持不同EME電源類型不同的需要。干凈的電源由艦船提供,EME電源管理設(shè)計支持EME內(nèi)部那些系統(tǒng)級組件,這些組件需要電源保護(UPS和/或雙電源電纜饋接)或提供不同類型電源(交流或直流,電壓和電流)。

船舶控制系統(tǒng)遠程監(jiān)視EME電力負載、溫度、火警、煙霧和人員侵入(安全,需要視頻和/或移動傳感器)。

EME一般位于專用的艙室,或空間上與其他EME成組放在一起以管理空間噪聲。EME的FCU和設(shè)備風扇是空氣噪聲主要來源。大部分的EME都設(shè)計安裝4個FCU單元,每個FCU具有3t或6t AC能力。這些FCU附在EME的外部,早被預期到將會是主要的空氣和內(nèi)部噪聲源。內(nèi)部制冷主要是考慮到為空氣制冷的COTS設(shè)備創(chuàng)建桌面環(huán)境,然而如果需要還可以提供冷水。

考慮到外部空氣噪聲,艦船設(shè)計者將EME安排到專用艙室,或者將EME成組放在同一個艙室。這些空間被指定為電子設(shè)備支持房間ESR。在上層建筑中也有指定的ESR艙室以容納艙內(nèi)訪問外部上層建筑安裝的孔徑(雷達和天線)設(shè)施。因此,不是所有的DDG1000的ESR都有EME設(shè)備。

由于生存性原因進行EME隔離確實使得某些EME被放在一個有人空間。隨著EME設(shè)計的進展,這個潛在的對該空間的噪聲影響一直在跟進,也研究了減少空氣噪聲的可選辦法。

隨著EME設(shè)計的逐漸成熟和最終建成,經(jīng)過測試,FCU的空氣噪聲比預想的噪聲要低。通過EME結(jié)構(gòu)中的發(fā)泡核心進行空氣噪音衰減也大大降低了EME內(nèi)部設(shè)備的外部噪聲。因此,EME外部的空氣噪聲不再是將EME與有人空間分開的有效理由。

設(shè)計EME的EMI級別保護EME內(nèi)部設(shè)備不受周圍設(shè)備的影響,保護EME艙室內(nèi)的設(shè)備不受EME自身輻射的EMI影響。然而,EME的EMI設(shè)計考慮到了船舶結(jié)構(gòu)帶來的對外界EMI/EMP源的屏蔽。因此,EME必須置于該艦EMI邊界結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)。因此不允許直接暴露。

EME考慮到了所有內(nèi)部熱平衡需求,或者通過FCU進行冷空氣的再循環(huán),或者直接將CW(冷卻水)引入到內(nèi)部的電子組件。大部分EME電子設(shè)備是100%空氣致冷的。與ESR幾乎不需要空氣交換。只有到艦員使用EME或岸上操作員維修時才需要進行空氣交換更新氧氣水平。

即使是鋁制的EME也很重,見表2。結(jié)果,在每一個EME沖擊安裝底座下面的甲板必須有一個局部的結(jié)構(gòu)支撐。EME底座和船舶結(jié)構(gòu)設(shè)計需要對每一個EME進行特殊的加強,因為每一個EME有不同的、集中的最大設(shè)計重量。結(jié)構(gòu)和噪聲要求驅(qū)使底座設(shè)計(就是說,NVR要求設(shè)備基座的硬度必須是隔離安裝底座的硬度的十倍)。

表2 EME尺寸及重量限制(不要超過)

艦船建造方法因船廠而異(如起重機起吊能力),將EME插入到艦船的不同結(jié)構(gòu)區(qū)方法也不同。DDG1000被設(shè)計在外部下面的四個角垂直吊裝的EME,使用可拆除的吊環(huán)附著在起重機的繩帶或纜繩上(一般需要更寬的條帶)。由于尺寸(見表2),EME一般是“藍色天空”式安裝集成到艦船,即在頭頂甲板區(qū)建造前,將EME降到艦船架橋區(qū)。有些情況下,在船艙壁封閉以前,EME被用滾輪滾到某個區(qū)域的開放邊。因此,EME安裝基座設(shè)計成可移動(用螺栓拴到甲板上)以便于EME安裝。

4 結(jié)語

截至到2010年4月,DDG1000的大部分EME已經(jīng)由Gichner公司建造、由雷神公司適裝完成,有幾個已經(jīng)安裝在艦上。其中一個全尺寸小型EME(目標為DDG1001)的沖擊測試計劃于2010年中期進行,將用于對已設(shè)計和建造的EME的最后驗證。EME框架開發(fā)的總費用一直比最初估計的要多,設(shè)計和建造EME也遇到了很多預計到的困難,特別是首艦。但仍然相信通過堅持這個革命性的集成作戰(zhàn)系統(tǒng)電子設(shè)備到海軍艦船設(shè)計中的方法、通過確保在建造時采用最新成熟的COTS電子產(chǎn)品和將來快速更新技術(shù)的能力(因而確保了DDG1000規(guī)劃的整個35年服役期間,提供最新的作戰(zhàn)系統(tǒng)技術(shù)),整個項目將大大節(jié)約費用。該項目的成功應(yīng)該為作戰(zhàn)系統(tǒng)電子產(chǎn)品集成到將來幾十年美國海軍主力作戰(zhàn)艦艇中鋪平道路。

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ResearchingandManufacturingProcessofElectronicsModularEnclosure

XU Yong

(Naval Management Center of Equipment Software,Beijing 100841)

Electronics Modular Enclosure(EME)is a new kind of equipment for integrating,outfitting and testing designed for DDG-1000 destroyer.The history and development of the EMEs for the DDG-1000 destroyer program are decribed.The EME design alternatives and decisions made during the evolution of the ship program and the ship impacts associated with EMS are also outlined.

EME,DDG-1000,mission system electronics equipment,researching process,ship integration

2013年12月10日,

:2014年1月19日

徐勇,男,碩士,工程師,研究方向:作戰(zhàn)系統(tǒng),電子信息系統(tǒng)。

TP311.52DOI:10.3969/j.issn1672-9730.2014.06.041