I requisiti dei sistemi di alimentazione per le munizioni intelligenti
Christian Jonglas, Customer Support Manager presso Gaia Converter, sottolinea l'importanza di un alimentatore affidabile per l'elettronica nella progettazione di munizioni intelligenti, considerando fattori come potenza in ingresso, requisiti termici, dimensioni e certificazione.
La tecnologia utilizzata nelle armi di ultima generazione è cambiata radicalmente con lo sviluppo di munizioni intelligenti. Sfruttando i progressi dell'informatica ad alta affidabilità computazionale, i nuovi sensori avanzati e i sistemi di guida intelligente, le munizioni sono in grado di localizzare, identificare e attaccare bersagli anche su lunghe distanze, con estrema precisione e affidabilità. In questo modo, hanno dimostrato di avere un tasso di successo più elevato con meno danni collaterali rispetto ai sistemi che vedono l’utilizzo di armi tradizionali.
Un elemento fondamentale per l’affidabilità delle munizioni intelligenti è dato dai sistemi di alimentazione che supportano i dispositivi avanzati di calcolo, i sensori, gli attuatori e tutti quei dispositivi necessari per portare a termine la missione. Questi sistemi di alimentazione devono essere compatti e devono essere in grado di gestire condizioni ambientali estreme, come urti, vibrazioni e escursioni termiche elevate. Garantendo, inoltre, stabilità al bus di alimentazione, comune a tutti i sistemi installati a bordo munizione.
Lo sviluppo di munizioni intelligenti è iniziato con la prima produzione di serie di bombe a guida laser, identificate con il nome Paveway, e sperimentate in combattimento dall'aeronautica militare statunitense alla fine degli anni '60.
Sebbene il lancio di bombe e missili rimanga una decisione umana, le munizioni intelligenti hanno acquisito capacità più autonome, come nel caso della guida a infrarossi o radar, in cui l'arma segue la traccia termica o la traiettoria di un bersaglio designato. Nei proiettili d'artiglieria, la guida inerziale è una componente comune e ill proiettile gestisce in autonomia la guida seguendo una traiettoria pre-programmata, utilizzando i dati provenienti da giroscopi e accelerometri interni.
Per le missioni a più lungo raggio, i proiettili di artiglieria a guida di precisione utilizzano i segnali del Global Positioning System (GPS) per essere guidati verso i bersagli, aumentando di conseguenza le probabilità di successo e riducendo il rischio di colpire passanti o forze amiche. La preoccupazione per i danni collaterali sta contribuendo a stimolare l'interesse per l'uso di munizioni intelligenti. Anche i sistemi di difesa hanno iniziato il loro impiego. Infatti, negli ultimi conflitti, i missili terra-aria intelligenti sono diventati cruciali per la protezione dei civili, con una varietà di tecniche che vanno dalla guida laser all'automazione completa per colpire i bersagli in arrivo. In molte di queste munizioni intelligenti, l'elettronica compatta è fondamentale. Infatti, l'intero sistema può richiedere l'installazione di missili da 55 o 155 mm di diametro o di missili compatibili con i lanciatori MANPAD (man-portable air-defence).
Le munizioni intelligenti utilizzate per l'artiglieria richiedono diversi elementi elettronici aggiuntivi rispetto ai proiettili convenzionali. Sebbene sia i proiettili convenzionali che quelli intelligenti conterranno una spoletta, la seconda tipologia di proiettile includerà un sistema di spoletta più complesso che si affida alle letture dei sensori e alle decisioni prese da un microcontrollore prima di far esplodere il carico esplosivo. I sensori installati includono un'unità di misura inerziale, che comprende accelerometri e giroscopi, in modo da determinare l'orientamento e la velocità del proiettile in ogni momento, dal lancio all'impatto. In aggiunta, la presenza di un ricevitore GPS contribuisce ulteriormente a determinare con precisione la posizione del proiettile. Un ricetrasmettitore a radiofrequenza (RF) può consentire il controllo a distanza da parte di un'unità di comando o la trasmissione di dati ad altri mezzi sul campo di battaglia.
I sensori a radiofrequenza e quelli dedicati al rilevamento della posizione invieranno i dati, insieme a quelli di altri sensori ( di temperatura, umidità e di pressione, che servono a compensare i cambiamenti ambientali durante il trasporto e dopo il lancio), a un'unità di elaborazione centrale il cui processore eseguirà gli algoritmi di guida e invierà i comandi agli attuatori utilizzati per controllare la traiettoria. Ad esempio, i motori passo-passo possono modificare l'assetto delle alette esterne per far ruotare il guscio e controllare la velocità dell'aria. Una batteria speciale a bordo fornirà energia attraverso uno o più convertitori DC/DC. Poiché i sensori e gli altri componenti richiedono un bus di alimentazione stabile, la potenza sarà erogata in modo costante ed entro livelli di tolleranza ristretti.
L'energia può essere fornita da diverse fonti. Le batterie al litio sono comunemente utilizzate nelle munizioni guidate di piccole dimensioni, grazie alla loro elevata densità energetica. Allo stesso modo, i generatori di tensione di bordo basati su piccoli motori a combustione interna o microturbine possono offrire un contributo importante di energia, anche se possono avere tempi lunghi di avvio. Di conseguenza ci saranno fonti di energia secondaria per le funzioni transitorie. I supercondensatori, invece, forniscono una quantità di energia istantanea per funzioni come lo sterzo o la detonazione e sono particolarmente preziosi per gli ingaggi di breve durata. Per un numero crescente di missioni in cui le munizioni sono programmate per rimanere in attesa per lunghi periodi prima del lancio o della detonazione, il recupero di energia dalla luce solare, dalle vibrazioni o dal movimento dell'aria è fondamentale per fornire livelli contenuti di energia, ma a lungo termine. Data la natura complementare di queste fonti di energia, un progetto di munizioni intelligenti può contenere più di un sottosistema di generazione di energia.
La tensione in uscita dalle batterie, ad esempio, può diminuire rapidamente quando le batterie stesse raggiungono la fine del loro ciclo di scarica, che tenderà a verificarsi in prossimità del punto di detonazione finale. I sistemi di backup utilizzati per integrare l’alimentazione primaria in caso di esaurimento della fonte primaria, possono richiedere tempo per raggiungere la piena potenza e possono portare a una rapida variazione della tensione di ingresso. Un convertitore CC/CC progettato per le munizioni intelligenti può garantire che i sottosistemi elettronici ricevano comunque un'alimentazione costante, anche quando si passa da un’alimentazione all'altra, e in momenti di forte stress di tutto l’apparato, causando, come già detto, variazioni significative della tensione di batteria. Un ampio range di tensioni di ingresso del dc-dc converter, che si pone tra batteria e elettronica dei sistemi, garantisce che tutte le uscite in tensione rimangono costanti dopo l'accensione della munizione fino al punto di detonazione. Nei convertitori CC/CC progettati per questa applicazione, come la gamma MGDD fornita da GAIA Converter, è possibile trovare prodotti che offrono un intervallo di tensione che varia da un minimo di 12V a un massimo operativo di 60V.
I convertitori CC/CC svolgono un ruolo fondamentale nell'ottimizzazione dell'efficienza energetica e nell'evitare i danni ai componenti. Danni che sono tipicamente causati da improvvise variazioni di tensione dovute all’utilizzo di alimentazioni non regolate. E’ quindi demandato al convertitore CC/CC l’onere di mantenere l’alimentazione stabile garantendo, di conseguenza, l’affidabilità di tutto il sistema. Inoltre, poiché gli involucri delle munizioni intelligenti hanno uno spazio interno molto limitato, data la necessità di contenere esplosivi, le batterie, i supercondensatori, gli attuatori e tutta l’elettronica in generale ( quindi gli stessi convertitori CC/CC ), devono essere leggeri e di dimensioni ridotte. Da evidenziare: un parametro critico in questi apparati è l’altezza dei componenti elettronici. Sebbene molti prodotti di serie siano progettati per occupare una superficie relativamente ridotta sul circuito stampato, l'altezza dei componenti passivi, come condensatori e induttori, può rendere più difficile l'inserimento di un alimentatore negli involucri predefiniti. La serie MGDD prodotta da GAIA Converter evita questo problema, implementando un convertitore DC/DC completo con un'altezza di soli 8 mm per progetti che richiedono moduli da 40 W di potenza oppure 12,5 mm di altezza massima per moduli con potenze fino a 500 W.
I convertitori DC/DC devono sostenere escursioni termiche importanti e improvvise, sia durante lo stoccaggio a magazzino che, a maggior ragione, in missione. Per i moduli COTS della serie MGDD di GAIA Converter la temperatura di stoccaggio copre un intervallo da -40 a +125°C, centrando questo obiettivo. Inoltre, la resina ad elevata conducibilità termica garantisce una dissipazione ottimale del calore in condizioni ambientali difficili. Il composto bicomponente, che viene utilizzato per il riempimento del modulo, ha l'ulteriore vantaggio di proteggere i componenti dai danni causati da urti e vibrazioni.
Altrettanto importante è la capacità di superare i severi standard militari, requisiti fondamentali per l'elettronica delle munizioni intelligenti. La normativa MIL-STD-810 fornisce una serie di test che determinano la robustezza del sistema attraverso la sua capacità di resistere a variazioni di temperatura, umidità, urti, vibrazioni e altitudine. La normativa MIL-STD-461 determina la compatibilità elettromagnetica (EMC) del sistema militare, garantendo, nel caso delle munizioni intelligenti, che non siano influenzate negativamente da interferenze provenienti da fonti esterne. Mentre la normativa MIL-STD-331 fornisce un quadro di riferimento per il collaudo dei componenti elettronici, a garanzia dell'affidabilità complessiva del sistema finale.
Man mano che le munizioni intelligenti diventeranno più comuni e le funzioni saranno integrate in formati sempre più piccoli per supportare una più ampia gamma di scenari sul campo di battaglia, l'integrazione e la velocità di sviluppo diventeranno elementi chiave nella progettazione. Per quanto riguarda i sottosistemi di alimentazione, una scelta che facilita l’integrazione e il time to market ridotto, è quella di selezionare un modulo COTS come il PSDG-48 di GAIA Converter. Questo convertitore CC/CC eroga 48 W su tre canali di uscita da un ingresso con range di tensioni decisamente ampio ( 16-60 V CC ). Inoltre, un filtro integrato garantisce un'elevata compatibilità elettromagnetica, mentre la funzione di hold up viene facilitata con la gestione intelligente di un condensatore esterno, consentendo al sistema di superare le interruzioni temporanee della tensione di bordo durante la missione.
Una volta garantita una tensione di alimentazione affidabile e costante all'elettronica più sensibile del sistema munizione, allora quest’ultima può essere sempre più meritevole di essere definita una munizione intelligente, innalzando l’efficacia della missione. Prestando attenzione ai requisiti di flessibilità della potenza di ingresso, ai requisiti termici, a quelli dimensionali e il rispetto delle certificazioni, GAIA Converter è nella posizione ideale per essere considerato un partner, affidabile e a lungo termine, per lo sviluppo di questi sistemi.
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