美军舰载电子模块化封装箱EME研制过程*

(海军装备软件管理中心 北京 100841)

美军舰载电子模块化封装箱EME研制过程*

徐勇

(海军装备软件管理中心 北京 100841)

舰载电子模块化封装箱EME(国内称为EME电子方舱)是美军研发最新型驱逐舰DDG-1000过程中提出的一种新的集成、适配、测试设备。论文描述DDG-1000驱逐舰项目用EME的历史和开发过程,指出了该项目演化过程中EME的设计选项和做出的决策,与EME相关的对舰艇影响等。论文有助于各级领导和技术人员全面认识EME。

EME;DDG-1000;使命任务系统电子类设备;研究过程;舰船集成

ClassNumberTP311.52

1 引言

EME是一种大型容器,提供环境支持(温度和湿度、电磁干扰及电磁脉冲保护)、服务(电力电源管理、空气调节和冷水冷却)、为使命任务系统电子类设备MSE(也就是计算机、无线电、雷达/声纳电子)进行冲击及结构内生噪音的隔离和物理安全等。这种方舱允许使命任务系统设备选择利用COTS货架电子商品,不需要为海上作战舰艇进行传统的电子单元加固。

图1是一个典型的DDG-1000 EME(小型),图中显示了外部风扇单元FCU(从冷水到空气的)热交换器(四个,位于EME两端基座冲击安装架支持件的上方)、内部设备概念布局(包括电缆走线器、电源分配单元PDU,交换板、输入输出IO电缆访问嵌板及标准的电子机柜。EME有四种尺寸:大型、中型,、小型和迷你型。表1是EME的尺寸规格。

图1 一种小型EME的CAD透视图

表1 EME的四种规格尺寸(英尺/米)

EME目的在于是雷神公司2000财年发起的一个概念研究项目,目的在于减少美国海军装备和测试使命任务系统设备MSE中的电子产品费用,并有助于以对舰船设计、建造和未来维修影响较小的方式安装COTS货架电子产品。作战系统提供商预装配、预测试和避免舰上安装完成后的重复劳动所带来的成本效益预期是先前的作战系统为MSE所作设计的一半左右,先前设计中包括舰上安装和所有作战系统成员的测试。通过集中精力为运行在其中的COTS电子产品产生合适的工作环境,EME使得海军使用最新技术的计算机、无线电和网络成为可能。之前为单独的电子产品进行冲击和EMI/EMP加固设计的方法使得传统的作战系统电子产品交付时已经落后,常常在性能上远远落后于商业产品。这最终使得这些作战系统升级更难且费用更高。

EME的目的就是设计EME的内部环境使之满足COTS电子产品标准,因而节约了开发军用系统(一个组件一个组件地进行冲击和振动加固)的费用。通过预先将电子产品打包就可以在更加干净,在更能控制的环境中进行系统级的测试。从而可保护电子产品免受舰船安装的破坏,减少了再验证(测试)和维修活动。这样,能以更短的时间合成和验证基于EME的舰艇作战系统。舰船建造和试航时间也更短。

图2 小型EME的外部三维实心CAD模型图

2 EME的研究过程

美国海军2001年11月重构DD21项目为DD(X)未来驱逐舰项目,以更好管理技术成熟度风险并将这种创新性的能力提供给水面作战舰艇家族,包括DD(X)、CG(X)和滨海战斗舰LCS。2002年4月启动DD(X)阶段3设计,此阶段期间,船舶设计集中在将以排筏减轻冲击的电子产品保持在船舶舰面上层建筑(舰面舱室)内部上方(靠近天线和雷达孔径,它们馈送信号至大部分位于EME中的无线电设备和计算机)。在船舶设计的这个节点,电子产品的模块化容器概念被称作盒子中的盒子BIB。BIB来自于舰面上层建筑将由玻璃强化塑料GRP复合材料建造的想法。想法中,内部的结构很像蜂房隔间。这些GRP复合材料隔间被用来通过舰面上层建筑的外层表面,运用传统的合成建造方法将BIB滑进去。所有这些最初概念是所有BIB必须在该船的整个寿命期间预先做好且能够互换。

迈克慕林公司探究了安装设备冲击缓冲用排筏或设备固定在垫板上以缓冲冲击所可能带来的好处和问题,也研究了将排筏包裹起来(即,使用墙和天花板)或不包裹(允许周边隔间控制电子设备所需的环境)时各种成本选项。每种选项都对EME系统或舰船大小及集成表现出各自的物理限制和成本优势。最后的结论是COTS设备使得缓冲冲击需在排筏级完成(即冲击基座应用于排筏,COTS机柜立在排筏上),与之相对的是框架级本身完成(即将冲击缓冲基座安装在设备机柜上,机柜安装在垫板上)。通过包裹排筏,EME容器将能为设备提供必需的环境条件,从建设/适配/测试/船上安装到后续服务均可提供。将排筏包裹起来为电子产品提供运输的物理保护同时简化了恶劣天气/EMI、犯罪企图(偷窃或破坏知识产权)的预防方法。这些特点超过了带来的负面影响,如系统多余的重量,成本和产品复杂性。因此,BIB(包装在盒子中的电子设备滑进船上的隔间)本身也像盒子,成为早期DD(X)设计的基线。

从第三阶段开始使用满足冲击需求的集装箱进行研发试验,于是出现了EME术语。在此阶段期间,建造和冲击测试了一个全钢的EME加装排筏的集装箱(接近小型变体的大小)。该项工作使得美国海军研究冲击的团队能够为将来的EME设计开发设计标准。这些标准反映在称作“冲击缓冲排筏设计(SMRD)”程序手册中。它规定了EME和在其中的电子设备必须遵守的激励和结构要求,以满足COTS产品的冲击级别要求,从而避免了必须满足其中的每一件COTS产品的冲击质量要求。

2006年3月6日,海军秘书指定DD(X)驱逐舰编号为DDG1000,命名为USS Zumwalt(美国海军朱姆沃尔特号)。随着研发社团在其承担的EME设计任务上不断取得进展,整个船的设计也在不断演化。一个接一个,锁定到船体(而不是设计成能够随时搬移)的EME数量不断攀升。最终,EME成了不可移动的。基于这个决定,替换COTS设备的想法只能在机柜级完成,而不是EME级。来自美国国会的压力也施加到该项目,美国国会要求降低排水量(可以降低费用),对设计者来说重量越来越重要。到设计这个点上,空的和适配好的EME总体详细设计和建造完全被移交到雷神公司。

美国雷神此时转变成了领导角色,它建议美国海军由它用铝材料建造EME,可大大减少重量,并可回避维护某些交叉区域(之前的EME设计中用钢和铝的连接件)的EMI边界问题。美国海军同意了这个建议。然而SMRD(冲击缓冲排筏设计)基于钢框架设计EME(铝封皮,机柜置于其中),在阶段3期间也进行了测试。相应地,海军冲击技术研究团队要求对全铝EME设计进行再认证,以确保用以设计EME的分析方法仍然有效。演示证明POD(用全新铝制造的全尺寸EME)在船测试计划于2010年完成。该POD(小型,DATA用)测试将证明设计方法并验证所使用的工具(即:将使用有限元分析FEA模型去证明其他尺寸的EME冲击的有效性,不用去测试每一个EME)。

雷神公司接管了整个EME设计后,EME演化并逐渐形成了EME的终极尺寸和数量。基于商用船舶运输的限制(限制EME从制造和适配的陆上运到码头),提出了一系列的尺寸。需要经过公路和铁路使得EME的最后宽度为7英尺5.4英寸。

EME的高度是基于甲板与甲板间允许的最大高度(3m)。考虑到冲击摇摆空间(由SMRD得到)、标准COTS电子机柜的尺寸,剩下的高度为EME结构使用的高度。需要几种长度以能够安装EME进入船体的复合上层建筑中。这就有一个需要考量的问题:大的EME制造起来便宜,但难以集成到舰艇中(舰艇的横向舱壁间隔及船的最大宽度)。最后的尺寸也决定于将相似的作战系统组到一块儿的想法(电缆长度可以减少)。起初,开发了三种尺寸(大型,35英尺长;中型,30英尺长;小型,25英尺长)。完成了很多研究以平衡其他的船体设计限制,最终确定了每个EME类型的数量。就是在阶段3期间,该舰的上层建筑(舰面舱室)复合结构从传统的玻璃强化塑料结构变为碳纤维树脂-轻质木头核心嵌板复合结构(不仅仅因为与EME相关)。很快,很明显地,EME的重量分布和复合上层建筑结构上解决EME重量和体积影响的限制使得大多数EME向下布置到舰艇的钢质船体。EME的可生存性及电子系统的冗余必须进行纵向隔离,增加了所需EME数量。最终,上层建筑中只有两个EME,主要是由于孔径电缆长度限制和上层建筑设计中减少了的可安排空间。船体设计后期,明显需要一种特别小的EME,满足支撑上层建筑上层外顶“多功能桅杆MFM”通信孔径的需要(多功能桅杆MFM,为图3中的有阴影的圆锥体)。第四个尺寸的EME被称作迷你型EME(18英尺/5.49米长)。由此,大型EME-经济型EME与其他全舰设计限制取得了某种平衡,更多的EME变为更小的尺寸。

DDG1000船舶设计必需经美国造船署ABS认证,EME框架建造同样也需要认证。设计EME框架以满足最新形成的海军船舶规则(NVR),EME的要求通过“DDG1000设计、建造和生产规格书DBPS”的宣贯确保合同与其相符。内部机柜设计是所支持的作战系统的责任,特意从NVR中剔除(也就不需要ABS的验证),为接受COTS电子产品提供方便。

到DDG1000项目开始船舶详细设计(阶段4,2008年)时,EME总的数量已经确定下来了,为16个(4个大型,1个中型,9个小型,2个迷你型),其中只有中型和2个迷你型的EME保留在上层建筑中。EME的位置见图3。EME被分成4个系统级别的组群(适配型):外部通信EXCOMM型,内部通信IC、船舶指挥及工程控制系统ECS(通过全舰计算设备接口)DATA型,舰首及舰尾声纳SONAR型,雷达及光学系统SENSE型,这些是单独EME的命名习惯。

图3 DDG1000 EME的最终位置

最初设计全铝EME舱的遇到了一个主要挫折。雷神提出一个全铝EME设计方法,将大型挤压的铝质构架嵌板焊接在一起。该设计后来被拒绝,因为铝焊接后,需要在焊接热影响区大大减少材料的可允许屈力(ABS、NVR所要求的)。最终,雷神基于类似于商用和军用造船容器的建造方法(该方法由Gichner框架系统公司开发),通过铆接和绑接的铝板/发泡材料核心嵌板方法解决了这个问题。

雷神与Wenzlau工程公司(位于加州旧金山)签订了子合同设计和组装EME,与Gichner框架系统公司(宾州达拉斯城)制造和组装EME空框架。Wenzlau与ATA工程公司(加州圣迭戈)签订合同对Wenzlau/Gichner设计的EME进行有限元模型FEM分析并给出结果。Wenzlau与DRS签订了设计和制造EME的FCU合同。雷神公司EME一体化工艺工作团队(IPT,位于罗德岛的匹兹堡,得到雷神马州工作人员的支持)管理该合同,优化了内部系统要求,评估了对EME和内部设备的瞬时响应。雷神公司EME一体化工艺工作团队IPT协调雷声作战系统之间的合作以优化最终设备安排的共同之处。该团队协调了码头集成,EME运输和储存,向海军提交EME技术归档。基础的、空的EME框架已从Gichner框架系统公司船运到雷神公司三个使命中心中的一个进行适配、集成和测试。DATA和SONAR型EME在罗德岛匹兹堡的雷神工厂进行适配。EXCOMM型EME已船运到雷神公司马州Sudbury工厂。一旦适配完成,这些EME就交付到两个码头插入到船上。其中14个(每条舰)将被运到巴斯钢铁集团位于缅因州巴斯的码头。剩下的两个将被船运到诺思鲁普·格鲁曼造船NGSB公司位于密西西比州Gulfport的工厂以插入到复合上层建筑中。一旦复合上层建筑建好,就会被船运到BIW进行最后的组装。

EME的模块性使得雷神公司将几个SENSE、EXCOMM型的EME运到海军Wallops岛雷达测试射击场,在这里这些EME与DDG1000双波段雷达及其他孔径设备集成进行测试和验证,测试完成后就可运到码头。图4是Gichner公司完成的小型EME,待船运到雷神公司进行适配(2009年3月)。

图4 第一个小型EME框架-内部适配之前

2007年9月26日,海军决定由巴斯钢铁集团BIW将建造第一条DDG1000朱姆沃尔特级驱逐舰。后来在2009年9月海军采购策略授予BIW进行头两条朱姆沃尔特级驱逐舰剩下的阶段4设计和建造。NGSB将继续支持建造策略,提供完成的复合上层建筑、机库以及两个船尾导弹发射器区域。每个子组装件将船运到BIW并集成进这些舰的最后组装。

3 基于EME的舰船集成

EME对船舶设计和建造提出了一些有趣的限制。EME需要几个大的封装件以与船舶详细设计进行集成。EME的物理封装决定了电缆连接、冷水软管连接和个人访问EME的门的位置。冲击封装是体积限制,限制了船舶制造厂家布置非关联的管道、通风设备和电线电缆连接EME。这确保了EME有空间在冲击时里面能移动,同时避免影响周围结构或其他舰载设备。最后,维修封装,保证维修人员有足够空间替换失效的EME组件(如FCU马达、过滤器、电子设备、辅助的冲击和噪音隔离安装底座)。

EME受船舶移动和冲击的影响与其在船体中的位置有关。比如,位于船体越往下的EME将承受更大的冲击负荷,舰首的EME将承受很大的海洋冲击负荷(有点像撞击负载)。总的来说,冲击负荷将决定EME冲击缓冲系统设计。设计EME框架的意图是通过将冲击安装底座(支撑EME)的类型与数量单列出来提供冲击缓冲。同时也不用重新设计EME结构或修改内部电子机柜(因为舰船整个寿命期间对MSE有效载荷进行改变)。

EME占用大部分可用舱室甲板高度,使得在其上部运行、观察和维护船体机械/电力系统HM&E不可行或者费用难以承受。因此,DDG1000设计中,对舰船设计有一个限制,就是不允许任何HM&E设备安装在任何EME之上。类似地,由于EME冲击封装,EME下面也有类似的限制。EME是EMI接地的,但限于非机械系统空间以避免周围设备EMI暴露。

DDG1000的EME装备有电源嵌板,嵌板具有远程监视能力,设计时留有未来增长的裕量,以满足支持不同EME电源类型不同的需要。干净的电源由舰船提供,EME电源管理设计支持EME内部那些系统级组件,这些组件需要电源保护(UPS和/或双电源电缆馈接)或提供不同类型电源(交流或直流,电压和电流)。

船舶控制系统远程监视EME电力负载、温度、火警、烟雾和人员侵入(安全,需要视频和/或移动传感器)。

EME一般位于专用的舱室,或空间上与其他EME成组放在一起以管理空间噪声。EME的FCU和设备风扇是空气噪声主要来源。大部分的EME都设计安装4个FCU单元,每个FCU具有3t或6t AC能力。这些FCU附在EME的外部,早被预期到将会是主要的空气和内部噪声源。内部制冷主要是考虑到为空气制冷的COTS设备创建桌面环境,然而如果需要还可以提供冷水。

考虑到外部空气噪声,舰船设计者将EME安排到专用舱室,或者将EME成组放在同一个舱室。这些空间被指定为电子设备支持房间ESR。在上层建筑中也有指定的ESR舱室以容纳舱内访问外部上层建筑安装的孔径(雷达和天线)设施。因此,不是所有的DDG1000的ESR都有EME设备。

由于生存性原因进行EME隔离确实使得某些EME被放在一个有人空间。随着EME设计的进展,这个潜在的对该空间的噪声影响一直在跟进,也研究了减少空气噪声的可选办法。

随着EME设计的逐渐成熟和最终建成,经过测试,FCU的空气噪声比预想的噪声要低。通过EME结构中的发泡核心进行空气噪音衰减也大大降低了EME内部设备的外部噪声。因此,EME外部的空气噪声不再是将EME与有人空间分开的有效理由。

设计EME的EMI级别保护EME内部设备不受周围设备的影响,保护EME舱室内的设备不受EME自身辐射的EMI影响。然而,EME的EMI设计考虑到了船舶结构带来的对外界EMI/EMP源的屏蔽。因此,EME必须置于该舰EMI边界结构范围内。因此不允许直接暴露。

EME考虑到了所有内部热平衡需求,或者通过FCU进行冷空气的再循环,或者直接将CW(冷却水)引入到内部的电子组件。大部分EME电子设备是100%空气致冷的。与ESR几乎不需要空气交换。只有到舰员使用EME或岸上操作员维修时才需要进行空气交换更新氧气水平。

即使是铝制的EME也很重,见表2。结果,在每一个EME冲击安装底座下面的甲板必须有一个局部的结构支撑。EME底座和船舶结构设计需要对每一个EME进行特殊的加强,因为每一个EME有不同的、集中的最大设计重量。结构和噪声要求驱使底座设计(就是说,NVR要求设备基座的硬度必须是隔离安装底座的硬度的十倍)。

表2 EME尺寸及重量限制(不要超过)

舰船建造方法因船厂而异(如起重机起吊能力),将EME插入到舰船的不同结构区方法也不同。DDG1000被设计在外部下面的四个角垂直吊装的EME,使用可拆除的吊环附着在起重机的绳带或缆绳上(一般需要更宽的条带)。由于尺寸(见表2),EME一般是“蓝色天空”式安装集成到舰船,即在头顶甲板区建造前,将EME降到舰船架桥区。有些情况下,在船舱壁封闭以前,EME被用滚轮滚到某个区域的开放边。因此,EME安装基座设计成可移动(用螺栓拴到甲板上)以便于EME安装。

4 结语

截至到2010年4月,DDG1000的大部分EME已经由Gichner公司建造、由雷神公司适装完成,有几个已经安装在舰上。其中一个全尺寸小型EME(目标为DDG1001)的冲击测试计划于2010年中期进行,将用于对已设计和建造的EME的最后验证。EME框架开发的总费用一直比最初估计的要多,设计和建造EME也遇到了很多预计到的困难,特别是首舰。但仍然相信通过坚持这个革命性的集成作战系统电子设备到海军舰船设计中的方法、通过确保在建造时采用最新成熟的COTS电子产品和将来快速更新技术的能力(因而确保了DDG1000规划的整个35年服役期间,提供最新的作战系统技术),整个项目将大大节约费用。该项目的成功应该为作战系统电子产品集成到将来几十年美国海军主力作战舰艇中铺平道路。

[1]Ronald O’Rourke.Navy DDG-1000 and DDG-51 Destroyer Programs: Background,Oversight Issues,and Options for Congress[R].2009:5-10.

[2]董晓明,等.美海军DDG—1000全舰计算环境体系结构探析[J].中国舰船研究,2012,7(6):7-14.

[3]张义勇,等.美国新一代多用途驱逐舰DDG—1000工程控制系统分析[J],舰海工程,2013,42(4):88-94.

[4]Jean Hobgood,et al.System Architecture for Anti-Ship Ballistic Missile Defense(ASBMD)[D].Naval Postgraduate School,2009:1-10.

[5]Tim Anderson,et al.Providing Open Architecture High Availability Solutions[R].HA Forum,2001:1-15.

[6]Ronald O’Rourke.Navy Aegis Ballistic Missile Defense(BMD)Program: Background and Issues for Congress[R].2011:3-9.

[7]Daniel P.Taylor,21stCentury Warship[J].Seapower,2011(12):16-17.

[8]Daniel P.Taylor,Ruling the Littoral[J].Seapower,2011(12):12-14.

[9]武获山,等,美国海军向数字化军队全速前进[J].当代海军,2012(5):42-43.

[10]谷荣亮,马红霞.美军新型驱逐舰DDG一1000未被大批量采购的原冈分析[J].国防科技,2012,273(2):14-16.

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,硕士,工程师,研究方向:作战系统,电子信息系统。

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