Les racks compacts et modulaires, futur de l’avionique embarquée

04/10/2018
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23545
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Les racks compacts et modulaires, futur de l’avionique embarquée

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Les racks compacts et modulaires, futur de l’avionique embarquée La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 12 Les racks compacts et modulaires, futur de l’avionique embarquée BASTIEN PUERTOLAS Ingénieur responsable technique innovation chez Latécoère 1. Introduction Les architectures et infrastructures avioniques des avions actuels ne permettront pas d’accueillir de manière optimale les technologies répondant aux futurs besoins : connectivité généralisée, allègement du poids et sécurité renforcée. Jusqu’à présent, les évolutions connues sont le déploiement de l’avionique modulaire intégrée (IMA), par exemple sur les Airbus A380 et A350, et l’étape suivante sera l’évolution vers la 2ème génération (IMA2G) ouvrant l’avionique à d’autres domaines tels que les services pour le personnel à bord ou les terminaux des passagers. Cette évolution est associée à une rupture de l’architecture centralisée et ses traditionnelles baies avioniques massives en pointe avant de l’avion, pour aller vers une architecture de plus en plus distribuée associée à des racks de nouvelle génération localisés dans différentes zones de l’avion. Figure 1 : Evolution des architectures et infrastructures avioniques 2. Travaux de recherche Au sein du projet CORAC-AME, Latécoère a été responsable des études pour la définition et la réalisation des racks avioniques et les boitiers des modules associés. Ces modules, nommés blades, sont prévus pour intégrer les différentes ressources respectivement développées par chaque équipementiers, lesquelles fournissent les fonctions spécifiques à l’IMA et IMA2G (blade d’alimentation, calcul, switch réseau, etc.). L’objectif de Latécoère a été de développer une solution permettant de s’installer dans différentes configurations : emplacement dans l’avion et différents types d’avion ; et compatible avec les requis et contraintes imposées par les modules. Les éléments dimensionnants pris en compte dès les premières étapes du projet étaient : • La thermique et la mécanique, pour assurer le bon refroidissement et maintien des modules dans l’environnement de l’avion, • la connectique, pour retenir la solution technologique qui permettra d’optimiser la communauté entre les différents formats de modules et réduire les coûts sur l’ensemble des différents aéronefs équipés, tout en offrant suffisamment de capacité à évoluer avec les technologies actuelles et à venir, notamment les liaisons optiques. Un effort particulier a été porté sur la recherche de solutions permettant d’adapter le rack aux différents besoins, et ce, sans impact notable sur la masse ou le coût du produit final. Les solutions les plus modulaires imposent des interfaces nombreuses et tendent à rendre le produit complexe. Ainsi, Latécoère a imaginé un rack réduisant le plus possible le nombre et la complexité des interfaces, aussi bien dans le domaine de sa construction mécanique, que sur son système d’interconnexion électrique et principe de refroidissement. Une équipe pluridisciplinaire : Les services Innovation des branches Aérostructures et Systèmes d’Interconnexion de Latécoère ont travaillé conjointement et démontré leur complémentarité, depuis la définition jusqu’à la fabrication des racks de nouvelle génération. De nombreux métiers et profils se sont impliqués : ingénieurs, techniciens, dessinateurs, calculateurs, experts électronique ou matériaux, architectes produit, etc. Le Conseil pour la Recherche Aéronautique Civile (CORAC) regroupe, sous l'impulsion de la DGAC et du GIFAS, l’ensemble des acteurs français du secteur du transport aérien. Il a pour objectif la mise en cohérence des efforts de recherche et d’innovation dans le domaine aéronautique, notamment pour la préservation de l’environnement et le développement durable. C’est dans ce contexte qu’une plateforme de travail a été définie pour développer les technologies liées à l’avionique modulaire étendue (AME) : CORAC-AME. Les axes d’études sont liés au développement de nouveaux réseaux de calculateurs embarqués, permettant des communications haut débit et protégées contre les attaques informatiques du bord comme du sol. Les gains estimés sont une réduction de 50% du volume et de 30% de la masse des équipements et calculateurs, dont pourront bénéficier les avions de demain (horizon 2025). À l’issue de travaux menés avec les avionneurs et équipementiers partenaires du projet CORAC-AME, une nouvelle génération de rack compact et modulaire a été présentée par Latécoère. Avions actuels Avions de demain AME-CORAC Avions du futur IDEE5 Héritage Technologies Les racks compacts et modulaires, futur de l’avionique embarquée La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 13 Les travaux menés ont permis de développer une infrastructure nouvelle dont les points clefs sont : • Capacité d’installation dans différents types d’avions et environnements • Format des modules compatible 6U et assimilés, largeur adaptable • Liaisons électriques et optiques, directement du câblage de l’avion sur l’arrière des modules • Modules remplaçables sans toucher au câblage avion • Liaisons indirectes entre modules du rack par l’intermédiaire d’un backplane : carte fond de panier • Mécanique de remplacement et verrouillage des modules sans outils, rapide et sûr • Face avant des modules 100% disponible pour ajout de fonctions ou connecteurs (liaisons pour maintenance, modules mémoire extractible, affichage et indicateurs…) • Solutions de refroidissement sur circuit d’air avion ou autonome par ventilateurs avec système de secours • Capacité d’évolution pour refroidissement par paroi froide ou flux liquide • Fabrication simple et à bas coût des boitiers de modules 3. Résultats A l’issue du projet de recherche, des démonstrateurs physiques ont été réalisés. Ces démonstrateurs sont représentatifs des futurs produits tels que nous pourrions les voir sur avion. Les démonstrateurs réalisés intègrent douze modules. La structure du rack étant totalement modulable, le nombre de modules peut être ajusté en fonction des besoins avionneurs : par exemple de 6 à 24. Figure 2 : Démonstrateur physique de rack Architecture mécanique Les démonstrateurs ont été conçus afin de pouvoir s’adapter sur tout type d’avion. Ils présentent une base commune à tous les porteurs, la structure « cabinet », et des éléments optionnels en fonction de la configuration avion souhaitée : le module de ventilation et son diffuseur, la structure d’accueil et ses moyens de fixation à l’avion. Le rack est équipé de la façon suivante : Figure 3 : Architecture mécanique Modules électroniques Les modules s’installent dans des emplacements dédiés, et peuvent supporter différentes fonctions telles que des alimentations, processeurs, switch réseau, etc. Latécoère fournit l’infrastructure de ces fonctions en proposant un boitier permettant l’intégration des composants électroniques. Ce boitier a été pensé pour être compatible des besoins actuels et futurs : • Module au format non propriétaire, interfaces et spécifications partagées. • Boitier pour accueil de circuit imprimé au format « 6U+ » : • Carte 6U : 233.35 x 160mm, hauteur pour composants : 21,6mm • Jusqu’à +50 mm d’extension en face avant du module • Connectique directe vers harnais : modulaire et haute densité • Liaison fond de panier par contacts à ressort : backplane léger sans connecteurs • Boitier simplifié sans mécanisme d’insertion, extraction ou verrouillage • Semelle de calibration pour ventilation • Face avant 100% personnalisable Figure 4 : Modules génériques CORAC-AME Maintenance La maintenance opérationnelle est un facteur clé, et le rack Latécoère a été conçu de façon à optimiser les interventions en termes de coût délai et sécurité. Ainsi, un système d’insertion / extraction des modules est intégré au rack : Manipulation : Manipulation à 1 main, Faible effort et rapide et Sans outils Verrouillage : Auto-verrouillant, Déverrouillage manuel et Contrôle visuel rapide Simplicité : Conception des modules simple et Réalisation d’un châssis allégé et simplifié Les racks compacts et modulaires, futur de l’avionique embarquée La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 14 Figure 5 : Système d’insertion / extraction et verrouillage ergonomique du rack CORAC-AME Interconnexion Les liaisons électriques et communications internes et externes au rack sont réalisées de la manière suivante : Un backplane (circuit imprimé multicouche en fond de panier), assure les liaisons inter-modules au sein du rack. Il permet de véhiculer sur un même support différents types de liaisons : Discrets, Haute vitesse, Puissance. Les liaisons externes sont assurées par de la connectique très haute densité, montée à l’arrière du rack, permettant l’interface électrique et optique avec le câblage de l’avion. Figure 6 : Vue interne du rack, muni d’un backplane en partie haute, et connecteurs dédiés à chaque module. Refroidissement Le système de ventilation assure le refroidissement des modules. Il peut à la fois être compatible du système de ventilation avion existant, ou bien autonome lorsque l’avion ne dispose pas d’un tel système. Dans le cas d’un montage dans une baie avionique, le rack est compatible avec le système de refroidissement avion existant : • Air frais soufflé par étagère inférieure • Air chaud évacué par étagère supérieure • Installation possible avec équipements voisins de chaque côté • Réalisation démonstrateur : dissipation 600 W (50W par module) • Répartition homogène de la ventilation entre les modules Figure 7 : Installation et simulation. Dans le cas d’une installation sans accès au circuit de refroidissement avion (ATA21), le système de ventilation est autonome. Le démonstrateur disposant d’un module de refroidissement associant des ventilateurs en série, cette solution est compatible de la perte d’un ventilateur avec les avantages suivants : • Pas de clapet anti-retour, plus de phénomène de back-flow en cas de panne de ventilateurs en parallèle. • Pas de perturbation sur la répartition du flux entre modules, l’écoulement n’est pas déséquilibré par la perte d’un ventilateur gauche ou droit par exemple dans le cas de ventilateurs en parallèle. • Pilotage PWM des ventilateurs, avec mesure du régime en temps réel : baisse du bruit et consommation, capacité de future gestion thermique dynamique selon les modes de fonctionnement des modules. Pour diffuser le flux d’air de manière homogène entre chaque module du rack, nous avons conçu un plenum compact et léger. S’agissant d’une pièce guidant le flux d’air sous le rack, nous avons démontré 2 possibilités : • en ULTEM (procédé ALM), permettant la réalisation de la pièce idéale d’un point de vue fluidique et maitrise de la masse. • en polycarbonate (par thermoformage), permettant la réalisation de la pièce optimisée pour une production en série et à faible coût récurrent. La modularité du système est réalisée par l’apport d’un bloc de ventilation optimisé selon les besoins de chaque configuration : le bloc est interchangeable sans outil afin de permettre une maintenance simple et rapide (plus besoin d’intervention délicate dans l’avion pour remplacer régulièrement chaque ventilateur et filtre, les blocs de ventilation sont reconditionnés en atelier) Figure 8 : Bloc interchangeable 4. Conclusion et perspectives Les racks compacts et modulaires, futur de l’avionique embarquée La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 15 Le futur de l’avionique embarquée doit être supporté par une nouvelle génération de racks répondant aux besoins des avionneurs en termes de coûts, de modularité et de performance. C’est pourquoi les racks avionique Latécoère de nouvelle génération ont été conçus pour répondre à ces besoins, en apportant une solution compacte et modulable présentant une plateforme commune à tous les porteurs (short range, long range, régional, business jet et hélicoptères). La communication inter modules des racks Latécoère permet un brassage des données de façon à mixer sur une même plateforme les courants forts et les courants faibles (signaux discrets, puissance et haute vitesse) et bénéficie d’une connectique haute densité pour répondre aux besoins croissants des avionneurs en termes de fonctions (calcul, I/O…). La maintenance opérationnelle est également un facteur clé dans la conception de ces racks. Ainsi les racks Latécoère sont dotés d’une fonction d’insertion et d’extraction des modules de calcul qui ne nécessitent aucun outil et permettent ainsi une maintenance simplifiée. Les futures générations de racks pourront être installées directement sur la structure primaire des aéronefs, permettant un gain de masse considérable en supprimant toute sous-structure dédiée. 5. Remerciements Le groupe Latécoère remercie ses partenaires Airbus, Dassault Aviation, Radiall, Safran et Thales, qui ont collaboré à la plateforme de travail avionique modulaire étendue, soutenus dans leur démarche par le CORAC, le GIFAS, la DGA et la DGAC.