VPX-Chassis sind robuste Gehäuse für eingebettete Computersysteme, die für den Einsatz von Hochleistungsmodulen in den Bereichen Rechenleistung, Vernetzung, Speicherung, HF-Technik und Signalverarbeitung auf Plattformen der Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrt entwickelt wurden. Diese auf VPX- und OpenVPX-Architekturen basierenden Systeme unterstützen Missionscomputer, Radar, elektronische Kriegsführung, SIGINT, C4ISR, autonome Systeme sowie weitere Anwendungen, die eine schnelle Datenübertragung und einen zuverlässigen Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen erfordern.
Auf dieser Seite werden Hersteller von VPX-Chassis vorgestellt, die 3U- und 6U-Systeme, robuste VPX-Gehäuse, VPX-Entwicklungschassis sowie Hochgeschwindigkeits-Backplane-Lösungen anbieten.
Lesen Sie den Technologieübersicht
Robuste Elektronikgehäuse, Backplanes und vollständige Systemintegration für Verteidigungs- und Luftfahrtanwendungen
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Ein VPX-Chassis ist die mechanische, elektrische, thermische und stromversorgungstechnische Infrastruktur, die VPX-Steckmodule in einem robusten eingebetteten Computersystem beherbergt. Es bildet den physikalischen und strukturellen Rahmen, der es ermöglicht, dass Prozessorkarten, Netzwerk-Switches, Speichermodule, FPGA-Beschleuniger, HF-Schnittstellen und andere Nutzlastkarten als einheitliches Missionssystem zusammenarbeiten.
Militärische Plattformen sind zunehmend auf die Echtzeitverarbeitung von Daten aus den Bereichen Sensorik, Kommunikation, Navigation, elektronische Kriegsführung (EW) und Missionsmanagement angewiesen. Moderne Missionscomputer, Sensorfusionssysteme und C4ISR-Architekturen erfordern Verarbeitungsinfrastrukturen, die in der Lage sind, massive Datenströme zu verarbeiten und dabei eine deterministische Leistung sowie hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Ein robustes VPX-Gehäuse bietet die physikalische und elektrische Umgebung, die erforderlich ist, um diese anspruchsvollen Arbeitslasten auf Land-, Luft-, See-, Weltraum- und unbemannten Plattformen aufrechtzuerhalten, und stellt Funktionen wie Stromverteilung, Management intensiver thermischer Belastungen, serielle Hochgeschwindigkeitskommunikation sowie den Schutz empfindlicher Elektronik vor extremen Umgebungsbelastungen bereit.
ATR-Chassis der Serie 716 in den Ausführungen 3U und 6U von Atrenne.
OpenVPX wurde entwickelt, um VPX-Implementierungen zu standardisieren und die anfänglichen Herausforderungen bei der Interoperabilität zwischen verschiedenen Anbietern zu lösen. Es definiert spezifische Steckplatzprofile, Modulprofile, Backplane-Topologien und Entwicklungskonfigurationen, die eine vorhersehbare Systemintegration gewährleisten. Durch die Reduzierung von Unklarheiten bei Pinbelegungen und Protokollen ermöglicht OpenVPX Verteidigungsintegratoren, handelsübliche Standardkomponenten (COTS) verschiedener Anbieter zu kombinieren und dabei das Integrationsrisiko drastisch zu minimieren.
Die Weiterentwicklung des Ökosystems wird von den Arbeitsgruppen der VITA (VMEbus International Trade Association) vorangetrieben, die kontinuierlich Standards veröffentlichen, um mit der kommerziellen Technologie Schritt zu halten:
Offene Architekturen sind mittlerweile in allen wichtigen westlichen Beschaffungsstrategien im Verteidigungsbereich zwingend vorgeschrieben. Ähnlich wie OpenVPX, SOSA (Sensor Open Systems Architecture), FACE und CMOSS die modularen Software- und Hardware-Frameworks definieren, ermöglicht die zugrunde liegende physische Infrastruktur eine langfristige Aufrüstbarkeit und herstellerübergreifende Interoperabilität in der Praxis.
Kartenkäfig
Präzisionsgefertigte Aluminiumrahmen, die mechanischen Halt, Ausrichtung und sicheren Halt für Module mittels hochbelastbarer Keilverriegelungen gewährleisten.
VPX-Backplane
Die mehrschichtige Leiterplatte (PCB), die als physikalisches und elektrisches Rückgrat für die Hochgeschwindigkeitskommunikation dient.
Stromverteilung
Hochbelastbare Sammelschienen oder Stromversorgungs-Backplanes, die aufbereiteten, reinen Strom an alle installierten Module leiten.
Kühlinfrastruktur
Lüfter, Wärmetauscher oder Flüssigkeitskühlplatten, die darauf ausgelegt sind, Wärmeenergie von Hochleistungskomponenten abzuleiten.
Chassis-Management-Funktionen
Spezielle Hardware, die den Systemzustand, die Stromschienen, die Temperaturen und Fehlerzustände überwacht.
Die Leistungsfähigkeit von VPX-Chassis reicht von kleinen, taktischen 3-Slot-Gehäusen, die auf unbemannten Plattformen eingesetzt werden, bis hin zu massiven, rackmontierten Systemen mit mehr als 20 Slots, die in Kommandozentralen von Überwasserschiffen zum Einsatz kommen. Innerhalb dieser Konfigurationen sind die Systeme in Nutzlast-Steckplätze für Verarbeitung und Speicherung sowie in Switch-Steckplätze unterteilt, die das zentralisierte Netzwerk-Routing und die Aggregation der Datenebene übernehmen. Dieser modulare Aufbau ermöglicht es Integratoren, Systeme problemlos zukunftssicher zu gestalten, indem sie leere Steckplätze für zukünftige Funktionen freihalten.
Die Wahl zwischen den Formfaktoren ist in erster Linie ein Kompromiss zwischen SWaP-Einschränkungen und der reinen Rechendichte:
Der Einsatz im Verteidigungsbereich setzt die Hardware unglaublichen physikalischen Belastungen aus. Um strukturelle Ausfälle oder Signalverschlechterungen zu verhindern, muss ein VPX-Gehäuse eine extreme Stoß- und Vibrationsfestigkeit aufweisen, wobei häufig robuste Strukturen aus gefrästem Aluminium und Isolationshalterungen zum Einsatz kommen, um Fahrzeugstöße, Waffenfeuer und intensive Flugprofile zu bewältigen.
Darüber hinaus müssen Hochgeschwindigkeitssteckverbinder unter diesen Bedingungen eine mikroskopische Signalausrichtung gewährleisten. Auch die Wartbarkeit ist von entscheidender Bedeutung; die Mechanik des Chassis muss einen schnellen Einsatz vor Ort sowie zweistufige Wartungskonzepte unterstützen, sodass Techniker Module schnell und ohne Spezialwerkzeug austauschen können.
Moderne Halbleiter entwickeln außerordentlich hohe Temperaturen. Da fortschrittliche Multi-Core-CPUs, High-End-FPGAs und stromhungrige GPUs auf engstem Raum untergebracht sind, stellt die thermische Leistung oft den Hauptengpass dar, der die Rechenleistung am taktischen Randbereich einschränkt.
Luftgekühlte Systeme basieren auf erzwungener Luftzirkulation, bei der Luft direkt über die Oberfläche der Steckmodule geblasen wird. Sie sind zwar kostengünstig, einfach zu konstruieren und für die Entwicklung im Labormaßstab hocheffizient, eignen sich jedoch schlecht für staubige, feuchte oder korrosive Umgebungen, da die Umgebungsluft in direkten Kontakt mit den internen Schaltkreisen kommt. Luftgekühlte Systeme sind in der Regel auf klimatisierte Kommandocontainer, ortsfeste Bodeninstallationen oder Laborumgebungen beschränkt.
In rauen militärischen Umgebungen gilt die Wärmeleitungskühlung als Goldstandard. Die interne Elektronik ist vollständig gegen äußere Verunreinigungen wie Salznebel, Sand und Feuchtigkeit abgedichtet. Die von den Chips erzeugte Wärme wandert durch lokale Metallleitplatten auf der Karte, gelangt in massive Aluminium-Keilverriegelungen und wird direkt an die Rahmenwände des Chassis abgeleitet. Von dort wird die Wärme abgestrahlt oder über externe Kühlrippen des Gehäuses abgeleitet. Diese Methode ist die erste Wahl für Kettenkampffahrzeuge, Avionikräume in Düsenflugzeugen und taktische unbemannte Systeme.
Wenn die Rechenanforderungen die Wärmeableitung über die Grenzen der Metallwärmeleitung hinaus treiben, kommt die Flüssigkeitskühlung zum Einsatz. Diese Systeme verfügen über interne Flüssigkeitskühlplatten oder Kühlkanäle, die direkt durch die Gehäusewände oder die Backplane-Infrastruktur verlaufen. Durch die Zirkulation spezieller Kühlmittel oder Polyalphaolefin (PAO)-Öle können flüssigkeitsgekühlte Lösungen extreme thermische Belastungen durch gestapelte GPU- oder HF-Arrays bewältigen. Sie werden üblicherweise in Überwasserschiffe der Marine, U-Boot-Kampfsysteme und schwere ISR-Plattformen mit starren Tragflächen integriert, bei denen bereits plattformweite Flüssigkeitskreisläufe vorhanden sind.
RMC3-160 3U-VPX-Gehäuse von LCR Embedded Systems.
Die gemäß VITA 48.7 spezifizierte Air-Flow-Through-Kühlung bietet einen intelligenten Hybridansatz. Bei AFT werden die empfindlichen Leiterplatten in einem versiegelten Schutzgehäuse isoliert, während robuste Kühlluft direkt durch einen internen Wärmetauscher geleitet wird, der direkt in den mechanischen Rahmen des Moduls integriert ist. Dadurch können Systeme die Gewichtsvorteile der Luftkühlung nutzen, ohne kritische elektronische Komponenten äußeren Verunreinigungen oder Feuchtigkeit auszusetzen.
Die Gewährleistung einer stabilen, sauberen Stromversorgung unter extremen Betriebsschwankungen ist entscheidend für den Erfolg einer Mission. VPX-Chassis-Lösungen nutzen robuste Stromwandlerstufen, um die Plattformspannungen auf die von den OpenVPX- und SOSA-Standards vorgeschriebenen Standard-Systemspannungen von +12 V und +5 V herunterzuregeln.
Bei kritischen Anwendungen wie Flugsteuerung, Waffenzielerfassung und Missionscomputern müssen Systemausfälle vollständig vermieden werden. Hochverfügbarkeitsgehäuse integrieren zwei im N+1-Betrieb arbeitende, im laufenden Betrieb austauschbare Netzteile, parallele Dual-Star-Verwaltungsbusse sowie redundante Netzwerk-Switch-Steckplätze. Falls eine Stromschiene ausfällt oder ein Switch-Steckplatz offline geht, schaltet das System innerhalb von Millisekunden automatisch auf die Backup-Leitung um, ohne den Missionsbetrieb zu unterbrechen.
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