L’influenza del settore dell’Aerospazio e della Difesa sul mondo moderno

Mentre i conflitti su larga scala possono spesso generare importanti svolte dal punto di vista tecnologico, anche la ricerca della pace può essere uno stimolo per l'innovazione. Questa dicotomia ha implicazioni di vasta portata che contribuiscono a plasmare il mondo moderno.

Introduzione

Sono numerosi i parallelismi tra i settori dell'elettronica commerciale e quello dell'elettronica ad alta affidabilità (high-rel) e ciascuno di essi ha contribuito allo sviluppo dell'altro mediante un mutuo scambio di idee e concetti (cross-fertilization). Il concetto di COTS (Commercial-Off-The-Shelf), ad esempio, è stato adottato da parecchi decenni nel settore della Difesa, mentre la metodologia di progetto basata su architetture aperte, che con tutta probabilità ha avuto inizio nel settore Hi-Rel, è ora ampiamente diffuso nell'industria IT. L'esistenza degli standard è dovuta al fatto che le industrie di grandi dimensioni, come quelle che operano nel settore dell'aerospazio e della difesa, devono far ricorso a un numero molto grande di fornitori, che devono poter cooperare senza per questo rinunciare all'aspetto competitivo. L'industria dell'Aerospazio e della Difesa (A&D) non solo trae notevoli vantaggi dall'innovazione tecnologica, ma contribuisce anche a diffonderne i frutti nell'industria elettronica nel suo complesso. Le dimensioni del mercato della Difesa rappresentano senza dubbio uno stimolo per gli investimenti e ciò spesso influenza la direzione in cui si muovono altri mercati, mentre tendenze come Internet of Things (IoT) esercitano un'influenza sulle modalità di sviluppo dell'industria della Difesa. A causa di questa simbiosi, parecchie tecnologie sviluppate principalmente per uno specifico mercato troveranno applicazioni in altri settori: ciò contribuisce ad attenuare i rischi legati agli ingenti investimenti nelle attività di Ricerca & Sviluppo che i produttori di semiconduttori devono sostenere. Come accade in qualunque altro settore industriale, anche quello Aerospaziale e della Difesa deve bilanciare efficacia con efficienza e le più recenti evoluzioni trovano qui una pratica applicazione. Sotto certi aspetti, il settore A&D è all'avanguardia per quel che concerne l'utilizzo delle più recenti tecnologie: la realtà aumentata (AR - Augmented Reality) e la realtà virtuale (VR- Virtual Reality), ad esempio, aiutano a integrare l'esperienza richiesta nel momento e nel posto giusti. Un esempio contribuirà a chiarire questo concetto. Mediante la realtà aumentata, ad esempio, le mani di un soldato impegnato sul campo possono essere "dirette" da un soldato con maggiore esperienza (che nel mondo connesso di oggi può essere dislocato dovunque). In questo modo non solo è possibile fare affidamento su una  maggiore esperienza utile in situazioni critiche, ma anche ridurre il livello di dipendenza da un nucleo ridotto di soldati esperti. Lo stesso concetto è applicabile nel settore medico, dove un dottore esperto in una particolare procedura può aiutare un collega senza dover essere necessariamente  presente nella medesima sala operatoria.

Prodotti

Come accade nel settore commerciale, quello dell'Aerospazio e della Difesa sta valutando con attenzione le potenzialità della tecnologia indossabile e sul suo possibile utilizzo per il monitoraggio dello stato di salute delle forze schierate in campo. Nuove soluzioni indossabili (in particolar le soluzioni cosiddette hearable in quando sono indossate sull'orecchio) sono in grado di fornire un accesso su base continuativa ai parametri vitali come ad esempio la temperatura corporea e la frequenza cardiaca, oltre a consentire di tracciare e localizzare un determinato soldato. Ciò è possibile grazie allo sviluppo di prodotti come l'AFE4410 di Texas Instruments - un front-end analogico espressamente progettato per i dispositivi indossabili. Questo AFE è in grado di espletare numerose funzioni compreso il monitoraggio continuo della frequenza cardiaca e del consumo di ossigeno attraverso il rilevamento dei parametri biologici di tipo ottico. Per questo motivo AFE4410 utilizza LED e fotodiodi ed è in grado di pilotare fino a 3 LED ottimizzati per il rilevamento dei parametri biologici. Lo schema a blocchi riportato in figura 1 evidenzia i principali blocchi funzionali: un amplificatore a transimpedenza, un convertitore A/D, una memoria FIFO di profondità pari a 128 campioni, circuito di pilotaggio (driver) per LED programmabile e interfaccia I2C/SPI. Caratterizzata da un elevato grado di integrazione, questa soluzione AFE è ospitata in un package DSBGA con passo di 0,4mm di dimensioni pari a 2,6 x 2.1mm (figura 1).

 

Figura 1: Schema a blocchi funzionale dell'analog front-end AFE4410

 

Il posizionamento satellitare è spesso riportato come esempio di tecnologia sviluppata per applicazioni in campo militare che sta avendo una notevole influenza sulla vita quotidiana. I ricevitori, utilizzati in abbinamento con un software di mappatura, mettono a disposizione dei possessori di smartphone e dei conducenti di veicoli funzionalità di navigazione avanzate. Grazie alla presenza di un gran numero di sistemi satellitari che garantisce ridondanza e una copertura più estesa, la tecnologia dei ricevitori si è evoluta al punto da consentire lo sviluppo di un gran numero di applicazioni, dal tracciamento degli asset alla navigazione personale al geotagging (ovvero l'aggiunta di metadati informativi a fotografie, video, siti Web, ecc.). MAX2769C di Maxim Integrated è un ricevitore GNSS (Global Navigation Satellite System) universale su chip singolo per le piattaforme satellitari GPS, Galileo, BeiDou e GLONASS. Esso integra una catena di ricezione completa in un package di dimensioni pari a 5 x 5mm (in modo da consentirne l'uso in qualsiasi tipo di applicazione), mentre il suo elevato livello di integrazione permette di ridurre il numero di componenti richiesti (BOM). Per la valutazione del dispositivo Maxim mette a disposizione MAX2769CEVKIT, un kit supportato dal relativo software di controllo che non richiede circuiti aggiuntivi.

Un'altra tendenza che ha un un significativo impatto sia nei settori Aerospaziale e della Difesa sia in quello consumer è rappresentata dagli UAV (Umanned Aerial Vehicles - aeromobili senza pilota), più conosciuti sotto il nome di droni. I più recenti sviluppi in questo comparto prevedono ad esempio un'autonomia sempre maggiore, grazie alla quale questi dispositivi potranno non solo stabilizzarsi in maniera automatica, ma anche stabilire i propri percorsi di volo. Questi droni possono essere impiegati per svolgere compiti di ricognizione e manutenzione in ambienti pericolosi o gravosi, oppure più semplicemente per ridurre lo sforzo umano richiesto. Un primo esempio è rappresentato da Outrider. Sviluppato da Lockheed Martin e annunciato ufficialmente al recente DSEI (Defence and Security Equipment International), questo piccolissimo UAV misura appena 10 cm  e pesa circa 1,7 kg. Esso può essere lanciato mediante un apposito contenitore cilindrico (canister) e viene utilizzato in tutte quelle situazioni in cui non è possibile ricorrere a UAV di maggiori dimensioni.

I droni in grado di volare in modo autonomo possono anche espletare funzioni di PA (Positional Awareness, ovvero di consapevolezza della posizione). Quindi, oltre alle coordinate GPS, vengono fornite informazioni relative all'inclinazione, all'altitudine, all'assetto, alla rotazione, alla velocità e all'altitudine. La misura di questi parametri è possibile grazie allo sviluppo di sensori molto accurati, solitamente realizzati utilizzando la tecnologia MEMS (Micro Electro-Mechanical System).

 

Figura 2: Schema a blocchi funzionale dell'unità di misura inerziale SCC2230-E02 di Murata

 

Caratterizzati da ridotte dimensioni e bassi consumi, i MEMS sono particolarmente adatti per l'uso in applicazioni quali dispositivi indossabili e droni autonomi (figura 2). L'integrazione di più sensori MEMS ha dato origine a una nuova classe di dispositivi denominati unità di misura inerziali (IMU - Inertial Measurement Unit). Molti di questi prodotti sono stati esplicitamente progettati per i sistemi di navigazione e di controllo, come ad esempio il mod. SCC2230-E02 di Murata, che abbina un accelerometro a tre assi con un sensore della velocità angolare sull'asse z (le principali funzioni di questo dispositivo sono riportate in figura 2). I sensori sono realizzati utilizzando la tecnologia MEMS-3D HAR (High Aspect Ratio) messa a punto da Murata. Il principio di funzionamento si basa sul rilevamento delle variazioni della capacità prodotte dalle masse in movimento che vengono acquisite ed elaborate dal circuito ASIC integrato per il condizionamento dei segnali. Tutte le funzioni sono accessibili attraverso l'interfaccia SPI.

Una tecnologia ampiamente utilizzata nel settore Aerospaziale e della Difesa che si sta rapidamente diffondendo in altri mercati è il radar. L'industria automobilistica, ad esempio, sta sfruttando i radar per l'implementazione dei sistemi ADAS (Advanced Driver Assistance System) che costituiranno senza dubbio un elemento essenziale per lo sviluppo dei futuri veicoli a guida autonoma. Questa tecnologia ha tutte le potenzialità per influenzare il futuro dei mercato degli UAS (Unmanned Aerial System) e dei droni.

L'accesso alla tecnologia che consente l'implementazione di radar è ora estremamente semplice grazie alla disponibilità di piattaforme di valutazione come ad esempio EV-RADAR-MMIC2 di Analog Devices. Questo kit è stato espressamente sviluppato per consentire ai progettisti di valutare le prestazioni del trasmettitore a 24 GHz ADF5901, del ricevitore a 24 GHz ADF5904 e del PLL a 13 GHz ADF4159, tutti componenti utilizzati nello sviluppo di sistemi radar FMWC (Frequency Modulated Continuous Wave, ovvero che utilizzano forme d'onda modulate in frequenza).

Conclusioni

Negli ultimi anni si è assistito a una costante erosione dell'invisibile barriera che separa le tecnologie destinate a settori verticali specifici. Le tecnologie una volta utilizzate per la difesa nazionale sono ora presenti in ogni abitazione: si pensi ad esempio ai software per la protezione dei virus o la cifratura dei dati. In modo del tutto analogo, la tecnologia utilizzata per registrare l'attività sportiva di una persona è ora usata per monitorare i parametri vitali di un soldato impiegato sul campo. Nel momento in cui queste tecnologie innovative diventeranno sempre più accessibili, è probabile che si affacceranno alla ribalta sempre nuove applicazioni che a loro volta incoraggeranno quella "cross-fertilization" che sarà l'elemento trainante delle future innovazioni.

A cura di, Mark Patrick, Mouser Electronics, Authorised Distributor, www.mouser.it

 

 

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