Sfide e soluzioni nel settore industriale

Nonostante i notevoli cambiamenti subiti negli ultimi anni, il settore aerospaziale e difesa continua a essere un ambito tecnologico avanzato, di importanza nazionale per la sicurezza e, allo stesso tempo, utile a mantenere e a sviluppare competenze e capacità industriale. In questo articolo analizzeremo le sfide tecniche, le nuove idee e i progressi tecnologici che forniscono soluzioni in grado di soddisfare le particolari esigenze del mercato.

Evoluzione del settore della difesa

Secondo il SIPRI [1] le spese militari, rimaste stabili a livello mondiale dal 2012 al 2016, hanno mostrato una lieve crescita nel 2017, il che potrebbe suggerire la fine di un periodo di bilanci della difesa stabili o calanti. Gli appaltatori del settore difesa si sono adeguati a un mercato in evoluzione, in cui i governi allentano le loro politiche di approvvigionamento e aprono gare d’appalto a fornitori esteri. I Paesi in via di sviluppo sono sempre più alla ricerca di aziende che, in cambio di commissioni, siano disposte a investire nel loro territorio, a trasferire competenze e tecnologie e, talvolta, a considerare l’eventualità di condividere la proprietà intellettuale. La stretta sulle spese militari ha sottolineato l’importanza di ottenere il miglior rapporto qualità/prezzo e, insieme ai cambiamenti apportati alla filosofia di approvvigionamento, ha comportato un aumento della concorrenza. Gli operatori della difesa hanno risposto razionalizzando le attività e sviluppando allo stesso tempo modelli di business più mirati, mentre fusioni e acquisizioni sono state utilizzate per rafforzare le capacità e creare teste di ponte in nuove regioni.

Sfide tecniche

Parallelamente ai cambiamenti nel mercato, vi sono importanti sfide tecniche da affrontare, il passaggio dal campo di battaglia fisico a quello digitale porta al rapido sviluppo di nuovi sistemi. I cicli di sviluppo continuano a ridursi all’aumentare delle pressioni concorrenziali, mentre lo sviluppo finanziato dal governo ha ceduto il passo a iniziative di ricerca e sviluppo interne. Per adeguarsi alle nuove dinamiche del settore i sistemi devono essere modulari, scalabili e riconfigurabili, in modo da consentire il riutilizzo della tecnologia di base su diverse piattaforme.
Anche i sistemi ‘software defined’ sono diventati fondamentali per configurare in tempo reale sistemi che devono operare con apparecchiature esistenti e standard operativi regionali diversi, ed essere contemporaneamente in grado di supportare nuove forme d’onda nelle applicazioni di generazione futura. Tuttavia la flessibilità comporta una maggiore complessità in termini di sviluppo del prodotto, garanzia della qualità del progetto, conformità agli standard e qualifica del sistema.
Una maggiore dipendenza da sistemi automatizzati, guerra elettronica e comunicazioni sicure, solo per citare qualche esempio, richiedono una larghezza di banda più ampia, e impegnano lo spettro RF con un maggior numero di utenti e segnali. Questa situazione, a sua volta, crea la necessità di componenti RF e dell’intera catena del segnale con prestazioni più elevate.
La riduzione di dimensioni, peso e potenza (SWaP - Size, Weight and Power) è ormai diventata una parte essenziale di qualsiasi programma di sviluppo. Sempre più spesso compare anche un altro fattore, ossia il costo (SWaP+C - Size, Weight, Power and Cost), che rispecchia l’esigenza di realizzare un sistema dal valore concorrenziale. A questo punto vale la pena di fornire qualche chiarimento in merito al concetto di ‘costo’: non si tratta tanto del prezzo dei singoli componenti, quanto del costo della soluzione nell’arco dell’intera vita operativa del sistema. Ecco quindi che acquisiscono maggior peso nell’equazione elementi su cui influiscono decisioni prese in fase di progettazione, come affidabilità, continuità delle forniture, manutenzione e assistenza continua, e longevità della soluzione.
Queste sfide richiedono profonde revisioni del processo di progettazione e sviluppo: non è più possibile procedere come si è sempre fatto in passato. Secondo Analog Devices la soluzione è scegliere con attenzione la nuova tecnologia, utilizzare architetture di sistema innovative e studiare approcci nuovi in tema di ripartizione e raggruppamento delle funzioni di sistema in modo da ottimizzare le prestazioni.

La tecnologia fornisce le soluzioni

Esaminiamo un esempio: i sistemi radar phased-array sono utilizzati da decenni dalle forze armate nelle applicazioni high-end, ma costano troppo per essere adottati su larga scala, dove normalmente vengono usati radar a scansione meccanica (per esempio negli aeroporti). Le migliori prestazioni dei fasci a orientamento elettronico consentono di tracciare oggetti diversi con maggiore flessibilità, su bande di frequenza più ampie e con un’affidabilità di sistema superiore, grazie alle centinaia, se non migliaia di elementi che operano in parallelo.
Analog Devices è riuscita a ridurre il costo delle soluzioni per radar phased-array combinando una vasta offerta di processi tecnologici per semiconduttori, progettisti di circuiti integrati e know-how in materia di radar con l’obiettivo di sviluppare soluzioni a livello di IC altamente integrate per il beamforming, la conversione dei dati ad alta velocità e dispositivi RF e a microonde, offrendo così soluzioni dall’antenna ai bit.
L’integrazione è importante perché i sistemi phased-array richiedono un’elettronica densamente popolata, in cui lo spazio fisico degli elementi dell’array dipende dalla lunghezza d’onda della frequenza operativa. Un sistema in banda X da 10 GHz richiede una spaziatura di 15 mm, mentre un sistema in banda Ka da 30 GHz ne richiede una da 5 mm. A questo livello l’utilizzo di ricetrasmettitori altamente integrati e soluzioni beamforming dedicate diventa determinante per il successo dell’implementazione fisica. Inoltre un sistema costituito da migliaia di elementi ha livelli di consumo molto elevati, pertanto occorre una gestione dell’alimentazione particolarmente efficiente per evitare che le temperature d’esercizio elevate possano influire sull’affidabilità del sistema.
Un altro esempio è rappresentato da droni e munizioni intelligenti che presentano molti limiti fisici e comprendono sistemi complessi di rilevamento, orientamento e controllo, alloggiati in contenitori dalla forma irregolare e, in alcuni casi, in condizioni ambientali molto difficili. I tradizionali approcci ai fattori SWaP non risolvono il problema dei limiti fisici, ma la soluzione può essere un dispositivo di tipo SIP (System In Package). Si tratta di una soluzione completa, che combina diverse tecnologie e più componenti a livello di die, il tutto integrato in un unico package, che beneficia dell’esperienza necessaria a realizzare, qualificare e fornire una soluzione che duri a lungo.

‘Make Or Buy’

La complessità dei sistemi descritti in precedenza (e di molti altri) richiede anni-uomo di lavoro di sviluppo e notevoli investimenti in tecnologia e apparecchiature. Le imprese del settore difesa, insieme ad aziende di altri mercati, mirano a trovano il giusto equilibrio tra sviluppo interno e acquisto di soluzioni di terze parti. Per stabilire il tipo di lavoro di progettazione da intraprendere occorre considerare diversi fattori, tra cui time-to-market, rischi, investimenti iniziali e molti altri ancora.
Le decisioni ‘make or buy’ sono fondamentali per determinare il successo di un programma. Gli aspetti di cui tenere conto sono numerosi, ad esempio dove risiede la proprietà intellettuale principale, in cosa consiste il lavoro a valore aggiunto e quali sono le competenze base che contraddistinguono davvero il prodotto finale. A ciò si aggiungono le disposizioni in materia di sicurezza nazionale dei governi e/o l’impatto organizzativo di tali decisioni e il fatto che l’aumento del livello di integrazione rende più difficile prendere decisioni di tipo ‘make or buy’.
In alcuni ambiti (es. potenza e RF) sono stati utilizzati moduli di piccole dimensioni (fig. 1) per accelerare il lavoro di sviluppo, ridurre i rischi e migliorare le prestazioni dei circuiti. Una catena di segnali più complessa (fig. 2) e moduli di interfaccia si aggiungono a un numero crescente di moduli a livello di componente che forniscono soluzioni economiche con un’affidabilità da circuito integrato.
Analog Devices offre una vasta gamma di soluzioni, tra cui IC singoli altamente integrati (fig. 3), moduli piccoli, SIP più complessi, moduli connettorizzati (fig. 4), schede per computer e implementazioni LRU (Line Replaceable Unit).

Figura 1: LTM4622A, doppio regolatore µModule DC/DC step-down da 20 Vin e 2A, in package BGA/LGA da 6,25 mm x 6,25 mm

 

Figura 2: Sistema di acquisizione dati µModule a 16 bit 1MSPS ADAQ7980, package LGA da 5 mm x 4 mm

 

Figura 3: Ricetrasmettitore RF doppio integrato da 300 MHz a 6 GHz AD9371 in BGA 196

 

Figura 4: Amplificatore GaN da 25 W 2-6 GHz HMC7748 in modulo connettorizzato da 95 mm x 80 mm

Il settore aerospaziale e della difesa, che resta quello a più forte orientamento tecnologico, si è adeguato a un mercato nuovo più commerciale, caratterizzato da cicli di sviluppo più brevi e una maggiore concorrenza. In futuro sarà di fondamentale importanza adottare nuove tecnologie, comprendere i sistemi e disporre di know-how in materia di semiconduttori, tutte risorse da combinare per realizzare nuove soluzioni.

Riferimenti

[1] SIPRI - Stockholm International Peace Research Institute, Fact Sheet “Trends in World Military Expenditure 2017https://www.sipri.org/sites/default/files/2018-04/sipri_fs_1805_milex_2017.pdf

 

A cura di Steve Munns, Aerospace & Defense Marketing Analog Devices, Inc.

 

Scrivi un commento

EOS-Academy
Abbonati ora!