SPE und die Zukunft der Bordunterhaltung
Das Mini-ETH-Verbindungssystem bietet Größen-, Gewichts- und Leistungsvorteile für das Flugzeug-Ethernet
Die heutigen Passagiere und Besatzungen stellen immer höhere Anforderungen an die Bordunterhaltung, die Sicherheitsüberwachung und andere elektronische Geräte im Flugzeug. Infolgedessen stehen die Designer vor der Herausforderung, die Leistung zu steigern, den Platzbedarf zu verringern und die Standardisierung von Kabinennetzwerken zu verbessern. Flugzeugkonstruktuere können diese Herausforderungen jedoch nicht mit den aktuellen Ethernet-Standards für die physikalische Schicht bewältigen. Die Automobilwelt fand ihre Lösung im kürzlich eingeführten 100Base-T1 (IEEE 802.3bw) Standard für Single Pair Ethernet (SPE). Jetzt wurde dieser Standard in Kürze erscheinenden ARINC 854 Cabin Equipment Network Bus Standard referenziert, der bereits in den Mini-ETH-Produkten von TE Connectivity (TE) implementiert ist. Dank dieser Ethernet-Evolution kann die Mini-ETH SPE-Lösung dazu beitragen, den anspruchsvollen Anforderungen an Konnektivität und Größe, Gewicht und Stromverbrauch in den Flugzeugen von heute und morgen gerecht zu werden.
HERAUSFORDERUNGEN DER FLUGZEUGKONNEKTIVITÄT
Flugzeuge von heute tragen mehr Elektronik als je zuvor. Designer müssen Bildschirme, Sensoren, Datenhubs, Schalter, Solid State Drive (SSD)-Arrays, Computer, IFE-Server und andere Elektronik in den gesamten Flugzeugrahmen und Kabine einbauen. All diese Elektronik erfordert eine Menge Verdrahtung. In einem Bericht heißt es, dass die gesamte Verkabelung eines Großraum-Passagierjets von London nach Amsterdam oder von St. Louis nach Chicago reichen würde, also fast 480 Kilometer1. Der Bericht schätzt, dass das Gesamtgewicht der Kabel und der dazugehörigen Kabelbäume 7.400 kg beträgt. Dieses Gewicht entspricht fast drei Prozent des maximalen Startgewichts eines Flugzeugs des Typs Airbus A330-2002. Übermäßiges Gewicht beeinträchtigt die Kraftstoffleistung erheblich. Nehmen wir zum Beispiel ein Großraumflugzeug vom Typ Boeing B747-400. Es fliegt eine durchschnittliche Etappenlänge von 5.000 Seemeilen bei 3.000 Flugstunden pro Jahr. Das Gewicht von Kabeln und Steckverbindern (1.814 kg) verbraucht jedes Jahr fast 272.765 Liter Flugzeugtreibstoff3. Die jährlichen Kosten für diese Menge an Treibstoff belaufen sich auf beinahe 115.800 US-Dollar4. Die CO₂-Emissionen bei der Verbrennung dieser Menge an Kraftstoff erreichen 2.785.200 kg pro Jahr5 – was den Emissionen von 124 Personenkraftwagen entspricht6. Um nachhaltiger zu sein, muss sich das Flugzeugkabinennetz weiterentwickeln – es muss intelligenter und gleichzeitig leichter werden. Standardisierte Konzepte für das Design von Kabinennetzwerken werden entwickelt und eingesetzt, um SWaP- und Konnektivitätsherausforderungen zu bewältigen. Modulare, skalierbare verteilte Architekturen versprechen mehr Flexibilität als klassische zentralisierte IT-Netzwerktopologien. Auch drahtlose Systeme, die Sender, Antennen und Batterien miteinander verbinden können, spielen in den Überlegungen eine Rolle. Ausgangspunkt für aktuelle und zukünftige Konnektivitätsoptionen ist das Ethernet-Netzwerkprotokoll. Dank seiner Vielseitigkeit, Erschwinglichkeit und allgemein akzeptierten offenen Standards entwickelt sich Ethernet auf der Bitübertragungsschicht weiter, um die SWaP- und Leistungsanforderungen moderner Flugzeugkabinennetzwerke zu unterstützen.
Das Ethernet von Büros auf Autos und Flugzeuge umstellen
Die physikalische Ethernet-Schicht (PHY) hat sich erheblich weiterentwickelt und wurde von Büros über Autos bis hin zu Flugzeugen eingesetzt. Der 1983 erstmals veröffentlichte IEEE-Standard 802.3 (Institute of Electrical and Electronics Engineers) – auch bekannt als 10BASE5 – nutzte eine PHY-Schicht, die wegen der Größe des Kabels den Spitznamen „Thicknet“ bekam und die Übertragung von 10 Mbit/s unterstützte. Spätere Entwicklungen führten zu viel dünneren Kabeln, die zwei ungeschirmte, verdrillte Leitungspaare im 10BASE-T-Standard (1990 als IEEE 802.3i veröffentlicht) verwendeten.
Die Nachfolger von 10BASE-T–100BASE-TX (100 Mbit/s), 1000BASE-T (1 Gbit/s) und 10GBASE-T (10 Gbit/s) – enthalten noch immer vier ungeschirmte verdrillte Leitungspaare (UTP). Das Kabeldesign entwickelte sich von der Kategorie 3 (ein sprachfähiges UTP-Kabel für die Telefonverkabelung und 10BASE-T Ethernet) zur Kategorie 6 (mit vier Adernpaaren) und darüber hinaus. Um den Anforderungen von Kraftfahrzeugen und Flugzeugen gerecht zu werden, haben die Ingenieure die Ethernet PHY-Schicht noch weiter verkleinert.
Im Jahr 2011 veröffentlichte die Broadcom Corporation ihren BroadR-Reach-Standard. Dieser Standard ermöglicht es Automobilherstellern, auf ein offenes, skalierbares 100 Mbit/s Ethernet-basiertes Netzwerkprotokoll zu standardisieren. Das Ziel war es, mehrere elektronische Systeme unterzubringen, wie etwa fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS – Advanced Driver Assistance Systems) für Rückfahrkameras und Infotainmentgeräte. Eine BroadR-Reach-Verbindung bietet Zwei-Wege-Betrieb (Vollduplex) mit einer Datenrate von 100 Mbit/s über ein einziges verdrilltes Kabelpaar mit einer Kabellänge von bis zu 15 m. Das zweiadrige Design senkt die Verbindungskosten und reduziert das Verkabelungsgewicht fast um die Hälfte im Vergleich zu vier oder acht Adern in konventionellen Ethernet-Kabeln.
Die Entwicklung der BroadR-Reach-Technologie inspirierte die Arbeitsgruppe der OPEN Alliance, einer gemeinnützigen, offenen Industrieallianz, die sich hauptsächlich aus der Automobilindustrie und Technologieanbietern zusammensetzt, dazu, 100BASE-T1 als einen „Automotive Ethernet“-Standard zu definieren. (Broadcom ist ein förderndes Mitglied der OPEN Alliance, die 100BASE-T1 entwickelt hat; TE ist ein übernehmendes Mitglied).
TE hat 100BASE-T1 in einer Reihe von Produkten implementiert, die speziell für Automotive Ethernet entwickelt wurden. Die einzigen Unterschiede zwischen den Standards BroadR-Reach und 100BASE-T1 sind die Typen der PHY-Chips, die an beiden Enden der Verbindung zur Datenübertragung genutzt werden. Die 2015 als IEEE 802.3bw veröffentlichte 100BASE-T1-Spezifikation unterstützt ebenfalls den Betrieb mit 100 Mbit/s über ein einzelnes symmetrisches Twisted Pair-Kabel.
Die Vorteile der Adaption von Automotive Ethernet für Flugzeuge liegen auf der Hand. Der 100BASE-T1 Standard definiert eine robuste Verbindungstechnologie für raue Betriebsumgebungen, in denen Temperaturschwankungen und Vibrationen auftreten. Es ermöglicht kosteneffiziente, fahrzeuginterne Netzwerkverbindungen und eine verteilte Netzwerkarchitektur für mittelgroße Datenmengen und niedrige Latenzzeiten. Des Weiteren ist er skalierbar bis zur Leistung von 1 Gbit/s der 1000BASE-T1-Spezifikation, mit zukünftigem Potenzial für 5 Gbit/s unter Verwendung alternativer Technologien.
Ein weiterer Beweis für die Robustheit ist, dass der 100BASE-T1-Standard einer von mehreren IEEE 802.3 SPE-Standards ist, die als Plattform für das industrielle Internet der Dinge (IIoT) positioniert sind. Die Entwicklungen zielen darauf ab, Industrie 4.0-Konnektivität zu ermöglichen, indem gleichzeitig Daten (Ethernet) und Fernstrom (Power-over-DataLine) über ein zweiadriges Kabel übertragen werden.
Angesichts der technologischen Dynamik war es äußerst naheliegend, die Vorteile von 100BASE-T1 vom Auto auf das Flugzeug zu übertragen. Dementsprechend verweist die jüngste ARINC 854 Cabin Equipment Network Bus-Spezifikation, die vom Cabin Systems Subcommittee (CSS) entwickelt wurde, auf den 100BASE-T1 Standard. Der CSS ist unter dem Airlines Electronic Engineering Committee (AEEC) organisiert, das seinerseits wiederum unter ARINC Industry Activities (ARINC IA), einem Programm der SAE Industry Technologies Consortia (SAE ITC), arbeitet.
Als Mitglied des CSS hat TE eine Familie von 100BASE-T1-Produkten entwickelt, die den ARINC 854-Spezifikationen entsprechen. Das Ergebnis ist das Mini-ETH-Verbindungssystem - eine End-to-End-, Punkt-zu-Punkt-SPE-Lösung mit erheblichen SWaP- und Leistungsvorteilen für Netzwerke in Düsen- und Leichtflugzeugen.
Realisierung neuer SWaP- und Leistungsvorteile mit dem Mini-ETH-Verbindungssystem
In der Mini-ETH-Technologie steckt dieselbe Expertise von TE, die bei der Entwicklung von MATEnet-Verbindungen für die Automobilindustrie und einer Vielzahl von ARINC-konformen Verbindungen für Flugzeuge eine Rolle spielte. Ergebnis ist eine SPE-Plattform, die es Flugzeugen ermöglicht, intelligenter und leichter zu fliegen.
Mini-ETH-Verbindungen werden in den ARINC 854-Spezifikationen für den Cabin Equipment Network Bus beschrieben. Kompatible Steckverbinder und Kabel werden unter ARINC Teil 2 bzw. Teil 3 beschrieben.
Eine Mini-ETH-Verbindungslösung reduziert den SWaP in Flugzeugnetzwerken der nächsten Generation, ohne die Signalintegrität oder Netzwerkzuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Sie bietet EWIS-Konformität (Electrical-Wiring-Interconnect-Systems) sowie erhebliche SWaP-, Leistungs- und Implementierungsvorteile.
Signifikante Gewichts- und Kraftstoffersparnis
Wie viel könnte eine Mini-ETH-Verbindungslösung zur Gewichtsreduzierung von Flugzeugen beitragen? Betrachten wir das frühere Beispiel über das Gewicht der Verkabelung und konzentrieren uns auf den Ethernet-Teil der Verkabelung in einem Großraumflugzeug. Wenn eine Mini-ETH-Kabel-/Steckverbinderlösung das Ethernet-Verdrahtungsgewicht um 50 Prozent reduziert, würde dies die Last um 50 kg reduzieren. Wenn so viel Gewicht wegfiele, würden die jährlichen Treibstoffkosten um 3.185 US-Dollar pro Flugzeug gesenkt werden können7. Wenn das Avionik-Design in Zukunft zu einem verteilten und modularen Ansatz übergeht, was derzeit diskutiert wird, wird eine Mini-ETH-Verbindungslösung auch diese Entwicklungen unterstützen und entsprechende Einsparungen ermöglichen.
Die folgenden Vorteile der Mini-ETH-Technologie gelten für die heutige Gestaltung von Kabinennetzwerken:
- Steckverbindergewicht und -leistung: Das Design der Mini-ETH-Steckverbinder basiert auf dem Erfolg der Steckverbinder der Serie DEUTSCH 369 von TE – einer Familie von EWIS-konformen rechteckigen Steckverbinder, die eine robuste Lösung in einem kleinen Gehäuse bieten. Das Design der Steckverbinder der Serie 369 basiert auf den Steckverbindern der Serie DEUTSCH DMC-M von TE. Es handelt sich um ein klassisches modulares Kabinen- und Avionik-Design, das seit fast drei Jahrzehnten in der Luft- und Raumfahrt eingesetzt wird. Die Steckverbinder der Serie 369 sind nicht nur kompakt, sondern verfügen auch über eine interne Verriegelung und eine ergonomische Drucktastenfunktion. Diese Funktion verkürzt die Montagezeit und reduziert Beschädigung des Steckverbinders und des Flugzeugs während der Montage. Das Design bietet außerdem zusätzliche Sicherheitsmerkmale, welche die Flugzeugsysteme zusätzlich schützen. Mini-ETH-Steckverbinder bieten eine Gewichtseinsparung von bis zu 41 Prozent im Vergleich zu typischen D-Sub-Steckverbindern. Diese Reduzierung kann je nach Konfiguration und Anforderungen des Netzwerks und anderer Flugzeuganwendungen bis zu 20 kg oder mehr pro Flugzeug einsparen.
- Kabelgewicht und -größe: Im Vergleich zu einem vieradrigen, quadraxialen Kabel, das üblicherweise für 100 Mbit/s Ethernet verwendet wird, oder einem oktalen Kabel mit acht 24 AWG-Drähten, das in den gängigen Kabeln der Kategorien 5e und 6a verwendet wird, ist ein zweiadriges Mini-ETH-Kabel bis zu 73 Prozent leichter (Abbildung 1). Die kleineren Abmessungen der Mini-ETH-Kabel mit 26 AWG-Draht verbessern die Raumnutzung. Wechselt man beispielsweise von einem quadraxialen Kabel mit vier 24 AWG-Drähten zu einem Mini-ETH-Kabel mit zwei 26 AWG-Drähten, schrumpft der Kabeldurchmesser um etwa 15 Prozent. Die Mantelkonstruktion der Mini-ETH-Kabel basiert auf der langjährigen Erfahrung von TE mit den präzisionsgefertigten, geschäumten Hochtemperatur-Dielektrika von Raychem. Die Mantelmaterialien sind raucharm und erfüllen die Entflammbarkeitsanforderungen von FAR Part 25 sowie die Toxizitätsanforderungen der großen Flugzeughersteller. Die Mini-ETH-Verkabelung wird unter ARINC 800 Teil 3 Spezifikation von Kabeln beschrieben. Im Vorgriff auf die Weiterentwicklung der ARINC-Standards sind die Mini-ETH-Kabel auch für den zukünftigen Betrieb mit bis zu 1.000 Mbit/s vorgesehen.
- Verbindungslänge: Mini-ETH-Verbindungen sind für den Betrieb mit 100 Mbit/s bei 15 m Länge zertifiziert. Zukünftige Bestimmungen werden Längen von 40 m und Geschwindigkeiten von bis zu 1.000 Mbit/s ermöglichen.
- Robuste Kontakte und leichte Gehäuse: Mini-ETH-Steckverbinder verwenden Standard-Mil-Spec AS39029-Kontakte – ein Hochleistungsdesign, das für raue Umgebungen geeignet ist. Diese miniaturisierten Kontakte sind besonders robust gegen Vibrationen. Das Steckverbindergehäuse besteht aus robusten Materialien, die eine ähnliche Festigkeit wie Stahl aufweisen, allerdings 40 Prozent leichter sind. Die Kombination aus Verbundwerkstoffen und gedrehten Kontakten ermöglicht den Betrieb bei Temperaturen zwischen -55 °C und bis zu 175 °C – geeignet für den Einsatz in Flugzeugkabinen.
Fast 70 % schneller
Leistungsvorteile: Bandbreite, Geschwindigkeit, Signalintegrität, Nebensprechen-Widerstand, EMI und Blitzeinschlag:
Bandbreite und Geschwindigkeit: Das MiniETH-Verbindungssystem entspricht den ARINC 854-Spezifikationen für 100BASE-T1 und ist für den Betrieb mit 200 MHz und 100 Mbit/s bei einer Verbindungslänge von 15 m qualifiziert. Im Hinblick auf zukünftige Marktanforderungen gibt es eine Roadmap zur Unterstützung von Datengeschwindigkeiten von 1 Gbit/s und 10 Gbit/s, Verbindungen mit einer Länge von bis zu 40 m und Frequenzen über 750 MHz. Die Roadmap umfasst auch neue Steckverbinderdesigns für höhere Frequenzen und Geschwindigkeiten – und sieht bereits 1000BASE-T1 für die Luft- und Raumfahrt bei größeren Lauflängen vor.
Signalintegrität: Die Mini-ETH-Verbindungen haben die 100 Mbit/s-Prüfung über insgesamt sechs Verbindungen bestanden und Durchläufe. Impedanz, Laufzeitverzögerung, Einfügungsdämpfung, Rückflussdämpfung und Längsumwandlungsdämpfung/Erdungsymmetriedämpfung entsprechen den Anforderungen von 100BASE-T1.
Nebensprechen: Die Konfiguration des verdrillten Adernpaares in Mini-ETH-Kabeln minimiert von Natur aus das Nebensprechen und bietet die gleichen Eigenschaften zur Reduzierung des Nebensprechens, die auch bei 100BASE-T1-Verbindungen üblich sind.
EMV: Die Immunität der Mini-ETH gegenüber elektromagnetischer Interferenz (EMV) entspricht ebenfalls den 100BASE-T1 Spezifikationen.
Blitzeinschläge: Neben der Unterstützung der standardmäßigen elektrischen Signaleigenschaften muss ein Flugzeug-Verbindungssystem im Rahmen seiner Leistungsanforderungen auch mit Blitzeinschlägen fertig werden. Die Mini-ETH-Verbindungssysteme sind in der Lage, typischen Stromschlägen bis zu 3,6 kA standzuhalten.
Vorteile bei der Implementierung: Einfaches Stecken und schneller Anschluss
Stecken: Das Mini-ETH-Verbindungssystem mit Steckverbindern der Serie DEUTSCH 369 von TE erfüllt den Bedarf an Konnektivität in der Flugzeugkabine in Übereinstimmung mit den EWIS-Best-Practices. Basierend auf EN4165/ ARINC 809-Steckverbindern sind Mini-ETH-Steckverbinder in 3, 6 und 9 Positionen in einem kompakten Profil für eine Vielzahl von Anwendungen erhältlich. Die Montage und Wartung der Verkabelung ist dank der individuell farbcodierten Kodierungsoptionen einfach. Jede zusammengesteckte Hälfte des Steckverbinders kann entweder als Stecker- oder Buchsenausführung konfiguriert werden. Das verdoppelt die verfügbaren Verzahnungskonfigurationen. Die rechteckige Form der Steckverbinder und die integrierten Rippen ermöglichen eine platzsparende Stapelung. Kabelbinder können für eine vielseitige Montage verwendet werden, ohne dass zusätzliche Verriegelungselemente erforderlich sind. Die Schnittstelle mit Kontakt-Berührungsschutz eignet sich besonders für blindes Stecken oder für Bedingungen mit eingeschränkter Sicht. Ein Druckknopf-Verriegelungsmechanismus sichert die eingesteckten Stecker mit einem hörbaren Klick, der die vollständige Verbindung bestätigt.
Anschlusszeiten: Im Vergleich zu einem typischen Quadrax-Steckverbinder mit einer Terminierungszeit von 15 bis 20 Minuten pro Paar dauert die Terminierung eines MiniETH 369-Steckverbinders 2 bis 5 Minuten – sie ist also fast 70 Prozent schneller. Noch wichtiger ist es, dass die Mini-ETH-Kontakte durch das einzelne Adernpaar weniger komplex und fehleranfällig sind.
Vorteile von Mehrwertsystemen
Kabelbaumdesign: Als ein weltweit führender Anbieter von Konnektivität für die Luft- und Raumfahrtindustrie kann TE komplett montierte Kabelbäume als integrierte End-to-End-Lösung anbieten. Steckverbinder und Kabel können bereitgestellt werden, um anspruchsvolle Kundenanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Kosten zu minimieren. Vom Design über den Prototyp bis hin zur Produktion – TE unterstützt alle Phasen eines EWIS-Projekts, indem es fachkundige Unterstützung in den Bereichen Design, Prüfungen, Fertigung und Lieferkette anbietet, und zwar mit der Verantwortlichkeit eines „One-Stop-Shops“ . Die Ingenieure von TE können wertvolle Einblicke in das Design von Komponenten und miteinander verbundenen Baugruppen geben und den Anwendern den Weg zur richtigen Lösung für ihre spezifische Anwendung weisen. Mit der HarnWare Software von TE können Konstrukteure qualitativ hochwertige Zeichnungen von Kabelbäumen, Stücklisten, Arbeitskostenvoranschläge, Zeichnungen von Steckverbinderplattformen, Verdrahtungsschemata und vieles mehr erstellen.
Prüfung: TE unterhält spezielle Prüflabors für Isolation und Schutz (I&P), Steckverbinder und Armaturen (C&F), Kabelgarnituren, Materialien und andere Bereiche. Strenge Prüfprotokolle stellen sicher, dass die Produkte die hohen Anforderungen an Haltbarkeit und Leistung erfüllen.
Fertigung: Alle Fertigungsanlagen von TE sind nach dem AS9000 Aerospace Basic Quality System Standard zertifiziert. Damit werden erstklassige Methoden validiert, die den strengen Qualitätssystemanforderungen der Luft- und Raumfahrtindustrie entsprechen. Neben der Herstellung einzelner Komponenten bietet TE auch komplette, handelsübliche Plug-&-Play-Baugruppen an, die einbaufertig sind und vollständig gemäß den Anforderungen von ARINC 854 geprüft wurden.
Lieferkette: Die Unternehmenssparte Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Schifffahrt von TE bietet eine vollständig integrierte Lieferkette für Kabelsätze, die Drähte und Kabel, Rohre, Formteile, Geräte, Endgehäuse, Steckverbinder und Kennzeichnung umfasst. Zu den Produkten von TE gehören leicht erhältliche und in der Branche anerkannte Marken wie Raychem, DEUTSCH, Polamco und AMP.
Eine Mini-ETH Single Pair Ethernet-Lösung an Ihr Projekt anschließen
Zu Beginn eines Designprojekts ist es sinnvoll, die Verbindungen als Komponente des Systems zu betrachten. EVERY CONNECTION COUNTS – wenn es darum geht, Größe, Gewicht und Stromverbrauch von Flugzeugen zu reduzieren und die Zuverlässigkeit von Ethernet-Netzwerken zu gewährleisten, zählt jede Verbindung. Das Mini-ETH-Verbindungssystem bietet eine integrierte Produktfamilie, die unter den ARINC-Standards für die Luft- und Raumfahrt beschrieben ist. Mit dem breiten Mini-ETH-Portfolio können Entwickler ein optimales Gleichgewicht zwischen Leistung, Kosten sowie Größe, Gewicht und Stromverbrauch erreichen. Mit seiner Erfahrung in den Bereichen Automobil, Energie und Luft- und Raumfahrt bietet TE praktische Einblicke, die Designern bei der Bewältigung anspruchsvoller Konnektivitätsaufgaben helfen. Nutzen Sie unser Know-how bei der Entwicklung, Herstellung und Implementierung aller Komponenten entlang des Kabels des vernetzten Flugzeugs: Sensoren, Monitore, IFE-Systeme, Video-Transceiver, WLAN-Antennen, Datenverbindungen und mehr. Unsere hochleistungsfähige SPE Mini-ETH-Verbindungslösung kann Ihr Aircraft-Ethernet-Konnektivitätsprojekt intelligenter und leichter machen.
