Gewichtsreduzierung des Avioniksystems für den Start von eVTOL

Zivilflugzeuge von heute tragen mehr Elektronik als je zuvor. Die Konstrukteure müssen Bildschirme, Sensoren, Daten-Hubs, Schalter, SSD-Arrays, Computer, Inflight-Entertainment-Server (IFE) und andere Elektronik in der gesamten Zelle und Kabine unterbringen, was eine enorme Menge an Verkabelung erfordert.

Konventionelle Flugzeuge:

Ein Beispiel: Das Gesamtgewicht aller Kabel und Steckverbinder in einem Großraumflugzeug beträgt 1.814 kg.¹ Der Transport dieser Masse verbraucht jährlich fast 60.000 Gallonen Kerosin. Basierend auf dem durchschnittlichen Kerosinpreis in den USA zum Zeitpunkt der Veröffentlichung (6,61 US-Dollar/Gallone im November 2022) belaufen sich die jährlichen Kosten für diese Treibstoffmenge auf 396.600 US-Dollar. Die jährlichen CO₂-Emissionen aus der Verbrennung dieser Treibstoffmenge betragen 2.785.200 kg – das entspricht den Emissionen von 124 PKW.²

Bei konventionellen Flugzeugen ist das Gewicht für eine große Reichweite und Ausdauer optimiert. Etwa ein Drittel der Startmasse geht durch den Treibstoffverbrauch beim Start verloren, und das Flugzeug verliert weiter an Gewicht, wenn der Treibstoff während des restlichen Fluges verbraucht wird.³

UAM- und eVTOL-Flugzeuge:

Die Auswirkungen des Gewichts auf UAM- und eVTOL-Flugzeuge sind sehr unterschiedlich. Das Fahrzeuggewicht bleibt bei batteriebetriebenen Fahrzeugen konstant, bei Hybrid-UAM nahezu konstant. Dies ermöglicht die Optimierung von UAM-Designs in Bezug auf Nutzlastkapazität, Anzahl der Passagiere, Reichweite und Sicherheitsaspekte. Das Gewicht des Fahrzeugs spielt eine Rolle bei der für den Schwebeflug erforderlichen Leistung und bei der Bestimmung der Motorgröße und der Batterieanforderungen für das Flugzeug.⁴ Es ist wichtig, das Gewicht der einzelnen Komponenten zu reduzieren, ohne die Leistung des Flugzeugs zu beeinträchtigen.

Die Beziehungen zwischen Gewicht und anderen Konstruktionsvariablen haben einen Kaskadeneffekt. Beispielsweise wird durch die Gewichtsreduzierung des integrierten Avioniksystems die Gesamtmasse des UAM-Flugzeugs verringert, was zu einer DL-Verringerung (Disk Loading) führt. Dies wiederum verringert die zur Aufrechterhaltung der Rotordrehzahl erforderliche Leistung, was wiederum die Batteriegröße und damit das Gesamtgewicht des Fahrzeugs reduziert.

Je nach Typ und Passagierkapazität eines UAM-Flugzeugs machen die elektrischen und elektronischen Komponenten 27 % bis 68 % des Gewichts des Nichtpassagiersystems aus (Abbildung 1).⁵

Ein fortschrittlicher CAN-Bus (Controller Area Network), Single-Pair-Ethernet (SPE) und fortgeschrittene modulare Rack-Verbindungstechnologien können das Gewicht integrierter Avioniksysteme verringern. Diese können die Leistung eines eVTOL-Fluges in Bezug auf das DL (Disk Loading) erhöhen und gleichzeitig die Robustheit und Bandbreite des Systems verbessern.

Serielle Kommunikation:

In den 1980er Jahren entwickelte die Robert Bosch GmbH das CAN-Protokoll für Automotive-Anwendungen. Die Norm wurde inzwischen für Flugzeuge angepasst. Der CAN-Bus bietet eine leichte, kostengünstige und einfach zu implementierende Alternative zur Twisted-Pair-Verkabelung für grundlegende Avionikfunktionen in eVTOL-Flugzeugen.

Das klassische CAN-Frame-Format nimmt kurze Nachrichten mit einer Datennutzlast von bis zu 8 Byte auf. Es ist in verschiedenen Versionen verfügbar. Die maximale Bitrate des „High-Speed“-CAN-Busses (ISO 11898) beträgt 1 Mbit/s. Das CAN Flexible Data (CAN FD) Protokoll, ein relativ neues Format, ermöglicht größere Datennutzlasten (64 Byte) und schnellere Bitraten von 8 Mbit/s für einen bis zu 800 % schnelleren Durchsatz.

In herkömmlichen Flugzeuganwendungen wird der CAN-Bus verwendet:

• In den Funksystembedienfeldern im Cockpit für das Funksystem Line-Replaceable Units (LRUs) und die Schnittstellen zur Triebwerkssteuerung;
• Für LCD-Fluginstrumentenanzeigen in Glascockpits;
• Zur Versorgung von Steuerungssystemen und Inertialmesseinheiten (IMU) mit Höhe, Geschwindigkeit, Position, Triebwerksparametern und anderen kritischen Daten für unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs) und Drohnen.

Für eVTOL-Anwendungen kann der CAN-Bus verwendet werden, um eine elektronische Fly-by-Wire-Steuerung von Klappen, Trimmungen, Triebwerkssteuerungen und Autopilotsystemen anstelle von sperrigen, direkten mechanischen Verbindungen zwischen den Flugsteuerungen und der Flugfläche bereitzustellen. Weitere Gewichtseinsparungen können durch die Umstellung auf Glasfaserkabel für CAN-Bus-Netzwerke erreicht werden. Beim Vergleich von LWL-Kupferkabelsätzen mit Twisted-Pair-CAN-Bus-Kupferkabelsätzen ist es oft möglich, mehrere geschirmte verdrillte Paarkabel durch ein einziges Mehrfach-LWL-Kabel zu ersetzen.  Dies kann zu einer Reduzierung des Kabelgewichts von mehr als 90 % führen, je nachdem, welche AWG ersetzt wird.  Darüber hinaus gibt es potenzielle Vorteile der EMI-Immunität von Glasfaserkabeln, die für eVTOL-Plattformen mit DC-AC-Wandlern in Betracht gezogen werden können.

Ethernet-Kommunikation:

Die ARINC-Spezifikation 664 fordert ein Quadrax-Kabel (vieradrig) oder ein Glasfaserkabel. Das vieradrige Kupferkabel mit MIL-DTL-389994-Rundsteckverbindern unterstützt bis zu 100 Mbit/s.

Eine aktuelle Entwicklung ist die Veröffentlichung eines Single-Pair-Ethernet-Standards (SPE) gemäß der Spezifikation ARINC 854 für den Cabin Equipment Network Bus. Kompatible Steckverbinder und Kabel werden unter ARINC 800 Teil 2 bzw. Teil 3 beschrieben.

In Anlehnung an die Geschichte des CAN-Busses basiert ARINC 854 auf dem im Automobilbereich entwickelten Standard 100Base-T1 (IEEE 802.3bw). Kompatible Steckverbinder stehen auf Basis der Steckverbinder der DEUTSCH 369 Serie zur Verfügung –einer Familie von rechteckigen Steckverbindern, die eine robuste Lösung in einem kleinen Gehäuse bieten.

Die Gewichtseinsparungen einer SPE-Lösung sind erheblich. SPE-Kabel sind bis zu 73 % leichter als ein vergleichbares vieradriges Kupferverkabelungssystem. Die kleineren Abmessungen der Kabel mit 26 AWG-Draht verbessern außerdem die Raumnutzung. Wechselt man beispielsweise von einem quadraxialen Kabel mit vier 24 AWG-Drähten zu einem SPE-Kabel mit zwei 26 AWG-Drähten, schrumpft der Kabeldurchmesser um etwa 15 %. SPE-Verbindungen können für den Betrieb mit 100 Mbit/s bei 15 m Länge zertifiziert werden. Zukünftige Bestimmungen werden Längen von 40 m und Geschwindigkeiten von bis zu 1.000 Mbit/s ermöglichen.

Ein ähnliches Gewichtseinsparungspotenzial ergibt sich bei der Umstellung von SPE-Twisted-Shielded-Verkabelung auf LWL-Verkabelung, ähnlich dem bereits diskutierten CAN-Bus-Fall.

Die Steckverbinder der Serie 369 verwenden standardmäßige Mil-Spec-AS39029 Kontakte. Diese miniaturisierten Kontakte sind besonders robust gegen Vibrationen. Das Gehäuse des Verbinders besteht aus robusten Verbundwerkstoffen, die so stabil wie Stahl, aber 40 % leichter sind.

Modulare Racks:

Die meisten heutigen Kollisionsvermeidungs-, IFE-, Luft-Boden-Kommunikations- und anderen Avioniksysteme verwenden Elektronik, die in einem standardmäßigen Aeronautics Radio INC (ARINC) 600-Metallgehäuse verpackt ist, das bis zu 12 modulare Konzepteinheiten (MCUs) in einer zentralen „Box“ enthält. Ein großes Gehäuse bringt jedoch erhebliche Einschränkungen mit sich, die zur Entwicklung der Standards der ARINC-800-Reihe als Reaktion auf den allgemeinen Trend zu eingebetteten Rechnern auf miniaturisierten Leiterplatten (PCBs) für den lokalen Einsatz geführt haben. Die Familie der ARINC 800-Normen umfasst:

• ARINC 836 definiert modulare, standardisierte Rack-Gehäuse, Verkabelung, Steckverbinder und Erdungsmethoden für Flugzeugkabinen.
  
• ARINC 836A etabliert ein Mini-Modular-Rack-Prinzip (MiniMRP) für Avionik-Packaging
• ARINC 836A MiniMRP bietet einen kompakten Formfaktor mit Verbindungen, die die Gehäusegröße um 40 % und das Gewicht um 60 % im Vergleich zu einem Standard-Metallgehäuse für UAM-Flugzeuge reduzieren können.

Die Implementierung einer Zweidraht-CAN-Bus- und SPE-Lösung mit MiniMRP für die UAM-Konnektivität reduziert das Gewicht nur um einen kleinen Bruchteil der UAM-Gesamtmasse. Die reduzierte Größe trägt jedoch immer noch einen großen Teil zur Flugleistung bei.

Bei der Auslegung von UAM besteht eine komplexe Beziehung zwischen der Leermasse (Empty Weight, eW), der Startleistung (Takeoff Power, T) und dem DL (Disk Loading). Ein Anstieg von DL entspricht einem Anstieg von eW.⁶ Es hat sich gezeigt, dass eine Zunahme von DL parabolisch mit einer Zunahme des maximalen T.⁷

Im Vergleich zu einer 4-Draht-Lösung für AFDX kann eine 2-Draht-CAN-Bus/SPE-Steckverbinder/Glasfaser-Lösung mit gewichtsoptimierten Steckverbindern das Gewicht der Avionikverkabelung und der Steckverbinder um 50 % reduzieren.

Bei kleineren UAM-Flugzeugen kann die Wirkung geringer Gewichtsreduzierungen erheblich sein. Die Reduzierung des Gewichts des Avioniksystems von 20 kg auf 10 kg in einem eVTOL-Flugzeug mit einem Wgto von 2.000 lbs kann die DL erheblich reduzieren, was sich positiv auf die Größe und Masse des Rotors, des Motors und der Batterie auswirkt und gleichzeitig zu einem kompakteren Avionikschacht beiträgt, ohne die Robustheit der Elektronik zu beeinträchtigen.

• AAM- und eVTOL-Flugzeuge versprechen eine leisere und umweltfreundlichere Alternative zu kohlenwasserstoffbetriebenen Autos und herkömmlichen Drehflüglern für Reisen in städtischen Umgebungen zu werden.
• Die Minimierung des Bruttostartgewichts ist entscheidend für die Verwirklichung der urbanen Luftmobilität.
• Obwohl sie nur einen Bruchteil des Gesamtgewichts der elektrischen/elektronischen Komponenten ausmachen, können fortschrittliche Verbindungen und Verkabelungen wesentlich zur Gewichtsreduzierung von eVTOL-Flugzeugen beitragen.
• Fortschrittliche CAN-Bus-, Single-Pair-Ethernet- und fortschrittliche modulare Rack-Verbindungstechnologien können das Gewicht der Avionik reduzieren, um die UAM-Flugleistung zu erhöhen.
  

1. Quelle des Verkabelungsgewichts einer Boeing 747 (4.000 Pfund): Weber, Austin. „Wire Processing: The Future of Wire.“ Assembly, 30. März 2011. Am 20. April 2020 abgerufen.
2. Graves, R., Advancing Aircraft Connectivity with a Single Pair Ethernet Solution, TE Connectivity, Harrisburg, PA, USA. April 2020. Seiten 2–3.
3. „Table 6-1: Large Commercial Aircraft – Incremental Fuel Burn.“ Economic Values for FAA Investment & Regulatory Decisions Guide – Subsection 6.3.1: Incremental Fuel Burn. Federal Aviation Administration: Regulations & Policies: Policy & Guidance: Benefit-Cost Analysis. 23. September 2016. Am 20. April 2020 abgerufen.
4. Bacchini, A. und Cestino, E., Electric VTOL Configurations Comparison, Aerospace 2019, 6. 26. Februar 2019. Seiten 7–13. doi:10.3390/aerospace6030026.
5. Johnson, W., Silva C. und Solis, E., Concept Vehicles for VTOL Air Taxi Operations, AHS Technical Conference on Aeromechanics Design for Transformative Vertical Flight, San Francisco, CA, USA. Januar 2018.
6. Gatti, M., Preliminary Design Analysis Methodology for Electric Multirotor, Conference Paper in IFAC Proceedings Volumes. November 2013. S. 7. dio: 10.3182/20131120-3-FR-4045.00038
7. Excalibur: The Cutting Edge in Tiltrotor Technology, 2011 AHS Design Proposal, Alfred Gessow Rotorcraft Center, Department of Aerospace Engineering, University of Maryland, College Park, Maryland, S. 20.