Robuste Glasfasertechnik: Lösungen für eVTOL-Systeme

In naher Zukunft werden elektrisch senkrecht startende und landende Flugzeuge (eVTOL) neue Mobilitätsoptionen für den Fracht- und Passagiertransport bieten und gleichzeitig Rettungsdienste in die Lage versetzen, verbesserte Feuerwehr-, Sicherheits- und Such- und Rettungsdienste (Search and Rescue, SAR) für die Gemeinden, denen sie dienen, bereitzustellen. eVTOL-Flugzeuge operieren in Höhen zwischen 150 Metern (500 Fuß) und 4 Kilometern (2,5 Meilen) über dem Boden.

eVTOL-Systeme bieten zwei wichtige Möglichkeiten auf dem Markt für Urbane Luftmobilität (Urban Air Mobility, UAM), um den Luftraum über und zwischen Ballungsräumen besser zu nutzen, wo herkömmlicher Luftverkehr ineffizient oder unmöglich ist. Der erste ist der Nahverkehr innerhalb von Städten oder zwischen Städten und Vorstädten, ein Markt, der derzeit von Taxis, Hubschraubern, Mitfahrgelegenheiten oder öffentlichen Verkehrsmitteln bedient wird. An zweiter Stelle steht der Regionalverkehr im Umkreis von 150 bis 250 Kilometern (90–160 Meilen), der heute nicht vollständig von kommerziellen Fluggesellschaften bedient wird.

Experten prognostizieren, dass bis 2030 Tausende von eVTOL-Flugzeugen in Betrieb sein werden und der UAM-Sektor bis 2040 auf einen Markt von über 1 Billion US-Dollar anwachsen wird. In der Zwischenzeit arbeiten UAM-Industriegruppen, Hersteller von eVTOL-Plattformen und lokale Regulierungsbehörden zügig daran, bessere Flugzeuge zu konstruieren, Zertifizierungsanforderungen festzulegen, die unterstützende Infrastruktur zu definieren und eVTOL-Verkehrsmanagementprotokolle zu entwickeln.

Alle Flugzeugkonstrukteure und -hersteller sind auf der Suche nach Avionikkomponenten, die das Gewicht des Flugzeugs minimieren und gleichzeitig den Platzbedarf für Verkabelung und Anschlüsse reduzieren. Die technologischen Anforderungen und Platzbeschränkungen von eVTOL-Anwendungen unterscheiden sich allerdings deutlich von denen der meisten heutigen Verkehrsflugzeuge, was neue Möglichkeiten für robuste Glasfaserkabel und -steckverbinder (RFO) eröffnet.

EMV-Schutz: Für kommerzielle Flugzeuge ist die Kontrolle elektromagnetischer Interferenzen (EMI) wichtig, damit empfindliche Signale nicht durch andere Störungen in der Umgebung beeinträchtigt werden. Bei eVTOL-Systemen stellt sich das Problem etwas anders dar. Kritische Steuersignale werden durch Bereiche mit Gleichstrom (DC)- und Wechselstrom (AC)-Wandlern geführt, was zu einer schwierigen Umgebung führt, die bei Kupferkabeln zu Übersprechen und Rauschen führen kann. Die Forderung nach erhöhter Immunität gegen elektromagnetische Störungen und Nebensprechen kann durch den Einsatz von RFO-Komponenten in eVTOL-Flugzeugen erfüllt werden.

Überwachung des Flugzeugzustands: Rotorhubschrauber und andere konventionelle Plattformen sind mit Systemen zur Gesundheits- und Nutzungsüberwachung (Health Usage Monitoring Systems, HUMS) und zur Gesundheitsprognose (Prognostic Health Management, PHM) ausgestattet. Diese Systeme enthalten eine Reihe von Sensoren und Datenloggern zur Überwachung der Struktur, der Motorsysteme, der Antriebskomponenten und anderer kritischer Teile des Luftfahrzeugs. Diese Systeme sammeln große Datenmengen, die entweder für die Echtzeitüberwachung während des Fluges verwendet oder am Ende jedes Fluges heruntergeladen werden. Diese Informationen müssen gesammelt werden, um den Zustand des Flugzeugs für den nächsten Flug zertifizieren zu können. Wenn eVTOL-Plattformen ähnliche HUMS- und PHM-Systeme benötigen, werden diese Systeme zusätzliche Verkabelungen und Baugruppen erfordern, die sich auf die Gewichtsbeschränkungen auswirken und den Einsatz fortschrittlicher Glasfasertechnik zur Gewichtsreduzierung fördern.

Redundante Systeme: Die Zertifizierungsanforderungen für eVTOL-Flugzeuge werden derzeit noch definiert. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass diese Anforderungen die Einbeziehung redundanter Systeme erfordern, die auf unterschiedlichen Technologien basieren, sodass ein Ausfallmodus nicht für beide Systeme gilt. Dies hat zur Folge, dass ein primäres kritisches Steuerungssystem mit Kupferkomponenten über ein Backup-System mit Glasfaserkomponenten verfügt oder umgekehrt.

Benutzerfreundlichkeit und Wartung: Es ist ein weit verbreiteter Irrglaube, dass Glasfasern und Glasfaserstecker schwierig zu verwenden und zu warten sind. Dies mag der Fall gewesen sein, als die meisten Glasfaseranschlüsse noch im Feld angeschlossen wurden. Heutzutage werden die meisten Glasfaserkabelsätze und Kabelbäume auf Fertigungsstraßen in kontrollierten Umgebungen hergestellt. Die Hersteller können die Sauberkeit aufrechterhalten, die Verbindungen und die Leistung prüfen, bevor die Baugruppe an den Endbenutzer geliefert und auf der Plattform verifiziert wird. Fortschrittliche Glasfaserbaugruppen können mit den erforderlichen Mechanismen konstruiert und gebaut werden, um die Sauberkeit während der Montage und Demontage des gesamten Flugzeugs aufrechtzuerhalten.

Bandbreite: In Verkehrsflugzeugen führt die steigende Nachfrage nach WLAN-Zugang, Video-Streaming und Bordunterhaltung zu einem erhöhten Bandbreitenbedarf, um Hunderte von Passagieren über das Flugzeugnetzwerk zu bedienen. Die Unterhaltung während des Fluges ist bei kürzeren Flügen in der Stadt weniger wichtig, und die meisten eVTOL-Protokolle für Motor/Rotor und Flugsteuerung erfordern 10BASE-T-Ethernet- oder CANbus-Kabel mit niedriger Geschwindigkeit, sodass Hochgeschwindigkeits-RFO-Lösungen mit hoher Bandbreite für einige eVTOL-Systeme möglicherweise nicht erforderlich sind. Aufgrund ihres kleineren Formfaktors und anderer Vorteile gegenüber Kupfer sind robuste Glasfaserlösungen jedoch für die meisten eVTOL-Flugzeuganwendungen besser geeignet.

Die Gewichtseinsparung bei batteriebetriebenen eVTOL-Flugzeugen führt in der Regel zu einer längeren Batterielebensdauer, was die Reichweite des Flugzeugs erhöhen oder zur Steigerung der Passagier- oder Nutzlast beitragen kann. Pro 150 kg Gewichtseinsparung kann ein zusätzlicher Passagier befördert werden oder die Reichweite und Flugzeit des Flugzeugs für vorhandene Passagiere und/oder Fracht verlängert werden. Durch den Einsatz robuster Glasfasertechnologie können erhebliche Gewichtseinsparungen erzielt werden.

Fortschrittliche Glasfaserlösungen wiegen in der Regel weniger und benötigen weniger Platz als ihre elektrischen Pendants. So kann etwa der Wechsel von einem Cat-5-Kabel aus Polyvinylchlorid (PVC) mit Kontextmenü zu einem Duplex-Glasfaserkabel, das üblicherweise für eine optische Ethernet-Verbindung verwendet wird, bis zu 25 % Platz und bis zu 50 % Gewicht einsparen. Dies ist auf den unterschiedlichen Aufbau der beiden Kabeltypen zurückzuführen. Die Glasfaseroption umfasst Glasfaserleitungen, Kevlar®-Festigkeitsträger und das Mantelmaterial. Auf der elektrischen Seite besteht das Cat 5-Kabel aus vier verdrillten Paaren oder acht Kupferadern. Es gibt auch eine Kupferabschirmung, die zu einem größeren Kabeldurchmesser führt und das Gewicht der gesamten Baugruppe erhöht.

In einer kürzlich durchgeführten Analyse wurde ein 5-Faser-Glasfaserkabel für den Einsatz in einem Steuerungssystem für ein neues Flugzeug vorgeschlagen. Zum Vergleich wurde das 5-Faser-Kabel eins zu eins mit einem äquivalenten verdrillten Kabelpaar unter Verwendung eines CANbus-Kabels mit zwei verschiedenen Drahtgrößen dargestellt. Das CANbus-Kabel benötigte 2,5-mal mehr Kabel und brachte bis zu 12-mal mehr Gewicht auf die Waage, um die gleichen Verbindungen herzustellen wie das 5-Faser-Kabel. Die Ergebnisse sind im Folgenden zusammengefasst.

Viele der vorgeschlagenen eVTOL-Flugzeugzellenkonzepte zeichnen sich durch neuartige Strukturbaugruppen mit engen Bauraum- und Volumenbeschränkungen aus. Physical Contact (PC) Steckverbinder und Expanded Beam-Steckverbinder in Verbindung mit flexiblen Lichtwellenleiterschaltungen ermöglichen die Entwicklung von Kabelsätzen oder Verbindungssystemen, die in den begrenzten verfügbaren Raum passen.

Arten von robusten Glasfasersteckern

Seit Jahrzehnten werden robuste Glasfaserkabel und Steckverbinder für kommerzielle, militärische und industrielle Applikation in der Luft, am Boden, über und unter Wasser und im Weltraum qualifiziert, eingesetzt und gewartet. Aus dieser Erfahrung sind zwei bewährte Optionen für Glasfaserverbindungen hervorgegangen:

• Physical Contact (PC) – Zwei typischerweise keramische Ferrulen werden unter Federkraft zusammengeführt und sorgfältig ausgerichtet, um das Licht über die Grenzfläche zu koppeln.
• Expanded Beam (EB) – Zwei Aderendhülsen werden auseinandergezogen und Linsenelemente eingesetzt, um eine kollimierende, lückenlose Strahlverbindung herzustellen. 
  

Jede eVTOL-Flugplattform, die Glasfasertechnik in ihre Primär- oder Sekundärsysteme integriert, muss auch Transceiver und Medienumwandler enthalten, die ein elektrisches Signal in ein äquivalentes Lichtsignal umwandeln. Optische Transceiver sind oft Teil einer Medienumwandlungsschaltung, die die Protokoll-ICs der Bitübertragungsschicht («PHYs») enthält.

In der Regel wechselt das Transportmedium von Kupferkabel zu Glasfaser oder umgekehrt. Bei genauerer Betrachtung gibt es mehrere Wandlerschichten in einem Glasfaser-Transceiver. Beispielsweise ist die elektrische Signalisierung in einem Glasfaser-Transceiver nicht die gleiche wie in einem CANbus- oder Ethernet-Kabel. Sie können unterschiedliche Kanalzahlen und elektrische Signalpegel haben. Ein Medienumwandler ist erforderlich, um das Signal in ein elektrisches Format umzuwandeln, das von einem Glasfaser-Transceiver zur endgültigen Umwandlung verwendet werden kann.

In einigen Fällen senden oder empfangen HF-Antennen, Sensoren und andere Komponenten analoge Signale in eVTOL-Systemen. Analog modulierte HF-Äquivalenztransceiver sind für die Analog-zu-Optik-Umsetzung verfügbar. 

Hersteller, Designer, Industrieverbände und Regierungsbehörden auf der ganzen Welt befinden sich in einem Wettlauf um die Entwicklung von Plattformen, Infrastrukturen und Vorschriften, die die Zukunft des eVTOL-Marktes bestimmen werden. TE Connectivity (TE) bietet eine breite Palette an robusten Glasfaserlösungen sowie die Erfahrung und das Know-how, um Sie bei der Entwicklung fortschrittlicher Glasfaserlösungen zu unterstützen, die Ihre eVTOL-Konzepte Wirklichkeit werden lassen.

• eVTOL-Anwendungen auf dem Markt für urbane Luftmobilität ermöglichen den Luftverkehr in und zwischen Ballungsräumen, in denen der konventionelle Luftverkehr ineffizient oder unmöglich ist.
• Robuste Glasfaserlösungen können bis zu 25 % Platz und bis zu 50 % Gewicht einsparen. Pro 150 kg Gewichtseinsparung kann ein zusätzlicher Passagier in das eVTOL-Flugzeug aufgenommen oder die Reichweite und Flugzeit des Flugzeugs für vorhandene Passagiere und/oder Fracht verlängert werden.
• Flexible Glasfaserschaltungen bieten einfache Verlegung und fortschrittliches Management von Tausenden von Fasern auf einem einzigen robusten Substrat, das langlebig und zuverlässig ist.
• Die meisten eVTOL-Systeme benötigen Transceiver und Medienumwandler, um digitale und analoge Signale zwischen Glasfaser- und kupferbasierten Lösungen zu übersetzen.
• TE bietet eine breite Palette an robusten Glasfaserlösungen sowie die Erfahrung und das Know-how, um Sie bei der Entwicklung fortschrittlicher Glasfaserlösungen zu unterstützen, die Ihre eVTOL-Konzepte Wirklichkeit werden lassen.