Reducimos el peso de la aviónica para facilitar el despeque de las eVTOL

En la actualidad, las aeronaves civiles tienen más componentes electrónicos que nunca. Los diseñadores deben colocar pantallas, sensores, centros de datos, conmutadores, matrices SSD, computadoras, servidores de entretenimiento a bordo (IFE) y otros dispositivos electrónicos en la estructura de la aeronave y la cabina, lo que requiere una enorme cantidad de cableado.

Aeronave tradicional:

Por ejemplo, se calcula que el peso total de todo el cableado y los conectores de un avión ancho es de 1,814 kg o 4,000 lbs 1 y su transporte consume casi 60,000 galones de combustible al año. Con base en el costo promedio del combustible en los EE. UU. en la fecha de publicación ($6.61/galón en noviembre de 2022), el costo anual de esa cantidad es $396,600. Las emisiones anuales de CO₂ derivadas de tal combustible ascienden a 2,785,200 kg (1,266,000 lbs), que equivale a las emisiones de 124 vehículos de pasajeros.²

En las aeronaves tradicionales, el peso se optimiza para mayor autonomía y resistencia. Aproximadamente un tercio de la masa se pierde durante la quema de combustible en el despegue, y el avión continúa perdiendo peso a medida que se consume combustible durante el resto del vuelo.³

Aeronaves UAM y eVTOL:

El efecto del peso en las aeronaves UAM y las eVTOL es muy diferente. Los pesos de los vehículos se mantienen uniformes en las embarcaciones de batería y casi constantes en las UAM híbridas. Como resultado, los diseños de UAM se pueden optimizar con base en la capacidad de carga útil, el número de pasajeros, la autonomía y los aspectos de seguridad a considerar. El peso del vehículo es un factor que influye en la potencia requerida para flotar y en la determinación del tamaño del motor y los requisitos de batería. 4 Es esencial reducir el peso de cada componente sin comprometer el rendimiento de la aeronave.

Las relaciones entre el peso y otras variables de diseño tienen un efecto cascada. Por ejemplo, la reducción del peso del sistema de aviónica integrado disminuye la masa total de la aeronave UAM, lo que minimiza la carga del disco (DL). Eso, a su vez, aminora la potencia necesaria para mantener la velocidad del rotor, lo que reduce el tamaño de la batería y, en última instancia, disminuye aún más el peso total del vehículo.

En función del tipo y la capacidad de pasajeros de una aeronave UAM, sus componentes eléctricos y electrónicos representan entre el 27 % y el 68 % del peso del sistema no estructural y del no relacionado con los pasajeros (figura 1).⁵

Un CAN bus avanzado, un Ethernet de un solo par (SPE) y tecnologías avanzadas de conexión por principio de bastidor modular pueden reducir el peso de los sistemas de aviónica integrados. Estos pueden aumentar el rendimiento de vuelo de una eVTOL en términos de carga de disco (DL), a la vez que mejoran la robustez y el ancho de banda del sistema.

Comunicaciones seriales:

En los 80, Robert Bosch GmbH desarrolló el protocolo CAN para aplicaciones automotrices. Desde entonces, la norma se ha adaptado para las aeronaves. El CAN bus es una alternativa liviana, económica y fácil de implementar al cableado de par trenzado para funciones básicas de aviónica en eVTOL.

El formato clásico de trama CAN se adapta a mensajes cortos con una carga útil de datos de hasta 8 bytes y está disponible en diferentes versiones. La velocidad de bits máxima del CAN bus de alta velocidad (ISO 11898) es de 1 Mbit/s. El protocolo CAN Flexible Data (CAN FD), un formato relativamente nuevo, hace posible cargas útiles de datos más grandes (64 bytes) y velocidades de bits mayores, 8 Mbit/s, para un rendimiento hasta un 800 % más rápido.

En aplicaciones aeronáuticas tradicionales, el CAN bus se utiliza:

• En los paneles de control del sistema de radio en la cabina de vuelo a las unidades reemplazables de línea (LRU) del sistema de radio y a las interfaces de control del motor;
• Para pantallas LCD de instrumentos de vuelo en cabinas de vidrio;
• Para alimentar sistemas de control y unidades de medición inercial (IMU) con información sobre altitud, velocidad, posición, parámetros del motor y otros datos críticos para vehículos aéreos no tripulados (UAV) y drones.

Para aplicaciones de eVTOL, el CAN bus se puede utilizar para proporcionar control electrónico de los flaps, el trimado, los controles del motor y los sistemas de piloto automático en lugar de voluminosas conexiones mecánicas directas entre los controles de vuelo y la superficie de vuelo. Se puede reducir más peso aún mediante la transición al cableado de fibra óptica para las redes de CAN bus. Al comparar los ensambles de cables de fibra óptica con los de cables de cobre de par trenzado para CAN bus, a menudo es posible reemplazar varios cables de par trenzado blindados por un solo cable de fibra óptica múltiple.  Eso puede resultar en una reducción del peso del cable de más del 90 %, en función del AWG que se reemplace.  Además, la inmunidad EMI del cable de fibra óptica podría ser beneficiosa, lo que puede tomarse en cuenta en las plataformas de eVTOL con inversores DC-AC.

Comunicaciones Ethernet:

La especificación ARINC 664 requiere cable cuadrax (cuatro alambres) o de fibra óptica. El cable cuadraxial de cobre con conectores circulares MIL-DTL-389994 tiene capacidad de hasta 100 Mbs.

Un avance reciente es la publicación de un estándar Ethernet de un solo par (SPE) conforme a las especificaciones ARINC 854 para el bus de red de equipos de cabina. Los conectores y cables compatibles se describen en las especificaciones ARINC 800 parte dos y parte tres, respectivamente.

Tomando como referencia la trayectoria del CAN bus, ARINC 854 se basó en el estándar 100Base-T1 (IEEE 802.3bw) desarrollado en el mundo automotriz. Opción de conectores compatibles con base en la familia de conectores rectangulares DEUTSCHserie369, una solución robusta en un empaque compacto.

El ahorro de peso de una solución SPE es significativo. El cable SPE es hasta un 73 % más liviano que un sistema de cables (cuatro) de cobre similar. Los cables más pequeños (26 AWG) también hacen mejor uso del espacio. Por ejemplo, pasar de un cable cuadraxial (cuatro de 24 AWG) a un SPE (dos de 26 AWG) reduce el diámetro del cable alrededor de un 15 %. Las conexiones SPE se pueden certificar para operar a 100 Mbs en longitudes de 15 m (49 pies). Las disposiciones futuras harán posible longitudes y velocidades de hasta 1,000 Mbs de 40 m (131 pies).

Existe la posibilidad de un ahorro de peso similar al pasar del cableado trenzado SPE blindado al de fibra óptica, similar al caso del CAN bus ya comentado.

Los conectores de la serie 369 utilizan contactos estándar de especificación militar AS39029. Estos contactos miniaturizados son resistentes, en particular, contra la vibración. La carcasa del conector está fabricada con materiales compuestos fuertes, tan sólidos como el acero, pero un 40 % más livianos.

Bastidores modulares:

La mayoría de los sistemas de prevención de colisiones, IFE, comunicaciones aire-tierra y otros sistemas de aviónica en la actualidad utilizan componentes electrónicos con una carcasa metálica estándar de Aeronautics Radio INC (ARINC) 600 que contiene hasta 12 unidades de concepto modular (MCU) en una caja centralizada. Sin embargo, una caja grande tiene limitaciones significativas, lo que inspiró el desarrollo de los estándares de la serie ARINC 800 en respuesta a la tendencia general hacia la computación integrada en PCB miniaturizadas implementadas a nivel local. La familia de estándares ARINC 800 incluye:

• ARINC 836 define alojamientos modulares y estandarizados estilo gabinete, cableado, conectores y métodos de puesta a tierra para cabinas de aeronaves
  
• ARINC 836A establece un principio de mini bastidor modular (MiniMRP) para el empaque de los sistemas de aviónica
• El MiniMRP conforme a ARINC 836A cuenta con un factor de forma compacto que utiliza conexiones que pueden reducir tamaño en un 40 % y el peso en un 60 % en comparación con una carcasa metálica estándar para aeronaves UAM

La implementación de una solución de CAN bus de dos alambres y SPE con MiniMRP para la conectividad UAM reduce muy poco el peso total de la aeronave. Sin embargo, el tamaño reducido contribuye en gran medida al rendimiento de vuelo.

En el diseño UAM, existe una relación compleja entre el peso en vacío (eW), la potencia de despegue (T) y la carga del disco (DL). Un aumento en DL corresponde a un incremento en eW.⁶ Y se ha demostrado que el crecimiento de DL corresponde de forma parabólica al de la T máxima.⁷

En comparación con una solución de cuatro alambres para AFDX, una solución de dos alambres de CAN bus, o un conector SPE o de fibra óptica con conectores de peso optimizado puede reducir potencialmente el cableado de aviónica y el peso de la conexión en un 50 %.

En el caso de las aeronaves UAM más pequeñas, las pequeñas reducciones de peso pueden tener un efecto sustancial. Reducir el peso del sistema de aviónica de 20 kg (44 libras) a 10 kg (22 libras) en una eVTOL con un Wgto de 2,000 libras puede disminuir de manera significativa la DL, lo que tiene un efecto dominó positivo que afecta al tamaño y la masa del rotor, el motor y la batería, a la vez que contribuye a un compartimiento de aviónica más compacto, sin sacrificar la robustez de la electrónica.

• Las aeronaves AAM y las eVTOL son una alternativa más silenciosa y ecológica que los carros de hidrocarburos y los helicópteros tradicionales para viajar en entornos urbanos.
• Minimizar el peso bruto durante el despegue es crítico para hacer realidad la UAM.
• Si bien representan solo una fracción del peso total de los componentes eléctricos o electrónicos, las conexiones y el cableado más avanzados pueden contribuir de manera significativa a educir el peso en las eVTOL.
• Las tecnologías avanzadas de CAN bus, Ethernet de un par y principio de bastidor modular avanzado pueden reducir el peso de la aviónica para aumentar el rendimiento de vuelo UAM.
  

1. Source of wiring weight in Boeing 747 (4,000 pounds): Weber, Austin. Wire Processing: The Future of Wire. Asamblea, 30 de marzo de 2011. Último acceso: 20 de abril de 2020.
2. Graves, R., Advancing Aircraft Connectivity with a Single Pair Ethernet Solution, TE Connectivity, Harrisburg, PA, abril de 2020, pp. 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 de septiembre de 2016. Último acceso: 20 de abril de 2020.
4. Bacchini, A. y Cestino, E., Electric VTOL Configurations Comparison, Aerospace 2019, 6, 26, febrero de 2019, pp. 7-13. doi:10.3390/aerospace6030026.
5. Johnson, W., Silva C. y Solís, E., Concept Vehicles for VTOL Air Taxi Operations, AHS Technical Conference on Aeromechanics Design for Transformative Vertical Flight, San Francisco, CA, enero de 2018.
6. Gatti, M., Preliminary Design Analysis Methodology for Electric Multirotor, Conference Paper in IFAC Proceedings Volumes, noviembre de 2013, p. 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, p. 20.