Fibra óptica robusta: soluciones para sistemas eVTOL

En un futuro muy cercano, las eVTOL contarán con nuevas opciones para transportar carga y pasajeros, a la vez que harán posible que los proveedores de servicios de emergencia brinden mejores servicios de extinción de incendios, seguridad, y búsqueda y rescate (SAR). Las eVTOL operan a altitudes de 150 m (500 pies) a 4 km (2.5 mi) sobre el nivel del suelo.

Los sistemas eVTOL presentan dos oportunidades clave dentro del mercado de la movilidad aérea urbana (UAM) para utilizar mejor el espacio aéreo sobre y entre núcleos de población donde el transporte aéreo tradicional es ineficiente o imposible. La primera es el transporte local dentro de las zonas urbanas o entre zonas urbanas y suburbanas, mercado que en la actualidad cubren taxis, helicópteros, empresas de transporte compartido o transporte público. La segunda es el transporte regional dentro de un radio de 150 a 250 km (90 a 160 mi) que las aerolíneas comerciales no cubren por completo en la actualidad.

Para 2030, los expertos predicen que habrá miles de eVTOL en circulación y que el sector de la movilidad aérea urbana (UAM) crecerá hasta convertirse en un mercado de más de un billón de dólares para 2040. Mientras tanto, los grupos de la industria UAM, los fabricantes de plataformas eVTOL y los reguladores locales actúan con rapidez para diseñar mejores aeronaves, establecer requisitos de certificación, determinar la infraestructura de soporte y desarrollar protocolos de manejo del tráfico para las eVTOL.

Todos los diseñadores y fabricantes de aeronaves buscan componentes de aviónica que agreguen un peso mínimo y que, a la vez, reduzcan la cantidad de espacio requerido para cables y conexiones. No obstante, las necesidades tecnológicas y las limitaciones de espacio de las aplicaciones eVTOL son marcadamente diferentes de las de la mayoría de las aeronaves comerciales, lo que presenta nuevas oportunidades para cables y conectores de fibra óptica robusta (RFO).

Protección EMI: en los aviones comerciales, el control de la interferencia electromagnética (EMI) es importante para que otros ruidos en el entorno no corrompan las señales sensibles; sin embargo, en los sistemas eVTOL, el problema es un poco diferente. Las señales de control críticas pasan a través de zonas con inversores de corriente continua (CC) a corriente alterna (CA), lo que crea un entorno difícil que puede agregar diafonía y ruido al cableado de cobre. La necesidad de una mayor resistencia a la EMI y a la diafonía puede resolverse con el uso de componentes RFO en las eVTOL.

Monitoreo del estado de la aeronave: los helicópteros de rotor y otras plataformas tradicionales tienen sistemas de monitoreo de uso y estado (HUMS) y sistemas de pronóstico y manejo de estado (PHM) que incluyen conjuntos de sensores y registradores de datos para realizar un seguimiento de la estructura del vehículo, los sistemas del motor, los componentes de la transmisión y otras partes críticas de la nave. Estos sistemas recopilan grandes cantidades de datos que se utilizan para realizar monitoreo en tiempo real o se descargan al final de cada vuelo. Esta información debe recopilarse para certificar el estado del vehículo para su próximo vuelo. Si las plataformas eVTOL requieren sistemas HUMS y PHM similares, estos sistemas requerirán cableado y ensambles adicionales que afectarán los límites de peso e impulsarán el uso de fibra óptica avanzada para reducir peso.

Sistemas redundantes: los requisitos de certificación para las eVTOL no se han definido por completo. No obstante, es probable que estos requisitos requieran la inclusión de sistemas redundantes que dependan de diferentes tecnologías para que un modo de falla no se aplique a ambos sistemas. Como resultado, un sistema de control crítico primario que contenga componentes de cobre tendrá un sistema de respaldo que dependa de la fibra óptica o viceversa.

Facilidad de uso y mantenimiento: existe la percepción errónea de que la fibra óptica y los conectores de fibra óptica son difíciles de usar y mantener. Esto puede haber sido cierto cuando la mayoría de las conexiones de fibra óptica se realizaban en el campo. En la actualidad, la mayoría de los arneses y ensambles de cables de fibra óptica se fabrican en líneas de producción en entornos controlados. Los fabricantes pueden mantener la limpieza, probar las conexiones y verificar el rendimiento antes de que el ensamble se envíe al usuario final y se verifique en la plataforma. Los ensambles avanzados de fibra óptica se pueden diseñar y fabricar con los mecanismos necesarios para mantener la limpieza durante su instalación y la construcción de toda la aeronave.

Ancho de banda: en los aviones comerciales, la creciente demanda de acceso Wi-Fi, transmisión de video y entretenimiento a bordo impulsa una creciente necesidad de más ancho de banda para dar servicio a cientos de pasajeros en la red de una aeronave. El entretenimiento a bordo no resulta un tema de preocupación en los vuelos urbanos cortos, y la mayoría de los protocolos para los controles de motor o rotor y vuelo de las eVTOL requieren cables de baja velocidad CANbus o Ethernet 10BASE-T, por lo que es posible que las soluciones RFO de alta velocidad y gran ancho de banda no sean necesarias para algunos sistemas eVTOL. Sin embargo, con su factor de forma más pequeño y las otras ventajas que ofrecen en comparación con el cobre, las soluciones de fibra óptica robusta son más adecuadas para la mayoría de las aplicaciones eVTOL.

La reducción de peso en las eVTOL que se alimentan por batería por lo general alargan la vida de la batería, lo que puede ampliar la autonomía de la aeronave o ayudar a aumentar el número de pasajeros o la carga útil. Por cada 150 kg (330 lb) menos de peso, se puede agregar un pasajero más, o se pueden ampliar la autonomía y el tiempo de vuelo de la aeronave. Se puede lograr una significativa reducción de peso con la implementación de tecnología de fibra óptica robusta.

Las soluciones avanzadas de fibra óptica por lo general pesan menos y requieren menos espacio que las eléctricas. Por ejemplo, cambiar un cable Cat 5 de cloruro de polivinilo (PVC) a uno de fibra óptica dúplex, que por lo general se utiliza para un enlace Ethernet óptico, puede ofrecer ahorro de espacio de hasta 25 % de y reducción de peso de hasta un 50 %. Esto se debe a que los dos tipos de cable tienen construcciones diferentes. La opción de fibra contiene fibras ópticas, elementos de resistencia Kevlar® y el material de la cubierta. El cable Cat 5 tiene cuatro pares trenzados u ocho alambres de cobre. Asimismo, el blindaje de cobre aumenta el diámetro del cable y hace más pesado el ensamble en general.

En un análisis reciente, se propuso utilizar un cable óptico de 5 fibras en un sistema de control para una nueva aeronave. El cable de 5 fibras se comparó con un cable de par trenzado equivalente utilizando un cable CANbus en dos calibres diferentes. El cable CANbus necesitó 2.5 veces más cable y aumentó hasta 12 veces el peso para realizar las mismas conexiones que el cable de 5 fibras. Los resultados se resumen a continuación.

Muchos de los diseños eVTOL propuestos cuentan con innovadores ensambles estructurales que tienen estrictas restricciones de espacio y volumen. Los conectores Physical Contact y los de haz expandido, junto con los circuitos flexibles de fibra óptica, hacen posible diseñar ensambles de cables o sistemas de conexión que caben en un espacio disponible limitado.

Tipos de conectores de fibra óptica robusta

Durante décadas, se han calificado, utilizado y actualizado los cables y conectores de fibra óptica robusta para aplicaciones comerciales, militares e industriales en el aire, la tierra, encima y debajo del agua, y en el espacio. Esa experiencia ha dado lugar a dos opciones de probada eficiencia para las conexiones de fibra óptica:

• Physical Contact (PC): dos ferrules, por lo general de cerámica, se unen bajo la fuerza de un resorte y se alinean con cuidado para acoplar la luz a través de la interfaz.
• Haz expandido (EB): se separan dos ferrules y se insertan elementos de lente para crear una conexión de haz paralelo en espacio libre. 
  

Cualquier plataforma de vuelo eVTOL que incluya fibra óptica en sus sistemas primarios o secundarios también debe incluir transceptores y convertidores de medios que cambien una señal eléctrica a una señal luminosa equivalente. Los transceptores ópticos a menudo forman parte de un circuito de conversión de medios como los circuitos integrados de protocolo de capa física (PHY).

A nivel básico, el medio de transporte está cambiando de cable de cobre a fibra óptica o viceversa. Tras un examen más detallado, existen múltiples niveles en la conversión dentro de un transceptor de fibra óptica. Por ejemplo, la señalización eléctrica en un transceptor de fibra óptica no es la misma que la de un cable CANbus o Ethernet. Los dos pueden tener diferentes números de canales y de niveles de señalización eléctrica. Se requiere un convertidor de medios para convertir la señal en un formato eléctrico que un transceptor de fibra óptica pueda utilizar para completar la conversión final.

En algunos casos, las antenas de RF, los sensores y otros componentes envían o reciben señales analógicas dentro de los sistemas eVTOL. Los transceptores de RF sobre fibra equivalentes con modulación analógica están disponibles para realizar conversiones analógicas a ópticas. 

Fabricantes, diseñadores, organizaciones de la industria y organismos gubernamentales de todo el mundo se apresuran a desarrollar plataformas, infraestructura y regulaciones que definirán el futuro del mercado de las eVTOL. TE Connectivity cuenta con una amplia gama de soluciones robusta de fibra óptica junto con la experiencia y los conocimientos para ayudar a desarrollar las soluciones avanzadas de fibra óptica que hacen realidad tus diseños eVTOL.

• Las aplicaciones eVTOL dentro del mercado de la movilidad aérea urbana proporcionan transporte aéreo dentro y entre los núcleos de población donde el transporte aéreo tradicional es ineficiente o imposible.
• Con las soluciones de fibra óptica robusta se logra ahorrar hasta un 25 % de espacio y un 50 % de peso. Por cada 150 kg (330 lb) menos de peso, se puede agregar un pasajero más a la eVTOL, o se pueden ampliar la autonomía y el tiempo de vuelo de la aeronave.
• Los circuitos flexibles de fibra óptica facilitan el enrutamiento y el manejo avanzado de miles de fibras en un único sustrato robusto que es duradero y confiable.
• La mayoría de los sistemas eVTOL requerirán transceptores y convertidores de medios para traducir señales digitales y analógicas entre las soluciones con base en cobre y las de fibra óptica.
• TE Connectivity cuenta con una amplia gama de soluciones de fibra óptica robusta junto con la experiencia y los conocimientos para ayudar a desarrollar las soluciones avanzadas de fibra óptica que hacen realidad tus diseños eVTOL.