Réduire le poids du système avionique pour faciliter le décollage des eVTOL

Les avions civils d'aujourd'hui transportent plus d'électronique que jamais. Les concepteurs doivent installer des écrans, des capteurs, des plateformes de données, des interrupteurs, des disques SSD, des ordinateurs, des serveurs de divertissements de bord (IFE) et d'autres composants électroniques dans l'ensemble du fuselage et de la cabine, ce qui nécessite une énorme quantité de câblages.

Avions classiques :

Pour ne citer qu'un seul exemple, le poids total de tous les câbles et connecteurs d'un avion commercial gros-porteur est estimé à 1 814 kg (4 000 lbs).¹ Le transport de cette masse consomme près de 227 125 litres (60 000 gallons) de kérosène par an. Sur la base du coût moyen du kérosène aux États-Unis au moment de la publication (6,61 dollars/gallon en novembre 2022), le coût annuel de cette quantité de carburant est de 396 600 dollars. Les émissions annuelles de CO₂ résultant de la combustion d'une telle quantité de carburant s'élèvent à 2 785 200 kg (1 266 000 lbs), soit l'équivalent des émissions automobiles de 124 véhicules de tourisme.²

Dans les avions conventionnels, le poids est étudié pour optimiser le rayon d'action et l'autonomie. Environ un tiers du poids est perdu lors de la consommation de carburant au décollage et l'avion continue de perdre du poids au fur et à mesure que le carburant est consommé pendant le reste du vol.³

UAM et aéronefs eVTOL :

L'effet du poids sur les UAM et les aéronefs eVTOL est très différent. Le poids des véhicules reste constant pour les aéronefs fonctionnant sur batterie et presque constant pour les UAM hybrides. Par conséquent, la conception des UAM peut être optimisée en fonction de la capacité de charge utile, du nombre de passagers, de l'autonomie et des considérations de sécurité. Le poids du véhicule influe sur la puissance requise pour le vol stationnaire et sur la détermination de la taille du moteur et des besoins en batterie de l'aéronef.⁴ Il est essentiel de réduire le poids de chaque composant sans compromettre les performances de l'aéronef.

Les relations entre le poids et autres variables de conception ont des répercussions en cascade. Par exemple, la réduction du poids du système avionique intégré réduit la masse globale des aéronefs UAM, ce qui réduit la charge du disque (DL). Cela permet en retour de réduire la puissance requise pour maintenir la vitesse du rotor, ce qui diminue la taille de la batterie et, en fin de compte, le poids total de l'aéronef.

Selon le type et la capacité en passagers d'un aéronef UAM, ses composants électriques et électroniques représentent entre 27 et 68 % du poids du système non structurel, hors passagers (figure 1).⁵

Un bus CAN (Controller Area Network) avancé, une connectivité Ethernet à paire unique (SPE) et des technologies d'interconnexion modernes fondées sur le principe d'un rack modulaire peuvent réduire le poids des systèmes avioniques intégrés. Ceux-ci peuvent améliorer les performances de vol d'un eVTOL en termes de charge de disque (DL) tout en renforçant la robustesse du système et la bande passante.

Communications en série :

Dans les années 1980, Robert Bosch GmbH a développé le protocole CAN pour les applications automobiles. La norme a depuis été adaptée aux aéronefs. Le bus CAN offre une alternative légère, économique et facile à mettre en œuvre au câblage à paires torsadées pour les fonctions avioniques de base des véhicules eVTOL.

Le format de trame CAN classique prend en charge les messages courts contenant jusqu'à 8 octets de données et est disponible en différentes versions. Le débit binaire maximal du bus CAN « haute vitesse » (ISO 11898) est de 1 Mbit/s. Le protocole CAN FD (CAN Flexible Data), un format relativement nouveau, permet de disposer de charges utiles de données plus importantes (64 octets) et de débits binaires plus rapides, 8 Mbit/s, permettant un débit jusqu'à 800 % plus rapide.

Dans les applications aéronautiques conventionnelles, le bus CAN est utilisé :

• Dans les panneaux de commande du système radio dans le poste de pilotage, les éléments remplaçables en escale (LRU) du système radio et les interfaces de commande du moteur ;
• Pour les écrans LCD des instruments de vol dans les habitacles vitrés ;
• Pour alimenter les systèmes de contrôle et les unités de mesure inertielle (IMU) avec des données telles que l'altitude, la vitesse, la position, les paramètres du moteur et d'autres données essentielles pour les véhicules aériens sans pilote (UAV) et les drones.

Pour les applications eVTOL, le bus CAN peut être utilisé pour assurer la commande électronique des volets, du compensateur, des commandes moteur et des systèmes de pilotage automatique en lieu et place des liaisons mécaniques directes et encombrantes entre les commandes de vol et la surface de vol. D'autres réductions de poids peuvent être obtenues par l'emploi d'un câblage en fibre optique pour les réseaux de bus CAN. Si l'on compare les cordons fibre optique aux câbles préassemblés de bus CAN en cuivre à paires torsadées, il est souvent possible de remplacer plusieurs câbles blindés à paires torsadées par un seul câble fibre optique multiple.  Cela peut entraîner une réduction du poids du câble de plus de 90 %, en fonction du calibre du fil AWG remplacé.  De plus, l'immunité aux interférences électromagnétiques du câble fibre optique présente des avantages potentiels, qui peuvent être pris en compte sur les plates-formes eVTOL impliquant des onduleurs CC-CA.

Communications Ethernet :

La spécification ARINC 664 exige un câble quad (quatre fils) ou un câble fibre optique. Le câble quad en cuivre utilisant des connecteurs circulaires MIL-DTL-389994 peut supporter jusqu'à 100 Mbit/s.

Une nouvelle norme a été publiée récemment concernant l'Ethernet à paire unique (SPE) dans le cadre des spécifications de l'ARINC 854 (Cabin Equipment Network Bus). Les connecteurs et câbles compatibles sont décrits respectivement dans les spécifications ARINC 800 Section 2 et 3.

Reprenant les caractéristiques du bus CAN, l'ARINC 854 est basé sur la norme 100Base-T1 (IEEE 802.3bw) développée dans le monde de l'automobile. Les connecteurs compatibles sont disponibles sur la base des connecteurs de la série DEUTSCH 369, une famille de connecteurs rectangulaires offrant des solutions robustes sous un format compact.

Les gains de poids d'une solution SPE sont considérables. Le câble SPE est jusqu'à 73 % plus léger qu'un système comparable de câblage en cuivre à quatre fils. Les câbles de plus petites dimensions (calibre de 26 AWG) améliorent également l'utilisation de l'espace. Par exemple, remplacer un câble avec quatre fils 24 AWG par un câble SPE avec deux fils 26 AWG réduit le diamètre du câble d'environ 15 %. Les liaisons SPE peuvent être certifiées pour un fonctionnement de 100 Mbit/s sur des longueurs de 15 m (49 pieds). Les prochaines spécifications permettront des longueurs de 40 m (131 pieds) et des vitesses allant jusqu'à 1 000 Mbit/s.

Remplacer un câblage blindé à paires torsadées SPE par un câblage fibre optique permet de réaliser une économie de poids similaire, semblable au cas du bus CAN déjà évoqué.

Les connecteurs de la série 369 utilisent des contacts AS39029 Mil-Spec standard. Ces contacts miniaturisés sont particulièrement résistants aux vibrations. Le capot du connecteur est fabriqué à partir de matériaux composite renforcés qui sont aussi résistants que l'acier mais 40 % plus légers.

Racks modulaires :

La plupart des systèmes actuels anticollision, d'IFE, de communications air-sol et autres systèmes avioniques utilisent des composants électroniques intégrés dans un boîtier métallique conforme à la norme ARINC (Aeronautics Radio INC) 600, qui contient jusqu'à 12 unités conceptuelles modulaires (MCU) dans un « boîtier » centralisé. Cependant, un gros boîtier présente des limites importantes, ce qui a inspiré le développement des normes de la série ARINC 800 en réponse à la tendance générale à l'informatique embarquée sur des cartes de circuits imprimés (PCB) miniaturisées utilisées localement. La famille des normes ARINC 800 comprend :

• L'ARINC 836 définit les boîtiers, les câbles, les connecteurs et les méthodes de mise à la masse modulaires et standardisées pour les cabines d'avion
  
• L'ARINC 836A établit un principe de mini-rack modulaire (MiniMRP) pour le conditionnement de l'avionique
• L'ARINC 836A MiniMRP offre un facteur de forme compact utilisant des interconnexions qui peuvent réduire la taille du boîtier de 40 % et le poids de 60 % par rapport à un boîtier métallique standard pour UAM

La mise en œuvre d'un bus CAN à deux fils et d'une solution SPE avec MiniMRP pour la connectivité UAM réduit le poids d'une petite fraction seulement de la masse totale de l'UAM. Cependant, cette réduction contribue fortement aux performances de vol.

Dans la conception de l'UAM, il existe une relation complexe entre le poids à vide (eW), la puissance de décollage (T) et la charge du disque (DL). Une augmentation du DL correspond à une augmentation du eW.⁶ De plus, il a été démontré que l'augmentation du DL correspond paraboliquement à une augmentation de la T maximale.⁷

Par rapport à une solution à quatre fils pour AFDX, une solution à deux fils de bus CAN/connecteur SPE/fibre optique avec des connecteurs optimisés en termes de poids peut potentiellement réduire le câblage avionique et le poids de l'interconnexion de 50 %.

Pour les petits aéronefs UAM, l'effet de petites réductions de poids peut être notable. La réduction du poids du système avionique de 20 kg (44 lb) à 10 kg (22 lb) dans un aéronef eVTOL avec un poids brut au décollage (Wgto) de 907 kg (2 000 lb) peut réduire considérablement la DL, ce qui a un effet positif qui affecte la taille et la masse du rotor, du moteur et de la batterie, tout en contribuant à obtenir un compartiment électronique plus compact sans sacrifier la robustesse de l'électronique.

• Les aéronefs AAM et eVTOL promettent une alternative plus silencieuse et plus respectueuse de l'environnement que les voitures alimentées aux hydrocarbures et les hélicoptères conventionnels pour les déplacements en milieu urbain.
• La réduction du poids brut au décollage est essentielle pour faire de la mobilité aérienne urbaine une réalité.
• Bien que les interconnexions et le câblage avancés ne représentent qu'une fraction du poids total des composants électriques/électroniques, ils peuvent contribuer de manière significative à la réduction du poids des aéronefs eVTOL.
• Les technologies modernes de bus CAN, d'Ethernet à paire unique et d'interconnexion modulaire avancée peuvent réduire le poids de l'avionique et améliorer les performances de vol des UAM.
  

1. Source of wiring weight in Boeing 747 (4,000 pounds) : Weber, Austin. « Wire Processing : The Future of Wire. » Assemblée, 30 mars 2011. Consulté le 20 avril 2020.
2. Graves, R., Advancing Aircraft Connectivity with a Single Pair Ethernet Solution, TE Connectivity, Harrisburg, PA, Avril 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 septembre 2016. Consulté le 20 avril 2020.
4. Bacchini, A. and Cestino, E., Electric VTOL Configurations Comparison, Aerospace 2019, 6, 26 février 2019, pp. 7-13. doi:10.3390/aerospace6030026.
5. Johnson, W., Silva C., and Solis, E., Concept Vehicles for VTOL Air Taxi Operations, AHS Technical Conference on Aeromechanics Design for Transformative Vertical Flight, San Francisco, CA, janvier 2018.
6. Gatti, M., Preliminary Design Analysis Methodology for Electric Multirotor, Conference Paper in IFAC Proceedings Volumes, novembre 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.