Solutions fibre optique robustes pour les systèmes eVTOL

Dans un avenir très proche, les avions électriques à décollage et atterrissage verticaux (eVTOL) offriront de nouvelles options de mobilité pour transporter du fret et des passagers, tout en permettant aux fournisseurs de services d'urgence d'offrir des services améliorés en matière d'incendie, de sécurité et de recherche et sauvetage (SAR) aux communautés qu'ils desservent. Les avions eVTOL sont capables de voler à des altitudes allant de 150 mètres (500 pieds) à 4 kilomètres (2,5 miles) au-dessus du sol.

Les systèmes eVTOL présentent deux opportunités clés sur le marché de la mobilité aérienne urbaine (UAM) pour mieux utiliser l'espace aérien au-dessus et entre les centres de population où le transport aérien traditionnel est inefficace ou impossible. Il y a tout d'abord le transport local dans les zones urbaines ou entre les zones urbaines et périurbaines, un marché qui est actuellement desservi par les taxis, les hélicoptères, les sociétés de covoiturage et les transports en commun. Vient ensuite le transport régional dans une fourchette de 150 à 250 kilomètres qui n'est pas entièrement desservie par les compagnies aériennes commerciales à l'heure actuel.

D'ici 2030, les experts prédisent que des milliers d'avions eVTOL seront en service et que le secteur de l'UAM se développera pour devenir un marché atteignant plus d'1 billion de dollars d'ici 2040. Avant d'en arriver là, les groupes industriels d'UAM, les fabricants de plates-formes eVTOL et les autorités de réglementation locales doivent s'efforcer de mettre au point de meilleurs appareils, d'établir des exigences de certification, de déterminer l'infrastructure de soutien et de développer des protocoles de gestion du trafic eVTOL.

Tous les concepteurs et fabricants d'aéronefs recherchent des composants pour l'avionique qui ajoutent un poids minimal aux appareils tout en réduisant l'espace requis pour le câblage et les interconnexions. Cependant, les besoins technologiques et les contraintes d'espace des systèmes eVTOL sont nettement différents de ce qui est requis dans la plupart des avions commerciaux, ce qui présente de nouvelles opportunités pour les câbles et connecteurs à fibre optique robustes (RFO).

Protection contre les interférences électromagnétiques : pour les avions commerciaux, il est important de contrôler les interférences électromagnétiques (EMI) afin que les signaux sensibles ne soient pas corrompus par d'autres bruits présents dans l'environnement. Cependant, dans les systèmes eVTOL, le problème est légèrement différent. Les signaux de commande traversent des zones équipées d'onduleurs à courant continu (CC) et à courant alternatif (CA), ce qui crée un environnement difficile susceptible d'ajouter de la diaphonie et du bruit au câblage en cuivre. Le besoin d'une plus grande résistance aux interférences électromagnétiques et à la diaphonie peut être résolu grâce à l'utilisation de composants RFO dans les eVTOL.

Surveillance de l'état des appareils : les hélicoptères à rotor et d'autres plateformes traditionnelles sont équipés de systèmes de surveillance de l'état et de l'utilisation (HUMS) et de systèmes de pronostic et management de la santé (PHM) qui comprennent des réseaux de capteurs et d'enregistreurs de données pour suivre la structure du véhicule, les moteurs, les composants d'entraînement et d'autres parties critiques de l'appareil. Ces systèmes collectent des quantités importantes de données qui sont soit utilisées dans la surveillance en temps réel pendant le vol, soit téléchargées à la fin de chaque vol. Ces informations doivent être recueillies afin de certifier l'état du véhicule pour son prochain vol. Si les plateformes eVTOL requièrent des systèmes HUMS et PHM similaires, ces systèmes nécessiteront un câblage et des assemblages supplémentaires qui auront un impact sur les limites de poids et favoriseront l'utilisation de fibres optiques avancées pour réduire le poids.

Systèmes redondants : les exigences de certification pour les avions eVTOL sont encore en cours de définition. Cependant, il est probable que ces exigences nécessiteront l'intégration de systèmes redondants qui reposent sur des technologies différentes, de sorte qu'un mode de défaillance ne s'applique pas aux deux systèmes. Par conséquent, un système de contrôle critique primaire qui contient des composants en cuivre disposera d'un système de secours qui s'appuie sur la fibre optique ou inversement.

Facilité d'utilisation et d'entretien : on pense à tort que la fibre optique et les connecteurs fibre optique sont difficiles à utiliser et à entretenir. C'était peut-être le cas lorsque la plupart des connexions à fibre optique étaient raccordées sur le terrain. Aujourd'hui, la plupart des assemblages et des faisceaux de câbles fibre optique sont construits sur des lignes de production dans des environnements contrôlés. Les fabricants peuvent veiller à la propreté, tester les connexions et vérifier les performances avant que l'assemblage ne soit expédié à l'utilisateur final et vérifié sur la plateforme. Des assemblages de fibres optiques avancés peuvent être conçus et construits avec les mécanismes nécessaires pour préserver la propreté tout au long de l'installation et de la construction de l'aéronef complet.

Bande passante : dans les avions commerciaux, la demande croissante d'accès Wi-Fi, de vidéo en streaming et de divertissement en vol entraîne un besoin accru de bande passante supplémentaire pour desservir des centaines de passagers sur le réseau d'un avion. Le divertissement en vol est moins préoccupant pour les vols urbains plus courts et la plupart des protocoles eVTOL pour le moteur/rotor et les commandes de vol nécessitent des câbles Ethernet ou CANbus 10BASE-T à faible vitesse, si bien que les solutions RFO à grande vitesse et à large bande passante ne sont pas forcément nécessaires pour certains systèmes eVTOL. Cependant, avec leur facteur de forme plus petit et les autres avantages qu'elles offrent par rapport au cuivre, les solutions fibre optique robustes sont plus adaptées à la plupart des applications eVTOL.

La réduction du poids des eVTOL alimentés par batterie se traduit généralement par une augmentation de la durée de vie de la batterie, ce qui peut prolonger l'autonomie de l'avion ou contribuer à augmenter la charge de passagers ou la charge utile. Pour chaque gain de poids de 150 kg, un passager supplémentaire peut être ajouté à l'eVTOL ou l'autonomie et le temps de vol de l'avion peuvent être prolongés pour les passagers et/ou le fret existants. Des économies de poids importantes peuvent être réalisées grâce à la mise en œuvre d'une technologie de fibre optique robuste.

Les solutions de fibre optique avancées sont généralement moins lourd et nécessitent moins d'espace que leurs équivalents électriques. Par exemple, l'utilisation d'un câble fibre optique duplex, qui est généralement utilisé pour une liaison Ethernet optique, au lieu d'un câble de catégorie 5 en polychlorure de vinyle (PVC), peut permettre d'économiser jusqu'à 25 % d'espace et de réduire le poids jusqu'à 50 %. En effet, les deux types de câbles ont des constructions différentes. La version avec fibres comprend des fibres optiques, des éléments de résistance en Kevlar® et le matériau de la gaine. Sur le plan électrique, le câble Cat 5 comporte quatre paires torsadées, soit huit brins de cuivre. Il y a également le blindage en cuivre, ce qui se traduit par un câble de plus gros diamètre et augmente ainsi le poids total de l'ensemble.

Dans une analyse récente, un câble à 5 fibres optiques a été proposé pour être utilisé dans un système de contrôle d'un nouvel aéronef. À titre de comparaison, le câble à 5 fibres a été comparé à un câble à paires torsadées équivalent utilisant un câble CANbus de deux calibres différents. Le câble CANbus nécessitait 2,5 fois plus de câble et contribuait jusqu'à 12 fois plus de poids pour effectuer les mêmes connexions que le câble à 5 fibres. Ces résultats sont présentés ci-dessous.

De nombreuses conceptions d'eVTOL proposées présentent de nouveaux assemblages structurels avec des contraintes strictes en termes d'espace et de volume. Les connecteurs à contact physique et à faisceau élargi couplés à des circuits flexibles à fibre optique permettent de concevoir des assemblages de câbles ou des systèmes d'interconnexion qui s'intègrent dans un espace limité.

Types de connecteurs fibre optique renforcés

Depuis des décennies, les câbles et connecteurs fibre optique robustes sont qualifiés, utilisés et entretenus pour des applications commerciales, militaires et industrielles dans les airs, au sol, au-dessus de l'eau et sous l'eau, ainsi que dans l'espace. Grâce à ces connaissances, deux options ont fait leurs preuves dans le domaine des connexions de fibres optiques :

• Contact physique (PC) – Deux ferrules, généralement en céramique, sont réunis sous l'effet d'un ressort et alignés avec soin pour coupler la lumière à travers l'interface.
• Faisceau élargi (EB) – Deux ferrules sont séparées et des lentilles sont insérées pour créer une connexion de faisceau de lumière collimatée dans l'espace libre. 
  

Toute plateforme volante eVTOL qui inclut la fibre optique dans ses systèmes primaires ou secondaires doit également inclure des émetteurs-récepteurs et des convertisseurs de média qui transforment un signal électrique en signal lumineux équivalent. Les émetteurs-récepteurs optiques font souvent partie d'un circuit de conversion de média comprenant les circuits intégrés de protocole de couche physique (« PHY »).

À un niveau de base, le support de transport passe du câble en cuivre à la fibre optique ou inversement. En y regardant de plus près, il y a plusieurs couches de conversion dans un émetteur-récepteur à fibre optique. Par exemple, la signalisation électrique d'un émetteur-récepteur à fibre optique n'est pas la même que celle d'un câble CANbus ou Ethernet. Les deux peuvent avoir des nombres de canaux différents et des niveaux de signalisation électrique différents. Un convertisseur de média est nécessaire pour convertir le signal dans un format électrique qu'un émetteur-récepteur à fibre optique peut utiliser pour effectuer la conversion finale.

Dans certains cas, les antennes RF, les capteurs et d'autres composants envoient ou reçoivent des signaux analogiques dans les systèmes eVTOL. Des émetteurs-récepteurs RF sur fibre équivalents à modulation analogique sont disponibles pour gérer les conversions analogiques-optiques. 

Les fabricants, les concepteurs, les organisations industrielles et les organismes gouvernementaux du monde entier s'efforcent de développer les plateformes, l'infrastructure et les réglementations qui définiront l'avenir du marché de l'eVTOL. TE Connectivity (TE) propose une large gamme de solutions fibre optique robustes, ainsi que l'expérience et l'expertise nécessaires pour vous aider à développer les solutions fibre optique avancées qui vous aideront à faire de vos concepts eVTOL une réalité.

• Les eVTOL sur le marché de la mobilité aérienne urbaine assurent le transport aérien à l'intérieur et entre les centres de population où le transport aérien traditionnel est inefficace ou impossible.
• Les solutions fibre optique robustes peuvent offrir jusqu'à 25 % d'économie d'espace et jusqu'à 50 % de réduction du poids. Pour chaque gain de poids de 150 kg, un passager supplémentaire peut être ajouté à l'eVTOL ou l'autonomie et le temps de vol de l'avion peuvent être prolongés pour les passagers et/ou le fret existants.
• Les circuits flexibles fibre optique facilitent le routage et la gestion avancée de milliers de fibres sur un seul substrat robuste, durable et fiable.
• La plupart des systèmes eVTOL nécessitent des émetteurs-récepteurs et des convertisseurs de média pour convertir les signaux numériques et analogiques entre les solutions à fibre optique et à base de cuivre.
• TE Connectivity (TE) propose une large gamme de solutions fibre optique robustes, ainsi que l'expérience et l'expertise nécessaires pour vous aider à développer les solutions fibre optique avancées qui vous aideront à faire de vos concepts eVTOL une réalité.