電子機器システムを軽量化して eVTOL の離陸を支援する

今日の民間航空機には、かつてないほど多数の電子機器が搭載されています。設計者は、画面、センサ、データ ハブ、スイッチ、SSD アレイ、コンピュータ、客室娯楽 (IFE) サーバなどの電子機器を機体および客室の全体に収める必要があります。これらには莫大な量の配線が必要になります。

従来型航空機:

一例を挙げると、広胴型の商用ジェット機に搭載されているすべての配線とコネクタの総重量は、1,814 kg/4,000 ポンドと算出されます。¹ この重量を運ぶために年間約 60,000 ガロンのジェット燃料が消費されています。公開時点での米国におけるジェット燃料の平均コスト (2022 年 11 月時点で 6.61 ドル/ガロン) に基づくと、その量の燃料の年間コストは 396,600 ドルです。さらに、この大量の燃料が燃焼されるによって発生する CO₂ の量は年間 2,785,200 kg (1,266,000 ポンド) に上ります。これは 124 台の乗用車からの CO₂ 排出量に相当します²。

従来型航空機では、重量は長距離と耐久性を実現するように最適化されています。離陸時の燃料消費で離陸重量の約 3 分の 1 が失われ、残りの飛行中にも燃料が消費されるため、さらに重量を減らし続けます。³

UAM および eVTOL 航空機:

UAM および eVTOL 航空機では、重量の影響が大きく異なります。バッテリー駆動の航空機では機体の重量は一定に保たれ、ハイブリッド UAM ではほぼ一定に保たれます。その結果、可搬質量、乗客数、航続距離、安全性に関する考慮事項に基づいて UAM の設計を最適化できます。機体の重量は、ホバリングに必要な出力や、航空機のモータ サイズとバッテリー要件の決定に影響を及ぼします。 ⁴航空機の性能を損なうことなく各コンポーネントを軽量化することが不可欠です。

重量とその他の設計変数には、カスケード効果があります。たとえば、一体型電子機器システムを軽量化すると UAM 航空機全体が軽量化され、円板荷重 (DL) が低減されます。これにより、ロータ回転速度の維持に必要な電力が低減され、それによってバッテリー サイズも縮小されることになり、最終的には機体全体の重量がさらに削減されます。

UAM 航空機のタイプと乗客定員にもよりますが、その電気および電子コンポーネントは、乗客以外の非構造システム重量の 27% から 68% を占めています (図 1)。⁵

高度な Controller Area Network (CAN) バス、シングル ペア イーサネット (SPE)、高度な Modular Rack Principle インターコネクション技術により、一体型電子機器システムの重量を軽減できます。これらによって、システムの堅牢性と帯域幅を強化しながら、円板荷重 (DL) の点で eVTOL 飛行性能を向上させることができます。

シリアル通信:

1980 年代、Robert Bosch GmbH は自動車用途向けの CAN プロトコルを開発しました。その後、この規格は航空機にも採用されています。CAN バスは、ツイストペア配線に代わる実装が容易で経済的かつ軽量な選択肢であり、eVTOL 航空機の基本的な電子機器機能に対応します。

従来の CAN フレーム フォーマットは、最大 8 バイトのデータ ペイロードを持つショート メッセージに対応し、さまざまなバージョンで利用できます。「高速」CAN バス (ISO 11898) の最大ビットレートは 1 Mbits です。比較的新しいフォーマットである CAN Flexible Data (CAN FD) プロトコルは、より大きなデータ ペイロード (64 バイト) とより高速なビットレート (8 Mbits) を可能にし、スループットを最大 800% 向上させます。

従来の航空機用途では、CAN バスが使用されています。

• 飛行甲板の無線システム制御パネルから無線システムへの交換ラインユニット (LRU) およびエンジン制御インタフェース。
• グラス コックピットの LCD 飛行計器ディスプレイ用。
• 制御システムや慣性測定装置 (IMU) に、高度、速度、位置、モータ パラメータなど、無人航空機 (UAV) やドローンに不可欠なデータを提供。

eVTOL 用途では、飛行制御と動翼との間の大きくて直接的な機械的連動装置の代わりに CAN バスを使用して、フラップ、トリム、エンジン制御、オートパイロット システムのフライバイワイヤ電子制御を行うことができます。CAN バス ネットワーク用の光ファイバ ケーブルに移行することで、さらなる軽量化を実現できます。FO ケーブル アセンブリとツイストペア CAN バス銅線ケーブル アセンブリを比較すると、多くの場合、複数のシールド ツイストペア ケーブルを 1 本のマルチ FO ケーブルで置き換えることができます。 これによって、交換する AWG に応じて、ケーブルの重量を 90% 以上削減できます。 また、FO ケーブルの EMI 対策からもメリットが期待できます。DC-AC インバータを使用する eVTOL プラットフォームでは考慮すべき点になります。

イーサネット通信:

ARINC 仕様 664 では、Quadrax (4 線) ケーブルまたは光ファイバ ケーブルが必要とされています。MIL-DTL-389994 丸型コネクタを使用する銅線 Quadrax ケーブルは、最大100 Mbps をサポートします。

最近の開発では、客室設備向けネットワーク バス向け ARINC 854 仕様に基づくシングル ペア イーサネット (SPE) 規格が発行されました。互換コネクタおよびケーブルは、それぞれ ARINC 800 パート 2 とパート 3 の仕様に準拠しています。

ARINC 854 は、CANバス の歴史に呼応するように、自動車業界で開発された 100Base-T1 (IEEE 802.3bw) 規格に基づいています。互換コネクタは、DEUTSCH 369 シリーズ コネクタに基づいて用意されています。これは、小さな筐体で堅牢なソリューションを提供する角形コネクタ製品群です。

SPE ソリューションによる軽量化は重要です。SPE ケーブルは、同等の 4 線銅線ケーブル システムと比較して、最大 73% の軽量化を実現しています。26 AWG のワイヤが使用されているケーブルもかなり細く、スペースの利用効率が向上します。たとえば、4 本の 24 AWG ワイヤで構成された Quadrax ケーブルを 2 本の 26 AWG ワイヤで構成された SPE ケーブルに置き換えると、ケーブルの直径はおよそ 15% 縮小します。SPE リンクは、15 m (49 フィート) の長さで 100 Mbps の伝送速度を実現する認証を受けることができます。将来的には、40 m (131 フィート) の長さで最大 1,000 Mbps の伝送が可能になります。

すでに説明した CAN バスの場合と同様に、SPE ツイスト シールド配線から光ファイバ ケーブルに移行する場合も、同様の軽量化を実現できる可能性があります。

369 シリーズ コネクタは、標準のミリタリ仕様 AS39029 端子を採用しています。この小型端子は、振動に対して特に堅牢です。コネクタ シェルは、鋼と同等の強度を持ちながら 40% 軽量な堅牢な複合材で作られています。

モジュラ ラック:

今日の衝突回避、IFE、空対地通信などの電子機器システムのほとんどは、エレクトロニクスが Aeronautics Radio INC (ARINC) 600 規格の金属製筐体にパッケージされており、最大 12 個の Modular Concept Unit (MCU) を集中的に「ボックス」に収容しています。しかし、大型のボックスには大きな制約があるため、現地で配備される小型のプリント基板 (PCB) 上にコンピュータを組み込むという一般的なトレンドに対応して、ARINC 800 シリーズの規格が策定されました。ARINC 800 規格の製品群には、以下の製品が含まれます。

• ARINC 836。航空機の客室に対応する標準化されたモジュラ式のラックスタイルの筐体、配線、コネクタ、接地方法を定義
  
• ARINC 836A。電子機器実装用の Mini Modular Rack Principle (MiniMRP) を確立
• ARINC 836A MiniMRP。UAM 航空機用の標準的な金属製筐体と比較して、パッケージ サイズを 40%、重量を 60% 削減できるインターコネクションを利用したコンパクトなサイズ形状を実現

UAM コネクティビティに MiniMRP による 2 線式 CAN バスおよび SPE ソリューションを実装しても、UAM 総質量のほんの一部しか軽量化できません。しかし、小型化は飛行性能に大きく貢献しています。

UAM の設計では、空虚重量 (eW)、離陸出力 (T)、円板荷重 (DL) の間に複雑な関係があります。DL の増加は eW の増加に対応します。⁶そして、DL の増加は、最大 T の増加に放物線状に対応することが知られています。⁷

重量が最適化されたコネクタを備えた 2 線式 CAN バス/SPE コネクタ/光ファイバ ソリューションは、AFDX 用の 4 線式ソリューションと比較して電子機器の配線と相互接続の重量を 50% 削減できる可能性があります。

小型の UAM 機の場合、わずかな軽量化で大きな効果を得られる可能性があります。2,000 ポンドの Wgto を搭載した eVTOL 航空機で、電子機器システムの重量を 20 kg (44 ポンド) から 10 kg (22 ポンド) に軽量化すると、DL を大幅に削減できます。これは、ロータ、モータ、バッテリーのサイズと質量に正の波及効果をもたらすと同時に、電子機器の堅牢性をそのままで、よりコンパクトな電子機器ベイに貢献します。

• AAM および eVTOL 航空機は、都市環境を走行する炭化水素燃料自動車や従来の回転翼機に代わる、より静かで環境的にクリーンな航空機となることが期待されます。
• 離陸総重量を最小限に抑えることは、アーバン エア モビリティを実現するうえで重要です。
• 高度なインターコネクションと配線は電気/電子コンポーネントの総重量のほんの一部にすぎませんが、eVTOL 航空機の軽量化に大きく貢献します。
• 高度な CAN バス、シングルペア イーサネット、高度な Modular Rack Principle インターコネクション技術により、電子機器の重量を軽減して UAM の飛行性能を高めることができます。
  

1. ボーイング 747 (4,000 ポンド) の配線重量の出典: Weber, Austin.「Wire Processing: The Future of Wire」、Assembly、2011 年 3 月 30 日。閲覧確認日: 2020 年 4 月 20 日。
2. Graves, R., Advancing Aircraft Connectivity with a Single Pair Ethernet Solution、TE Connectivity、ペンシルベニア州ハリスバーグ、2020 年 4 月、pp. 2-3。
3. 「Table 6-1: Large Commercial Aircraft – Incremental Fuel Burn」、Economic Values for FAA Investment & Regulatory Decisions Guide - サブセクション 6.3.1: Incremental Fuel Burn。Federal Aviation Administration: Regulations & Policies: Policy & Guidance: Benefit-Cost Analysis、2016 年 9 月 23 日。閲覧確認日: 2020 年 4 月 20 日。
4. Bacchini, A. and Cestino, E., Electric VTOL Configurations Comparison, Aerospace 2019、6、2019 年 2 月 26 日、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、カリフォルニア州サンフランシスコ、2018 年 1 月。
6. Gatti, M., Preliminary Design Analysis Methodology for Electric Multirotor、Conference Paper in IFAC Proceedings Volumes、2013 年 11 月号、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。