高耐久光ファイバ: eVTOL システムのソリューション

近い将来、電動垂直離着陸機 (eVTOL) は、貨物や乗客を運ぶ新しいモビリティ オプションを提供するとともに、緊急サービス プロバイダが火災・セキュリティ・捜索救助 (SAR) に関するコミュニティへのサービスを強化できるようにします。eVTOL 航空機は、地上150 メートル (500 フィート) から 4 キロメートル (2.5 マイル) の高度で飛行します。

eVTOL システムは、アーバン エア モビリティ (UAM) 市場に 2 つの大きなチャンスをもたらし、人口密集地の上空や人口密集地間の空域をより有効に活用できるようにします。これらは従来の空の旅では非効率的または不可能なことでした。1 つは、都市部内または都市部と郊外との間の地方交通であり、現在、タクシー・ヘリコプタ・ライドシェアリング企業・公共交通機関によってサービスが提供されている市場です。もう 1 つは、150 〜 250 キロメートル (90 〜 160 マイル) の範囲内の地域輸送であり、現在の民間航空会社が十分なサービスを提供していない市場です。

専門家は、2030 年までに数千機の eVTOL 航空機が運用され、UAM 部門は 2040 年までに 1 兆ドルを超える市場に成長すると予測しています。一方で、UAM の業界団体・eVTOL プラットフォームの製造元・地域の規制当局は迅速な動きを見せており、より優れた航空機の設計・認証要件の確立・サポート インフラストラクチャの決定・eVTOL トラフィック管理プロトコルの策定を急いでいます。

あらゆる航空機メーカーは、航空機の重量増加を最小限に抑えつつ、配線やインターコネクションに必要とされる空間を縮小できる電子機器コンポーネントを求めています。しかし、eVTOL 用途の技術的ニーズやスペースの制約は一般的な民間飛行機で求められるものと大きく異なります。したがって、高耐久光ファイバ (RFO) ケーブルとコネクタに新たな可能性が生まれています。

EMI 保護: 民間飛行機では電磁障害を制御することが重要です。環境内の他のノイズによって影響を受けやすい信号が損なわれないようにするためです。しかし、eVTOL システムの場合、少し異なる問題があります。重要な制御信号が直流電流 (DC) から交流電流 (AC) へのインバータがある領域を通過し、それによって、銅線配線にクロストーキングやノイズを発生させる可能性のある厳しい環境が生じます。EMI とクロストーキングに対する耐性を高めるニーズは、eVTOL 航空機で RFO コンポーネントを使用することによって対応できます。

航空機の健全性モニタ: ロータ ヘリコプタなどの従来のプラットフォームには健全性および使用状況モニタ システム (HUMS) と故障予知および健全性管理 (PHM) システムが搭載されており、これには、機体の構造、モータ システム、駆動コンポーネント、および機体のその他の重要な部分を追跡するためのセンサとデータ ロガーが多数搭載されています。これらのシステムは大量のデータを収集します。それらは飛行中のリアルタイム モニタに使用されるか、フライトが終了するたびにダウンロードされます。この情報収集が必要なのは、次回のフライトでの機体の健全性を証明するためです。eVTOL プラットフォームに同様の HUMS や PHM システムが必要とされる場合、これらのシステムのために追加の配線とアセンブリが必要になります。これらの配線は重量制限に影響を与えるため、軽量化のために先進的な光ファイバの使用が推進されることになります。

冗長システム: eVTOL 航空機の認証要件はまだ定義されていません。しかし、これらの要件では、1 つの故障モードが両方のシステムに影響することがないように、異なる技術に依存する冗長システムを組み込むことが求められる可能性があります。結果として、銅線コンポーネントの含まれる最も重要な制御システムのバックアップ システムには光ファイバを利用することになり、逆の場合も同様になります。

使いやすさとメンテナンスのしやすさ: 光ファイバや光ファイバ コネクタは、使いづらく、メンテナンスが難しいと誤解されています。多くの光ファイバ接続が現場で終端されていたときはそのとおりでした。現在、ほとんどの光ファイバ ケーブル アセンブリやハーネスは、制御環境の生産ラインで製造されています。製造元は、アセンブリの清浄性を維持し、接続を試験し、性能を検証した後で、エンド ユーザに出荷してプラットフォーム上で検証することができます。高度な光ファイバ アセンブリは、航空機全体の施工と構築全体を通して、清浄性の維持に必要な機構を使用して設計および構築できるようになっています。

帯域幅: 民間飛行機では、Wi-Fi アクセス・ストリーミング ビデオ・客室娯楽に対する需要の高まりにより、航空機ネットワーク上で何百人もの乗客にサービスを提供する帯域幅増加の必要性の増大に拍車がかかっています。短距離の市街地飛行では客室娯楽はそれほど重要ではありません。モータ/ロータおよびフライト制御用のほとんどの eVTOL プロトコルに必要なのは、低速の10BASE-T イーサネットまたは CANbus ケーブルです。したがって、一部の eVTOL システムでは高速高帯域幅の RFO ソリューションが必要ない場合があります。しかし、銅線に比べてサイズ形状が小さく、その他の利点もあるため、ほとんどの eVTOL 航空機用途では高耐久光ファイバ ソリューションが適しています。

バッテリー駆動の eVTOL 航空機の軽量化は、通常、バッテリー寿命の延長につながり、航空機の航続距離延長や乗客量・積載量の増加をもたらします。150 kg (330 ポンド) 軽量されるごとに乗客を 1 人増やすことができ、既存の乗客や貨物であれば航続距離や飛行時間を延ばすことができます。高耐久光ファイバ技術を導入すると、大幅な軽量化を実現できます。

先進的な光ファイバ ソリューションは、通常、電気による同等ソリューションよりも少ない重量とスペースで実現できます。たとえば、ポリ塩化ビニル (PVC) の Cat 5 ケーブルから、光イーサネット リンクで一般的に使用されている二重通信光ファイバ ケーブルに切り替えると、最大 25% の省スペースと最大 50% の軽量化を実現できます。これら 2 種類のケーブルの構造が異なるためです。ファイバ オプションでは、光ファイバ、ケブラー®抗張力材、ジャケット材料が使用されています。電気ケーブルの場合、Cat 5 ケーブルは 4 本の二線撚りケーブル、つまり 8 本の銅線で構成されています。また、銅線シールドを使用しているため、ケーブルの直径が大きくなり、アセンブリ全体の重量が増加します。

最近の分析では、新型航空機の制御システムで使用する 5 ファイバ光ケーブルが提案されました。比較のため、5 ファイバ ケーブルは、2 つの異なるワイヤ ゲージの CANbus ケーブルを使用して、同等のツイストペア ケーブルと 1 対 1 でマッピングされました。CANbus ケーブルが 5 ファイバ ケーブルと同じ接続を行うために必要なケーブル量は、2.5 倍、重量は最大 12 倍になりました。その結果を以下にまとめます。

提案されている eVTOL 機体設計の多くは、スペースと体積に関する厳しい制約を伴う斬新な構造アセンブリを特徴としています。物理的コンタクトおよび拡張ビーム コネクタを光ファイバ フレックス回路と組み合わせることにより、限られたスペースに収まるケーブル アセンブリ製品や相互接続システムを設計できます。

高耐久光ファイバ コネクタの種類

高耐久光ファイバ ケーブルおよびコネクタは、何十年にもわたって、空中・地上・水上および水中・宇宙空間での商用・ミリタリ・産業用途として認定され、使用され、メンテナンスされてきました。その経験から、光ファイバ接続には実証済みのオプションが 2 つあります。

• 物理的コンタクト (PC) – 2 つのフェルール (通常はセラミック) をバネの力で結合し、慎重に位置合わせしてインタフェース全体で光を結合します。
• 拡張ビーム (EB) – 2 つのフェルールが引き離され、レンズ素子が挿入されて、光軸調整フリースペース ビーム接続が作成されます。 
  

プライマリ システムまたはセカンダリ システムに光ファイバが使用された eVTOL 飛行プラットフォームには、電気信号を等価な光信号に変換するトランシーバとメディア コンバータも搭載する必要があります。光トランシーバは、多くの場合、物理層プロトコル IC (« PHYs ») を含むメディア変換回路の一部です。

基本的なレベルでは、伝送メディアは銅線ケーブルから光ファイバへ、またはその逆へと変化しています。よく見ると、光ファイバ トランシーバ内の変換には複数の層があります。たとえば、光ファイバ トランシーバの電気信号は、CANbus ケーブルやイーサネット ケーブルの電気信号と同じではありません。この 2 つは、チャネル数や電気信号レベルが異なる場合があります。信号を光ファイバ トランシーバで使用できる電気形式に変換して最終的な変換を完了するため、メディア コンバータが必要です。

場合によっては、RF アンテナやセンサなどのコンポーネントが eVTOL システム内でアナログ信号を送受信します。アナログから光への変換には、アナログ変調された同等の RF Over Fiber トランシーバが用意されています。 

世界中の製造元・設計者・業界団体・政府機関が、eVTOL 市場の将来を決定付けるプラットフォーム・インフラストラクチャ・法規制の開発を競い合っています。TE Connectivity (TE) は、経験と専門知識を活かした幅広い高耐久光ファイバ ソリューションを提供し、お客様の eVTOL のコンセプトを現実のものにする高度な光ファイバ ソリューションの開発を支援します。

• アーバン エア モビリティ市場における eVTOL を採用することで、人口密集地内や人口密集地間の航空輸送を実現できます。これは従来の空の旅では非効率的または不可能なことです。
• 高耐久光ファイバ ソリューションは、最大 25% の省スペースと最大 50% の軽量化を実現します。150 kg (330 ポンド) 軽量されるごとに eVTOL 航空機の乗客を 1 人増やすことができ、既存の乗客や貨物であれば航続距離や飛行時間を延ばすことができます。
• 光ファイバ フレックス回路は、耐久性と信頼性の高い単一の堅牢な基板上で、数千本のファイバの容易な取り回しと高度な管理を実現します。
• ほとんどの eVTOL システムでは、光ファイバ ソリューションと銅線ベース ソリューションとの間でデジタル信号とアナログ信号を変換するためにトランシーバとメディア コンバータが必要になります。
• TE は、経験と専門知識を活かした幅広い高耐久光ファイバ ソリューションを提供し、お客様の eVTOL のコンセプトを現実のものにする高度な光ファイバ ソリューションの開発を支援します。