Sistemas Aviônicos Mais Leves: Impulsionando a Decolagem dos eVTOLs

As aeronaves civis de hoje têm mais componentes eletrônicos do que nunca. Os projetistas devem instalar telas, sensores, hubs de dados, comutadores, matrizes SSD, computadores, servidores de entretenimento em voo (IFE) e outros eletrônicos em toda a estrutura e a cabine, o que requer uma enorme quantidade de fiação.

Aeronaves convencionais:

em apenas um exemplo, o peso total da fiação e dos conectores em um jato comercial de fuselagem larga é calculado em 1.814 kg/4.000 lbs.¹ É uma massa cujo transporte consome cerca de 60.000 galões de combustível de aviação anualmente. Valores baseados no custo médio dos combustíveis para aviação nos EUA, durante o período da publicação (US$ 6,61/galão em novembro de 2022). Assim, o custo anual dessa quantidade de combustível seria de US$ 396.600. As emissões anuais de CO₂ resultantes da queima de tal quantidade de combustível chegam a 2.785.200 kg (1.266.000 lbs), o equivalente às emissões automotivas de 124 veículos de passageiros.²

Nas aeronaves convencionais, o peso é otimizado para longo alcance e resiliência. Aproximadamente, um terço da massa de decolagem é perdido durante a queima de combustível ao decolar. O avião perde peso continuamente à medida que o combustível é consumido durante o restante do voo.³

Veículos aéreos urbanos e eVTOLs:

o efeito do peso em veículos aéreos urbanos e eVTOLs é muito diferente. Os pesos dos veículos permanecem constantes nas naves movidas a bateria e quase constantes nas híbridas. Como resultado, designs de veículos aéreos urbanos podem ser otimizados com base na capacidade de carga útil, número de passageiros, alcance e considerações de segurança. O peso do veículo leva em conta a potência exigida para pairar e na determinação do tamanho do motor e dos requisitos da bateria para a aeronave.⁴ É essencial reduzir o peso de cada componente sem comprometer o desempenho da aeronave.

As relações entre o peso e outras variáveis do design têm um efeito cascata. Por exemplo, a redução do peso do sistema aviônico integrado reduz a massa total da aeronave, o que reduz a carga do disco (DL). Por sua vez, reduz a potência necessária para manter a velocidade do rotor, o que reduz o tamanho da bateria e, por fim, reduz ainda mais o peso total do veículo.

Dependendo do tipo e da capacidade de passageiros de um veículo aéreo urbano, os componentes elétricos e eletrônicos contribuem para 27% a 68% do peso do sistema não estrutural e não referente aos passageiros (Figura 1).⁵

Tecnologias avanças de barramento CAN, Ethernet de Par Único (SPE) e interconexão com base em racks modulares podem reduzir o peso dos sistemas aviônicos integrados a aeronaves. Eles podem aumentar o desempenho de voo de um eVTOL em termos de carga do disco (DL) e, ao mesmo tempo, melhorar a robustez e a largura de banda do sistema.

Comunicações Seriais:

Na década de 1980, a Robert Bosch GmbH desenvolveu o protocolo CAN para aplicações automotivas. Desde então, o padrão foi adaptado para as aeronaves. O barramento CAN oferece uma alternativa de baixo peso, econômica e fácil de implementar ao cabeamento de par trançado para funções aviônicas básicas nos veículos eVTOL.

O formato de frame CAN clássico acomoda mensagens curtas com carga útil de dados de até 8 bytes e está disponível em diferentes versões. A taxa de bits máxima do barramento CAN de “alta velocidade” (ISO 11898) é de 1 Mbit/s. O protocolo CAN Flexible Data (CAN FD), um formato relativamente novo, permite cargas de dados maiores (64 bytes) e taxas de bits mais rápidas, 8 Mbit/s, para uma taxa de transferência até 800% mais rápida.

Em aplicações aeronáuticas convencionais, o barramento CAN é usado:

• Nos painéis de controle do sistema de rádio na cabine de comando para unidades substituíveis em linha (LRUs) do sistema de rádio e interfaces de controle do motor;
• Para displays LCD de instrumentos de voo em cockpits de vidro;
• Para alimentar sistemas de controle e unidades de medição inercial (IMUs) com dados de altitude, velocidade, posição, parâmetros de motor e outras informações críticas para veículos aéreos não tripulados (UAVs) e drones.

Para aplicações de eVTOL, o barramento CAN pode ser usado para fornecer controle eletrônico fly-by-wire de flaps, frisos, controles do motor e sistemas de piloto automático no lugar de ligações mecânicas volumosas e diretas entre os controles de voo e a superfície de voo. Reduções de peso adicionais podem ser alcançadas pela transição para o cabeamento de fibra óptica para as redes de barramento CAN. Com a comparação dos conjuntos de cabos FO com os conjuntos de cabos de cobre de barramento CAN de par trançado, frequentemente é possível substituir vários cabos de par trançado blindados por um único cabo FO múltiplo.  O resultado pode ser uma redução de mais de 90% no peso do cabo, dependendo do AWG que está sendo substituído.  Além disso, a imunidade à EMI traz muitas vantagens para o cabo FO, que pode ser uma consideração em plataformas de eVTOL que envolvem inversores CC-CA.

Comunicações Ethernet:

A especificação 664 da ARINC exige cabo quadrax (quatro fios) ou cabo de fibra óptica. O cabo quadraxial de cobre, quando usado com conectores circulares MIL-DTL-389994, oferece suporte para até 100 Mbs.

Um desenvolvimento recente é o novo padrão de Ethernet de Par Único (SPE) sob as especificações ARINC 854 para barramentos de rede de equipamentos da cabine. Conectores e cabos compatíveis são descritos nas especificações ARINC 800 Parte Dois e Parte Três, respectivamente.

Ecoando a história do barramento CAN, o ARINC 854 foi baseado no padrão 100Base-T1 (IEEE 802.3bw) desenvolvido no mundo automotivo. Conectores compatíveis estão disponíveis com base nos conectores da série DEUTSCH 369, uma família de conectores retangulares que fornece uma solução robusta em uma estrutura pequena.

A economia de peso obtida com uma solução SPE é significativa. O cabo SPE é até 73% mais leve do que um sistema de cabeamento de cobre de quatro fios comparável. As dimensões menores dos cabos, com fios fr 26 AWG, também melhoram a utilização do espaço. Por exemplo, a mudança de um cabo quadraxial com quatro fios 24 AWG para um cabo SPE com dois fios 26 AWG reduz o diâmetro do cabo em aproximadamente 15%. Os links SPE podem ser certificados para operação de 100 Mbs a 15 m (49 pés) de comprimento. Provisões futuras permitirão comprimentos de 40 m (131 pés) e velocidades de até 1.000 Mbs.

Existe um potencial semelhante de economia de peso na mudança do cabeamento blindado torcido SPE para o cabeamento de fibra óptica, semelhante ao caso do barramento CAN já discutido.

Os conectores da série 369 empregam os contatos Mil-Spec AS39029 padrão. Esses contatos miniaturizados são particularmente robustos contra a vibração. A carcaça do conector é construída com materiais compostos robustos que são tão fortes quanto o aço, mas 40% mais leves.

Racks Modulares:

A maioria dos sistemas aviônicos de prevenção de colisão, IFE, ar-solo e outros, implantam os circuitos eletrônicos em um gabinete de metal no padrão da Aeronautics Radio INC (ARINC) 600. Esse gabinete comporta até 12 Unidades Conceituais Modulares (MCU). No entanto, gabinetes maiores acabaram gerando restrições. Isso inspirou o desenvolvimento dos gabinetes padrões da série ARINC 800, feitos em resposta à tendência geral da computação embarcada em placas de circuito impresso (PCBs) miniaturizadas implantadas localmente. A família de padrões ARINC 800 inclui:

• O ARINC 836 define gabinetes, cabeamentos, conectores e métodos de aterramento modulares e padronizados para cabines de aeronaves
  
• O ARINC 836A serve como modelo de excelência para mini racks modulares (MiniMRP) e gabinetes na aviação
• O ARINC 836A MiniMRP oferece um formato compacto, usando interconexões que podem reduzir o tamanho do pacote em 40% e o peso em 60%, em comparação com um gabinete de metal padrão para aeronaves urbanas

A implementação de um barramento CAN de dois fios e uma solução SPE com MiniMRP para conectividade de veículos aéreos urbanos reduz o peso em apenas uma pequena fração da massa total do veículo. No entanto, o tamanho reduzido ainda contribui muito para o desempenho do voo.

No design de veículos aéreos urbanos, há uma relação complexa entre peso vazio (eW), potência de decolagem (T) e carregamento de disco (DL). Um aumento no DL corresponde a um aumento no eW.⁶ E foi mostrado que o aumento no DL corresponde parabolicamente a um aumento na T máxima.⁷

Em comparação com uma solução de quatro fios para AFDX, uma solução de barramento/SPE de barramento/SPE/fibra óptica de dois fios com conectores com peso otimizado pode potencialmente reduzir o peso do cabeamento aviônico e da interconexão em 50%.

Para aeronaves urbanas menores, o efeito de pequenas reduções de peso pode ser substancial. A redução de 20 kg (44 lbs) para 10 kg (22 lbs) em uma aeronave eVTOL com um Wgto de 2.000 lb pode reduzir muito o DL, bem como afetar positivamente a massa do rotor, motor e bateria. Além disso, libera mais espaço na aeronave sem sacrificar a robustez da eletrônica.

• As aeronaves AAM e eVTOL prometem uma alternativa mais silenciosa e ecologicamente limpa aos carros movidos a hidrocarbonetos e helicópteros convencionais para viagens em ambientes urbanos.
• Minimizar o peso bruto de decolagem é fundamental para tornar a mobilidade aérea urbana uma realidade.
• Embora sejam apenas uma fração do peso total dos componentes elétricos/eletrônicos, interconexões e cabeamentos avançados podem contribuir significativamente para a redução do peso nas aeronaves eVTOL.
• Tecnologias avançadas de barramento CAN, Ethernet de par único e e interconexões com base em racks modulares podem reduzir o peso dos aviônicos para aumentar o desempenho do voo de veículos aéreos urbanos.
  

1. Fonte do peso da fiação no Boeing 747 (4.000 libras): Weber, Austin. "Wire Processing: The Future of Wire." Assembly, 30 de março de 2011. Acessado em 20 de abril de 2020.
2. Graves, R., Advancing Aircraft Connectivity with a Single Pair Ethernet Solution, TE Connectivity, Harrisburg, PA, abril de 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 de setembro de 2016. Acessado em 20 de abril de 2020.
4. Bacchini, A. and Cestino, E., Electric VTOL Configurations Comparison, Aerospace 2019, 6, 26, fevereiro de 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, janeiro de 2018.
6. Gatti, M., Preliminary Design Analysis Methodology for Electric Multirotor, Conference Paper in IFAC Proceedings Volumes, novembro de 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.