Fibra Óptica Robusta: Soluções para Sistemas de eVTOL

Em um futuro muito próximo, as aeronaves elétricas de decolagem e pouso vertical (eVTOL) oferecerão novas opções de mobilidade para transportar cargas e passageiros, ao mesmo tempo em que permitirão que os prestadores de serviços de emergência forneçam serviços superiores de combate a incêndios, segurança e busca e resgate (SAR) às comunidades que atendem. As aeronaves eVTOL operam em altitudes de 150 metros (500 pés) a 4 quilômetros (2,5 milhas) acima do solo.

Os sistemas de eVTOL apresentam duas oportunidades-chave dentro do mercado de mobilidade aérea urbana (UAM) para melhor utilizar o espaço aéreo acima e entre os centros populacionais em que as viagens aéreas tradicionais são ineficientes ou impossíveis. A primeira é o transporte local dentro das áreas urbanas ou entre as áreas urbanas e suburbanas, um mercado que atualmente é servido por táxis, helicópteros, empresas de carona compartilhada ou transporte público. A segunda é o transporte regional dentro de um raio de 150 a 250 quilômetros (90 a 160 milhas), que não está sendo totalmente servido pelas companhias aéreas comerciais atualmente.

Até 2030, os especialistas preveem que haverá milhares de aeronaves eVTOL em operação e o setor de mobilidade aérea urbana crescerá para se tornar um mercado de US$ 1 trilhão até 2040. Enquanto isso, grupos do setor de mobilidade aérea urbana, fabricantes de plataformas de eVTOL e reguladores locais estão agindo rapidamente para projetar aeronaves melhores, estabelecer requisitos de certificação, determinar a infraestrutura para suporte e desenvolver protocolos de gerenciamento do tráfego de eVTOL.

Todos os designers e fabricantes de aeronaves procuram componentes aviônicos que adicionem peso mínimo à aeronave, reduzindo a quantidade de espaço exigida para o cabeamento e as interconexões. As necessidades tecnológicas e as restrições de espaço dos sistemas de eVTOL são acentuadamente diferentes do que é exigido na maioria das aeronaves comerciais, o que cria uma demanda por cabos e conectores de fibra óptica robustos (RFO).

Proteção contra interferência eletromagnética: para os aviões comerciais, o controle da interferência eletromagnética (EMI) é importante para que os sinais sensíveis não sejam corrompidos por outros ruídos no ambiente. Porém, nos sistemas de eVTOL, a questão é um pouco diferente. Os sinais de controle essenciais passam por áreas com inversores de Corrente Contínua (CC) para Corrente Alternada (CA), o que cria um ambiente desafiador que pode adicionar diafonia e ruído ao cabeamento de cobre. A necessidade de uma resistência maior à interferência eletromagnética e ao crosstalk pode ser satisfeita com o uso de componentes RFO nas aeronaves eVTOL.

Monitoramento da integridade da aeronave: os helicópteros de rotor e outras plataformas tradicionais têm Sistemas de Monitoramento de Uso da Integridade (HUMS) e sistemas de Gerenciamento Prognóstico de Integridade (PHM) que incluem conjuntos de sensores e registradores de dados para monitorar a estrutura do veículo, sistemas do motor, componentes de acionamento e outras partes essenciais da aeronave. Os sistemas coletam quantidades significativas de dados que são usados no monitoramento em tempo real durante o voo ou baixados no fim de cada voo. As informações devem ser coletadas para certificar a integridade do veículo para o próximo voo. Se as plataformas de eVTOL exigirem sistemas HUMS e PHM semelhantes, eles exigirão cabeamento e conjuntos adicionais que afetarão os limites de peso e impulsionarão o uso de fibra óptica avançada para a redução do peso.

Sistemas redundantes: os requisitos de certificação para as aeronaves eVTOL ainda estão sendo definidos. No entanto, é provável que os requisitos exijam a inclusão de sistemas redundantes que dependem de tecnologias diferentes, de maneira que um modo de falha não se aplique a ambos os sistemas. Como resultado, um sistema de controle essencial primário que contém componentes de cobre terá um sistema de backup que depende de fibra óptica ou vice-versa.

Facilidade de uso e manutenção: há uma percepção equivocada de que a fibra óptica e os conectores de fibra óptica são difíceis de usar e manter. Possivelmente era verdade quando a maioria das conexões de fibra óptica eram terminadas no campo. Hoje, a maioria dos conjuntos de cabeamento e chicotes de fibra óptica são construídos em linhas de produção em ambientes controlados. Os fabricantes podem manter a limpeza, testar conexões e verificar o desempenho antes que o conjunto seja enviado ao usuário final e verificado na plataforma. Conjuntos de fibra óptica avançada podem ser projetados e fabricados com os mecanismos necessários para manter a limpeza durante a instalação e a construção da aeronave completa.

Largura de banda: nas aeronaves comerciais, a crescente demanda por acesso Wi-Fi, streaming de vídeo e entretenimento a bordo está impulsionando uma demanda crescente por mais largura de banda para atender a centenas de passageiros na rede de uma aeronave. O entretenimento a bordo é menos relevante para voos urbanos mais curtos. Além disso, a maioria dos protocolos de eVTOL para motores/rotores e controles de voo exige cabos Ethernet ou CANbus 10BASE-T de baixa velocidade. Portanto, as soluções de RFO de alta velocidade e alta largura de banda podem não ser necessárias para alguns sistemas de eVTOL. No entanto, devido ao seu fator de forma menor e outras vantagens em relação ao cobre, as soluções de fibra óptica robusta são mais adequadas para a maioria das aplicações das aeronaves eVTOL.

A redução do peso nas aeronaves eVTOL movidas a bateria normalmente resulta em aumento da vida útil da bateria, o que pode estender o alcance da aeronave ou ajudar a aumentar a carga útil ou de passageiros. Para cada 150 kg (330 lbs) de economia de peso, mais um passageiro pode ser adicionado, ou o alcance e o tempo de voo da aeronave podem ser estendidos para os passageiros e/ou a carga existentes. Uma economia de peso significativa pode ser alcançada com a implementação da tecnologia de fibra óptica robusta.

Soluções de fibra óptica avançada normalmente pesam menos e exigem menos espaço do que os equivalentes elétricos. Por exemplo, a troca de um cabo de policloreto de vinil (PVC) Cat 5 para um cabo de fibra óptica duplex, que normalmente é usado para um link de Ethernet óptico, pode oferecer até 25% de economia de espaço e até 50% de redução de peso. O motivo é que os dois tipos de cabo têm construções diferentes. A opção de fibra contém fibras ópticas, membros de resistência de Kevlar® e o material da capa. No lado elétrico, o cabo Cat 5 tem quatro pares trançados ou oito fios de cobre. Há também a blindagem de cobre, que resulta em um cabo de maior diâmetro e adiciona peso ao conjunto em geral.

Em uma análise recente, um cabo óptico de cinco fibras foi proposto para uso em um sistema de controle para uma nova aeronave. Para comparação, o cabo de cinco fibras foi roteado de forma idêntica a um par trançado equivalente com cabos CANbus em duas bitolas de fio diferentes. O cabo CANbus exigiu 2,5 vezes mais cabo e contribuiu com até 12 vezes mais peso para fazer as mesmas conexões que o cabo de cinco fibras. Os resultados estão resumidos a seguir.

Muitos dos designs propostos para a estrutura de aeronaves eVTOL apresentam novos conjuntos estruturais com restrições rígidas de espaço e volume. Conectores de contato físico e de feixe expandido, combinados a circuitos ópticos flexíveis, possibilitam o design de conjuntos de cabeamento ou sistemas de interconexão que cabem no limitado espaço disponível.

Tipos de Conectores de Fibra Óptica Robusta

Por décadas, os cabos e conectores de fibra óptica robusta foram qualificados, usados e mantidos para aplicações comerciais, militares e industriais no ar, no solo, acima e abaixo da água e no espaço. A experiência levou a duas opções comprovadas para conexões de fibra óptica:

• Contato físico – Duas ponteiras, tipicamente de cerâmica, são unidas sob uma força de mola e alinhadas cuidadosamente para transmitir a luz através da interface.
• Feixe expandido – Duas ponteiras permanecem separadas e lentes são inseridas para criar uma conexão por meio de um feixe de luz colimado que atravessa o espaço livre. 
  

Qualquer plataforma de voo de eVTOLs que inclua fibra óptica em sistemas primários ou secundários também deve incluir transceptores e conversores de mídia que alteram um sinal elétrico para um sinal de luz equivalente. Os transceptores ópticos geralmente fazem parte de um circuito de conversão de mídia, incluindo os circuitos integrados de protocolo de camada física ("PHYs").

Em termos fundamentais, o meio de transmissão está evoluindo do cabo de cobre para a fibra óptica, ou vice-versa. Ao examinar mais de perto, verifica-se que existem múltiplas camadas envolvidas na conversão dentro de um transceptor de fibra óptica. Por exemplo, a sinalização elétrica em um transceptor de fibra óptica não é a mesma encontrada em um cabo CANbus ou Ethernet. Os dois podem ter diferentes contagens de canais e níveis de sinalização elétrica. Um conversor de mídia é exigido para converter o sinal em um formato elétrico que um transceptor de fibra óptica possa utilizar para realizar a conversão final.

Em alguns casos, antenas, sensores e outros componentes de radiofrequência enviam ou recebem sinais analógicos dentro dos sistemas de eVTOL. Transceptores de rádio sobre fibra com modulação analógica estão disponíveis para lidar com as conversões analógicas para ópticas. 

Fabricantes, projetistas, organizações do setor e órgãos governamentais em todo o mundo estão agindo para desenvolver as plataformas, infraestrutura e regulamentos que definirão o futuro do mercado de eVTOL. A TE Connectivity oferece uma ampla variedade de soluções de fibra óptica robustas, juntamente com a experiência e a expertise para ajudar a desenvolver as soluções avançadas de fibra óptica que transformam os conceitos de eVTOL em realidade.

• As aplicações de eVTOL no mercado de mobilidade aérea urbana possibilitam o transporte aéreo dentro e entre centros populacionais em que as viagens aéreas tradicionais são ineficientes ou impossíveis.
• Soluções de fibra óptica robusta podem proporcionar até 25% de economia de espaço e 50% de redução de peso. Para cada 150 kg (330 lbs) de economia de peso, mais um passageiro pode ser adicionado à aeronave eVTOL ou o alcance e o tempo de voo da aeronave podem ser estendidos para os passageiros e/ou a carga existentes.
• Os circuitos ópticos flexíveis permitem um roteamento fácil e o gerenciamento avançado de milhares de fibras em um único substrato durável e confiável.
• A maioria dos sistemas eVTOL exigirá transceptores e conversores de mídia para traduzir os sinais digitais e analógicos entre soluções baseadas em fibra óptica e cobre.
• A TE oferece uma ampla variedade de soluções de fibra óptica robustas, juntamente com a experiência e a expertise para ajudar a desenvolver as soluções avançadas de fibra óptica que transformam os conceitos de eVTOL em realidade.