Der Übergang zu elektronischen Systemen in Verkehrsflugzeugen

Trend

Der Übergang zu elektronischen Systemen

Flugzeugkabinensysteme müssen immer mehr Dienste wie Video-on-Demand oder Breitbandzugang unterstützen. Von: Earle Olson, Business Development Manager, Aerospace

Flugzeuge sind zunehmend von digitaler Daten- und Steuerelektronik abhängig.  Der Trend hin zu MEA (More Electric Aircraft, elektrischeres Flugzeug) spiegelt den Übergang von mechanischen zu elektronisch gesteuerten Systemen wider. Der zunehmende Einsatz von Elektronik sowohl beim Flugzeugbetrieb als auch in Sachen Passagierkomfort führt zu einer entsprechend höheren Verarbeitungslast. Eingebettete Computersysteme werden weiterentwickelt, um immer anspruchsvollere Bordsensoren und Radarsysteme zu ermöglichen. Die verteilte Verarbeitung – das Verschieben der Verarbeitungsleistung von einem zentralen Standort hin zum Einsatzpunkt – erfordert nach wie vor die Kommunikation zwischen den Boxen. Letztlich geht es darum, dass überall in modernen Verkehrsflugzeugen ein weitaus größerer Verarbeitungsaufwand entsteht. Eine EDV mit hoher Bandbreite erfordert entsprechende Kabelverbindungen zwischen den Boxen. Obwohl auch Protokolle wie IEEE 1394 und USB eingesetzt werden, hat sich Ethernet zum eigentlichen Favoriten entwickelt, da die Auslastung bereits heute 1 Gbit/s erfordert und bald 10 Gbit/s notwendig sein werden.

10Gbs

Ethernet, das für die zu erwartenden Datenlasten der Zukunft notwendig ist.

10-µm

Größe von Staubpartikeln, die die Leistung von Verbindungsferrulen spürbar mindern können

Gleichzeitig wird von eingebetteten EDV-Systemen und zugehörigen Verbindungen erwartet, dass sie weniger Platz verbrauchen und leichter und energieeffizienter sind.  Außerdem wird dadurch der Bedarf an robusten Komponenten gedeckt, die Vibrationen und sonstigen allgemeinen Risiken in Flugzeugen standhalten. Da Passagieren in Verkehrsflugzeugen immer mehr Dienste – von Video-on-Demand bis zu Internet – angeboten werden, müssen das dafür zuständige Schaltnetz und die Datenübertragungsleitungen für die entsprechend höheren Bandbreitenanforderungen ausgelegt sein. Gleichzeitig suchen die Flugzeughersteller nach einfach zu installierenden, robusten und zuverlässigen Plug & Play-Lösungen, die kaum oder gar keine Wartung erfordern. Angesichts der Lebenserwartung von Verkehrsflugzeugen ist zudem eine Bitübertragungsschicht wünschenswert, die für zukünftige Elektronikaufrüstungen ausgelegt ist.

Angesichts steigender Datenraten müssen Entwickler Glasfasertechnik als Möglichkeit in Betracht ziehen, um Hochgeschwindigkeitsprotokolle über größere Entfernungen hinweg übertragen zu können. Ein Glasfaserkabel bietet drei wesentliche Vorteile:

  • Eine geringere Größe und weniger Gewicht: Vergleiche zwischen Glasfaser und Kupfer variieren je nach Kabelkonfiguration. Es können jedoch „generische“ Kabel als Ausgangsbasis herangezogen werden: ein Duplex-Glasfaserkabel bietet ca. 25 Prozent Platzeinsparung und 50 Prozent Gewichtseinsparung gegenüber einem abgeschirmten PVC-Cat 5e-Kabel.
  • EMI-Immunität: Da Glasfasern grundsätzlich immun gegen elektrische Störungen sind – es wird weder Energie empfangen noch ausgesendet –, können sie ohne Rücksicht auf EMI Kontrolle eingesetzt werden. Da Kupferkabel potenziell abgeschirmt werden müssen, erhöhen sich deren Größe und Gewicht.
  • Längere Übertragungsstrecken: Zwar sind viele Strecken für Zusammenschaltungen in Flugzeugen relativ kurz, die Passagierkabinen in Verkehrsflugzeugen können zwischen beiden Enden jedoch eine Herausforderung für Kupferkabel darstellen.

Es ist immer noch die Auffassung verbreitet, dass Glasfasertechnik in puncto Nutzung und Wartung anspruchsvoller ist, besonders was das Abschließen der Glasfaser mit einem Steckverbinder angeht. Inzwischen wird eine verbesserte Glasfasertechnik für Verkehrs- und Militärflugzeuge angeboten – sowohl in Bezug auf das Glasfaserkabel selbst als auch auf die Steckverbinder –, mit der die Reinigung und Wartung vereinfacht werden. ARINC 801-Kontakte verfügen beispielsweise über abnehmbare Kupplungsmuffen, während der Faserkern hinter „Sicherheitsgläsern“ durch Expanded Beam-Technologie geschützt wird. Letztere ist in den Normen ARINC und SAE AS3 definiert.

Ein weiterer Mythos über Glasfaser ist die mangelnde Robustheit. Die gelegentlichen Fehler, die beim Einsatz kommerzieller Transceiver auftreten, gelten als Beweis für die Untauglichkeit von Glasfaser für Anwendungen mit hoher Vibration und breiten Temperaturbereichen. Dabei wird übersehen, dass es robuste Transceiver speziell für die Luft- und Raumfahrt gibt. 

Ebenso weisen Steckverbinderschnittstellen eine robuste Leistung auf. Es gibt drei wesentliche Endpunkte, die für Glasfaser verwendet werden: Keramikferrulen, Expanded Beam-Endpunkte und MT-Multi-Fiber-Ferrulen. Als ein Beleg für Robustheit wurden alle in der Spezifikation VITA 66.x für optische Verbindungen in VPX-Anwendungen mit eingebetteter EDV sowie in den Industriestandards ARINC 801 und SAE AS3 standardisiert.

Optische Expanded Beam-Steckverbinder mit einer kontaktlosen Glasfaserschnittstelle für robuste Leistung.
Optische Expanded Beam-Steckverbinder mit einer kontaktlosen Glasfaserschnittstelle für robuste Leistung.
Das Expanded Beam-Konzept wurde auf Kontakte der Größe 16 angewendet.
Das Expanded Beam-Konzept wurde auf Kontakte der Größe 16 angewendet.

Da die Stirnfläche der Ferrule außerdem hinter der Linse eingeschlossen und geschützt ist, muss die Glasfaser nie gereinigt werden. Lediglich die freiliegende äußere Linsenfläche kann verschmutzen, sie kann jedoch ebenso leicht gereinigt werden. Da sich die Größe des Strahls über die mechanische Schnittstelle deutlich ausdehnt, wird das Signal nicht durch Luftverschmutzungen – z. B. ein Staubteilchen von 10 µm – beeinträchtigt, die die Leistung von Verbindungsferrulen spürbar mindern können. Die höhere Einfügungsdämpfung eines EB-Steckverbinders wird oft durch die lebenslang zuverlässige und konsistente EB-Leistung wettgemacht.

Die ursprünglichen EB-Steckverbinder wurden mit einer Zwitterschnittstelle oder einem Einsatz für militärische Standardsteckverbinder spezialgefertigt. In letzter Zeit wurde das Expanded Beam-Konzept an einen Kontakt der Größe 16 angepasst, der in der Kontaktkammer eines D38999-Serie III- oder EN4165/ARINC 809-Steckverbinders verwendet werden kann, die für AS39029-Kontakte der Größe 16 geeignet ist. Angesichts des breiten Spektrums an Einsätzen, die für militärische (und kommerzielle) Steckverbinder zur Verfügung stehen, können elektrische Signale, Stromversorgung und Optik leicht kombiniert und aufeinander abgestimmt werden. Es können sogar EB- und PC-Endpunkte im selben Steckverbinder verwendet werden.

Trotz der scheinbar überragenden Vorteile von Glasfaser werden Kupferkabel so schnell nicht von der Bildfläche verschwinden. Dank moderner vernetzter Mantel- und Isoliermaterialien können die Größe und das Gewicht von Kupferkabeln reduziert werden. Gleichzeitig können dank der Fortschritte bei der Modulationstechnik und Kabelkonstruktion Daten in Hochgeschwindigkeit über Entfernungen bis zu 100 Metern übertragen werden.

Bei steigenden I/O-Geschwindigkeiten führen Probleme mit der Signalintegrität und Leistungsbilanz zu neuen Herausforderungen. Einfach ausgedrückt: Signale mit hoher Geschwindigkeit sind schwieriger zu handhaben als Signale mit niedriger Geschwindigkeit. Je höher die Geschwindigkeit der Verbindung ist, desto schwieriger ist die Kontrolle von Rückflussdämpfung, Einfügungsdämpfung, Nebensprechen und ähnlichen Faktoren, die Signale beeinträchtigen können. Bei einem idealen Verkabelungssystem gäbe es keine Verbindungen zwischen den Boxen, aber in der Praxis müssen aufgrund der notwendigen Produktionsunterbrechungen und der Modularität Steckverbinder eingesetzt werden.

Um diese Lücke bei schnellen Kupferverbindungen zu schließen, wurden von TE Connectivity (TE) vor Kurzem drei CeeLok-Produktfamilien vorgestellt, die eine Leistung von 10 Gbit/s erbringen können. Jede dieser Familien bietet hinsichtlich Leistung und Größe spezielle Vorteile für Entwickler.

 Eine neue Generation von Rundsteckverbindern unterstützt 10-Gbit/s-Ethernet über Kupfer.
Eine neue Generation von Rundsteckverbindern unterstützt 10-Gbit/s-Ethernet über Kupfer.

CeeLok FAS-X-Steckverbinder von TE verwenden eine innovative Methode, um die Kontinuität der Abschirmung durch den Steckverbinder aufrechtzuerhalten. Dadurch können die Steckverbinder mehrfach miteinander verkettet werden, ohne die Leistung zu beeinträchtigen. Der Steckverbinder ist etwas größer als die anderen beiden hier genannten, weist jedoch die höchste Signalintegrität auf und kann trotzdem noch vor Ort repariert werden. Die Steckverbinder unterstützen einen einzigen 10G-Ethernet-Kanal in einem Außengehäuse der Größe 11 bzw. vier Kanäle in einem Außengehäuse der Größe 25.

CeeLok FAS-T-Steckverbinder sind kleiner – sie umfassen acht Positionen in einem Außengehäuse der Größe 8. Das T-förmige Kontaktmuster des Steckverbinders bietet Rauschunterdrückung und Entkopplung, um das Nebensprechen zu minimieren und die Signalintegrität zu erhöhen. Das Steckerendgehäuse ist in den Steckerkörper integriert, um ein flaches Profil, geringe Kosten, ein geringes Gewicht, Zugentlastung und EMI-Schutz zu ermöglichen. Der Steckverbinder kann vor Ort konfektioniert und repariert werden.

CeeLok FAS-T Nano-Steckverbinder verwenden das gleiche T-förmige Kontaktmuster in Nanominiaturgröße – die Stecker weisen einen Durchmesser von nur 8 mm auf. Als Optionen stehen eine Push-On- oder eine Schraubkupplung zur Verfügung. Im Gegensatz zu den größeren CeeLok FAS-T-Steckverbindern wird die Nano-Version verdrahtet geliefert und kann nicht vor Ort konfektioniert werden. Die Steckverbinder basieren auf den bewährten NANONICS-Nanominiatur-Steckverbindern, verfügen jedoch über einen Einsatz, der für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt ist.

Zusammenfassung

Kupfer und Glasfaser werden in den meisten Anwendungen eine friedliche Koexistenz führen. Beide weisen spezielle Vorteile auf, von der komfortablen Vertrautheit von Kupfer bis hin zu den hohen Bandbreitenkapazitäten von Glasfaser über größere Entfernungen. Da Benutzer von Systemen heutzutage eine reibungslose Verarbeitung von Daten, Video, Infrarotbildgebung und anderen bandbreitenintensiven Prozessen erwarten, muss sowohl bei Glasfaser- als auch bei Kupferverbindungen sichergestellt werden, dass die End-To-End-Lösung Produktionsunterbrechungen auf dem Pfad ausgleichen kann. Die gute Nachricht ist, dass sich beide Technologien weiterentwickeln und den Entwicklern neue Möglichkeiten bieten, die wachsenden Datenlasten zu bewältigen.