减轻航空电子系统重量以帮助 eVTOL 起飞

如今的民用飞机上携带的电子设备比以往任何时候都多。设计人员必须在整个机身和机舱内安装屏幕、传感器、数据集线器、开关、SSD 阵列、计算机、机上娱乐 (IFE) 服务器和其他电子设备，这需要大量的布线。

传统飞机：

仅举一个例子，宽体商用喷气式飞机中所有配线和连接器的总重量计算为 1,814 千克/4,000 磅。¹ 运输这种重量每年消耗近 60,000 加仑的航空燃料。根据本文发布时美国喷气燃料的平均成本（2022 年 11 月为 6.61 美元/加仑），该燃料的年度成本为 396,600 美元。燃烧这么多燃料所排放的二氧化碳每年达 2,785,200 千克（1,266,000 磅）- 相当于 124 辆客运车辆的排放量。²

在传统飞机中，重量针对长距离和续航能力进行了优化。起飞时在燃油消耗过程中损失了大约三分之一的起飞质量，并且随着剩余飞行过程中燃料的消耗，飞机继续减轻重量。³

UAM 和 eVTOL 飞行器：

重量对 UAM 和 eVTOL 飞行器的影响有很大不同。在电池供电的飞行器中，车辆重量保持不变，在混合动力 UAM 中也几乎保持不变。因此，UAM 设计可以根据有效载荷能力、乘客数量、航程和安全考虑进行优化。车辆重量确实会影响悬停所需的功率，并决定飞行器的电机尺寸和电池要求。⁴ 在不影响飞机性能的情况下减轻每个元件的重量至关重要。

重量与其他设计变量之间的关系具有级联效应。例如，减轻集成式航空电子系统的重量可以减少 UAM 飞机的整体质量，从而减少桨盘载荷 (DL)。这反过来又降低了维持转子速度所需的功率，从而减小了电池尺寸，并最终进一步减轻了车辆的总重量。

根据 UAM 飞机的类型和载客量，其电气和电子元件占非乘客、非结构系统重量的 27% 至 68%（图 1）。⁵

先进的控制器局域网 (CAN) 总线、单对以太网 (SPE) 和先进的模块化机架原理互连技术可以减轻集成式航空电子系统的重量。这些特性可以提高 eVTOL 在桨盘载荷 (DL) 方面的飞行性能，同时增强系统稳健性和带宽。

串行通讯：

在 1980 年代，Robert Bosch GmbH 制定了用于汽车应用的 CAN 协议。此后，该标准被用于飞机。CAN 总线为 eVTOL 车辆的基本航空电子功能提供了一种重量轻、经济且易于实施的双绞线电缆替代方案。

经典的 CAN 帧格式可容纳具有高达 8 字节数据有效载荷的短消息，并提供不同的版本。“高速”CAN 总线 (ISO 11898) 的最大比特率为 1 Mbit/s。CAN 灵活数据 (CAN FD) 协议是一种相对较新的格式，支持更大的数据有效载荷（64 字节）和更快的比特率 (8Mbit/s)，吞吐量最高可提高 800%。

在传统飞机应用中，CAN 总线用于：

• 驾驶舱内的无线电系统控制面板，以及无线电系统线路可更换单元 (LRU) 和发动机控制接口；
• 玻璃驾驶舱内的液晶飞行仪表显示器；
• 为控制系统和惯性测量单元 (IMU) 提供高度、速度、位置、电机参数以及其他对无人驾驶飞机 (UAV) 和无人机至关重要的数据。

对于 eVTOL 应用，CAN 总线可用于提供襟翼、配平、发动机控制和自动驾驶仪系统的电传操纵电子控制，以取代飞行控制和飞行表面之间笨重的直接机械连接。通过过渡到 CAN 总线网络的光纤布线，可以进一步减轻重量。比较 FO 电缆组件与双绞线 CAN 总线铜缆组件，通常可以用单根多光纤电缆替换多根屏蔽双绞线电缆。这可以减少 90% 以上的电缆重量，具体取决于更换的 AWG。此外，光纤电缆的 EMI 抗扰度也会带来潜在的好处，这在涉及 DC-AC 逆变器的 eVTOL 平台上可以考虑。

以太网通信：

ARINC 规范 664 要求使用四芯（四线）电缆或光缆。使用 MIL-DTL-389994 圆形连接器的铜质四轴电缆支持高达 100 Mbs 的传输速率。

最近的一项发展是根据 ARINC 854 规范为客舱设备网络总线发布单对以太网 (SPE) 标准。兼容连接器和电缆分别在 ARINC 800 第二部分和第三部分规范中进行了描述。

与 CAN 总线的悠久历史相呼应，ARINC 854 基于为汽车领域制定的 100Base-T1 (IEEE 802.3bw) 标准。提供基于 DEUTSCH 369 系列连接器的兼容连接器，这是矩形连接器系列，可在小尺寸外壳内提供坚固的解决方案。

SPE 解决方案的重量显著减轻。SPE 电缆比同类四线铜缆系统轻 73%。具有 26 AWG 导线的电缆尺寸更小，也可提高空间利用率。例如，从具有四根 24 AWG 导线的四轴电缆切换到具有两根 26 AWG 导线的 SPE 电缆，可将电缆的直径缩小约 15%。SPE 链路经过认证，可在 15 米（49 英尺）长度支持 100 Mbs 操作。未来将支持 40 米（131 英尺）的长度和高达 1,000 Mbs 的速度。

从 SPE 双绞屏蔽电缆转向光纤电缆也存在类似的减重潜力，类似于已经讨论过的 CAN 总线情况。

369 系列连接器采用标准防务规格 AS39029 端子。这些小型化端子具有可靠的抗振动性能。连接器外壳由坚固的复合材料制成，强度与钢相似，但重量减轻了 40%。

模块化机架：

当今的大多数防撞、IFE、空对地通信和其他航空电子系统都采用封装在航空无线电 INC (ARINC) 600 标准金属外壳中的电子设备，该外壳在一个集中的“盒子”中可容纳多达 12 个模块化概念单元 (MCU)。然而，大盒子有很大的局限性，这激发了 ARINC 800 系列标准的制定，以适应本地部署的小型化印刷电路板 (PCB) 上嵌入式计算的总体趋势。ARINC 800 标准系列包括：

• ARINC 836 定义了飞机客舱的模块化、标准化机架式外壳、布线、连接器和接地方法
  
• ARINC 836A 为航空电子设备封装建立了微型模块化机架原理 (MiniMRP)
• ARINC 836A MiniMRP 采用互连技术，外形紧凑，与 UAM 飞机的标准金属外壳相比，封装尺寸减小 40%，重量减轻 60%

使用 MiniMRP 实施双线 CAN 总线和 SPE 解决方案以实现 UAM 连接，只能减轻 UAM 总重量的一小部分。然而，减小的尺寸仍然对飞行性能做出了很大贡献。

在 UAM 设计中，空重 (eW)、起飞动力 (T) 和桨盘载荷 (DL) 之间存在复杂的关系。DL 的增加与 eW 的增加相对应。⁶ DL 的增加已被证明与最大 T 的增加呈抛物线关系。⁷

与 AFDX 的四线解决方案相比，连接器重量经过优化的双线 CAN 总线/SPE 连接器/光纤解决方案可以潜在地将航空电子电缆和互连器件的重量减轻 50%。

对于较小的 UAM 飞行器，小幅减重的效果可能是巨大的。在配备 2,000 磅 Wgto 的 eVTOL 飞机中，将航空电子系统重量从 20 千克（44 磅）减少到 10 千克（22 磅），可以显著减少 DL，这会产生积极的连锁反应，影响转子、电机和电池的尺寸和质量，同时有助于在不影响电子设备坚固性的情况下打造更紧凑的航空电子设备舱。

• 在城市环境中，AAM 和 eVTOL 飞行器有望成为碳氢燃料汽车和传统旋翼飞机的更安静、更环保的替代品。
• 尽可能减轻起飞总重量对于打造城市空中交通提醒至关重要。
• 虽然仅占电气/电子元件总重量的一小部分，但先进的互连系统和布线可以为减轻 eVTOL 飞行器的重量发挥重要作用。
• 先进的 CAN 总线、单对以太网和先进的模块化机架原理互连技术可以减轻航空电子设备的重量，进而提高 UAM 的飞行性能。
  

1. 波音 747（4,000 磅）配线重量资料来源：Weber, Austin。“Wire Processing: The Future of Wire。”Assembly，2011 年 3 月 30 日。访问日期为 2020 年 4 月 20 日。
2. Graves, R.，Advancing Aircraft Connectivity with a Single Pair Ethernet Solution，TE Connectivity，Harrisburg，PA，2020 年 4 月，第 2-3 页。
3. “表 6-1：大型商用飞机 - 增量燃料消耗。”Economic Values for FAA Investment & Regulatory Decisions Guide - Subsection 6.3.1: Incremental Fuel Burn。美国联邦航空管理局：法规与政策：政策与指导：收益成本分析，2016 年 9 月 23 日。访问日期为 2020 年 4 月 20 日。
4. Bacchini，A. 和 Cestino，E.，Electric VTOL Configurations Comparison，航空航天，2019 年 6 月，2019 年 2 月 26 日，第 7-13 页。doi：10.3390/aerospace6030026。
5. Johnson，W.、Silva C. 和 Solis，E.，Concept Vehicles for VTOL Air Taxi Operations，AHS 变革性垂直飞行空气力学设计技术会议，加利福尼亚州旧金山，2018 年 1 月。
6. Gatti，M.，Preliminary Design Analysis Methodology for Electric Multirotor，IFAC 会议论文集，2013 年 11 月，第 7 页。dio：10.3182/20131120-3-FR-4045.00038
7. Excalibur: The Cutting Edge in Tiltrotor Technology，2011 年 AHS 设计提案，Alfred Gessow 旋翼机中心，马里兰大学航空航天工程系，马里兰州大学公园，第 20 页。