eVTOL的中枢神经系统(EWIS)

eVTOL 2025-12-12 11:42
飞机电缆、连接器、数字互连、电线和线束被认为是飞机的中枢神经系统,因为它们与飞机上的各种应用程序接口。构成了一个电气布线互连系统(EWIS),是现代飞机的生命线,能够传输电力、信号和数据,使飞机保持飞行,系统完美运行。这些组件的持续进步有助于提高飞机系统的可靠性和性能。
 
 
eVTOL的中枢神经系统(EWIS)图1

电缆

 

电缆是电子系统中的重要组成部分。如果电缆断了,整个系统都可能发生故障。技术进步正试图阻止这种情况发生。现代飞机布线的性能要求继续以一定的速度增长,这推动了对先进材料、设计和性能评估的需求。随着国防部门对空中优势的关注,需要工作在40GHz及以上的高性能射频/微波电缆。

 

在这种电磁频谱波段工作的微波电缆通常直径较小,因此在安装期间和安装后的耐用性是一项重要要求。通过用一个LRU设计多个功能,从而减少LRU的数量,将更多的计算能力集成到电子子系统中,使情况更加复杂。使用先进的低损耗介电材料的小型、坚固、可布线的高频电缆,其固有设计可承受飞机的安装和寿命,可以减少开发和建造时间,并在飞机寿命期间提供连接。

 

电缆/电线的最新发展是大量投资,并专注于满足高压应用的需求。虽然满足高压需求似乎很简单(例如,添加绝缘层),但航空航天领域对重量敏感,并寻求优化性能和重量的解决方案。其他受益的领域是屏蔽应用的金属化纤维。虽然这不是一个新的发展,但利用十年前的工作和研究,在过去几年中,这一实施有所增加。

 

随着航空电子系统向数字基础设施的转变,低延迟、高速互连成为航空电子架构的支柱。无论选择光纤还是铜缆互连,都需要确保任务内资产传输、处理和可用的信息无差错、实时可用,以确保所有人之间的协调。在数字互连系统中,无差错操作是在需要做出关键决策时获得信息的关键。

 

在选择数字互连时,需要特别注意不仅要满足规范,还要有足够的性能裕度,以允许系统性能因温度波动、振动和其他环境因素而下降。

 

连接器和互连

 

射频和微波连接器是精密制造的组件。数字互连现在在GHz范围内运行,用于高速差分信号的连接器将需要类似的设计专业知识和制造公差,以提供从电缆到连接器的阻抗控制过渡。如果没有阻抗控制的转换,互连将受到反射的影响,从而导致链路性能不佳。

 

高性能数字互连的进步始于一种平衡良好的差分对电缆,该电缆端接到一个阻抗控制的连接器,该连接器在5 GHz以上可以干净地工作。与用于射频和微波电缆端接的技术类似,需要技能来正确准备电缆,以便在与指定阻抗的偏差最小的情况下,对连接器进行稳健的端接。

 

TE Connectivity的MULTIGIG HD连接器最近被VITA标准组织(VSO)选为下一代VPX插件模块连接器。重新设计的MULTIGIG HD连接器建立在TE MULTIGIGIG HD产品系列的先前变体的基础上,同时带来了重大的技术进步,包括双倍的引脚数、112 Gb/s的数据速率、更大的电流容量和对恶劣环境的支持。

 

电线和线束

 

与飞机电缆一样,用于绝缘系统的电子控制和供电的高介电强度材料使更高电压(>600V)的配电系统能够在高温和高空运行。这些绝缘系统需要具有低介电常数的无空隙材料,以实现远超系统电压的无局部放电运行,从而提供必要的安全裕度,以应对在50000英尺和200摄氏度以上高温下运行时局部放电性能的下降。

 

随着绝缘壁厚度的增加,这些大规格馈电电缆的布线和安装可能会成为一个挑战,弯曲力和弯曲时的回弹量会对电缆连接和布线能力产生巨大的应力。使用高股数中心导体可以最大限度地减少这些力,并与高介电强度材料相结合,可以减小壁厚,从而提供一种易于安装的整体柔性高压电力电缆。

 

对于大型和小型电线和电缆,在选择现有飞机的现代化和改装解决方案时,绝缘系统的耐磨性非常重要。没有选择路线的自由会给安装人员带来额外的负担,不仅要有一个适合现有机身的解决方案,而且能够在不担心损坏隔热层的情况下穿过。

 

线束——一组捆绑的电线,用于保护和布线整个飞机——对飞机的运行和成功至关重要。定制安全带的趋势仍在继续,这需要初始投资,但可以大大降低飞机寿命期间的维护成本。通用布线无法满足现代带宽、功率和重量要求。构建良好的定制线束可最大限度地减少故障,防止昂贵的维修和计划外的维护停机。还可以提高电源效率,保护航空电子设备和敏感电子设备免受过早故障。

 

线束保护的发展仍在继续。防火和电弧损伤保护的新材料有助于原始设备制造商减少关键区域的分离,从而缓解安装挑战。

 

重量轻

 

创新者正在开发先进材料和微型电子产品,以帮助减轻重量。这将提高燃油效率,增加有效载荷能力,提高性能。对电动飞行的需求增加了对高速电池充电和减轻重量的需求。正在设计特殊的电缆、接触器和开关,以处理快速充电过程中遇到的高电压、电流和温度。为了减轻电池重量,工程师们正在平衡重量和功率,在不增加机身重量的情况下为起飞和着陆提供峰值功率。

 

虽然飞行/太空应用的一些经济因素发生了变化,但推动更轻重量的部件一直是航空航天的一部分。金属化纤维的使用在过去几年中显著增加,主要是在屏蔽应用方面。载流能力仍然无法与铜相比。它们为飞机的雷击易发区域带来了挑战,但在许多航空航天应用中,可以实现减轻重量的好处。

 

下一代光纤和纳米微型连接器

 

光纤和微型连接器可以实现更高的数据吞吐量。光纤电缆可以提供比单架飞机所需更多的带宽,并提供巨大的重量优势。

 

TE Connectivity已经推出了几项利用光纤的新开发,包括光纤柔性布线和收发器MULTIGIG TRX,并正在开发VNX+连接器,计划于2025年底推出。Optical Flex解决方案有效地提供了复杂的利用,具有数千种可能的连接和路由功能,大大减少了空间包络和重量,这是铜无法实现的,所有这些都以FO的速度和带宽实现。拥有FO连接器和收发器,可用于非常强大、高带宽、高吞吐量、轻量级的信号连接系统。

 

让航空航天业适应使用光纤电缆需要时间和培训。此外,为光纤电缆配备坚固耐用的护套将增强处理能力,而不会损坏,并加快该技术的实施。微型连接器提高了信号密度,相当于每平方面积有更多的数据。为人工智能算法处理大量实时数据的高性能计算平台需要微型连接器提供所需的信号密度,以最大限度地减少整体系统占地面积和重量。

 

更高的电压

 

Lectromec支持更高的电压。但航空航天部门目前还没有制定高压元件标准,考虑到在高压/频率下材料退化的情况,很有可能在相当长的一段时间内不会制定。制定标准的原因是有共同的零件,共同的零件需要共同的需求。现在,有很多相互竞争的技术、设计和电源系统,每种都需要定制和测试来验证应用的可靠性。

 

高压应用布线系统组件的研究、设计和测试正在投入大量精力。现在,对支持高压应用的电线/电缆在环境压力和降低的大气压下进行局部放电评估;特拉斯科斯说,过去没有做过这件事。这导致了电缆设计、端接技术和检查/维护计划的改进。

 

环境法规促进进步

 

监管为创新带来了挑战和机遇。环境法规推动了从燃料系统向全电动或混合动力飞机的转变,这是航空技术的最大转变。对电推进的需求推动了对改进电线和电缆的需求。

 

RoHS是欧盟的《有害物质限制指令》,该指令限制在电气和电子设备(EEE)中使用特定的有害物质,以保护人类健康和环境。它限制了铅、汞和镉等物质。REACH法规是一项全面的欧盟(EU)法律,旨在改善对人类健康和环境的保护,使其免受化学品带来的风险。

 

RoHS和REACH正在供应链中造成问题,这可能需要数年时间才能实现。航空航天电线/电缆的主要绝缘类型是各种类型的含氟聚合物,这些聚合物即将被禁止。不是专门添加到禁用清单中,而是由于消除支持化学品而造成的消耗。现在正在取得的进展更多地与试图用越来越少的工具来保持相同的性能水平有关。在某个时候,会有一个材料限制,这将需要降低长期的性能要求。这可能是电缆的可标记性,也可能是更具影响力的,比如流体阻力或易燃性。

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