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Luftfahrttechnik Licht gegen Kupfer

07.11.2017

Zahlreiche elektronische Anwendungen im Flugzeugbau erfordern hohe Bandbreiten und Sicherheitsstandards bei möglichst geringem Gewicht. Dabei stoßen die bewährten Kupfernetzwerke an ihre Grenzen. Mit sehr dichten faseroptischen Lösungen steht ein würdiger Nachfolger bereit.

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In der Luft- und Raumfahrtindustrie kommen bei Steuerungen sowie in Kommunikations-, Informations- und Überwachungssystemen hoch komplexe Technologien zum Einsatz. Das gilt zum Beispiel für das In-Flight-Entertainment, die Sitz- und Kabinensteuerungssysteme, Wireless Access Points, Datennetzwerke und die kompletten Kabinennetzwerklösungen. Entsprechend wächst die Nachfrage nach robusten, rekonfigurierbaren Rechner- und Netzwerklösungen stetig.

Die steigende Zahl unterschiedlicher Netzwerke innerhalb eines Flugzeugs treibt die Entwicklung neuer Netzwerkarchitekturen voran. Ihre wesentlichen Aufgaben bestehen darin, die notwendige Flexibilität zu bieten und den Aufwand für eine mechanische Neukonfiguration bei der Integration unterschiedlicher Einzelnetzwerke in ein Gesamtnetzwerk möglichst gering zu halten. Eine Gitterarchitektur bietet Redundanz und vermeidet Verdoppelungen. Wenn in einem Flugzeug aber die Anforderungen parallel kommunizierender und für unterschiedliche Zwecke vorgesehener Netze in ein einziges Netzwerk integriert werden, geht die Bandbreite dieses Gitternetzwerks schnell in den Terabit-Bereich. Solch große Datenmengen bergen aber auch neue Gefahren in Punkto Cybersicherheit.

In der Vergangenheit wurde für das Netzwerkdesign üblicherweise Kupfer eingesetzt. Dieses Material hat jedoch seine Beschränkungen, insbesondere mit Blick auf die steigenden Bandbreitenanforderungen. Höhere Übertragungsraten über größere Entfernungen hinweg lassen sich mit Kupfer nur bedingt realisieren. Zum Glück haben neue technische Entwicklungen zu wesentlichen Fortschritten auf dem Gebiet der Faseroptik für raue Einsatzbedingungen geführt. Faseroptik läuft deshalb hinsichtlich der SWaP-C-Eigenschaften, Größe, Gewicht, Leistung und Kosten, Kupfer den Rang ab. Faseroptische Lösungen wiegen nur einen Bruchteil und sind außerdem kleiner als Kupferlösungen, und das bei vergleichbaren oder sogar höheren Übertragungsraten.

Faseroptik läuft Kupfer den Rang ab

Während Kupferkabel in Netzwerken und bei Anwendungen im Flugzeugbau zu Datenübertragungsengpässen führen können, kommt es bei der Übertragung von Licht über optische Fasern nur zu äußerst geringen Signalverlusten. Deshalb können Daten wesentlich schneller übertragen werden; mit Geschwindigkeiten von
10 Gbps und mehr. Anders als Kupferverkabelungen sind optische Fasern unempfindlich gegenüber elektromagnetischen und hochfrequenten Störungen, was einen weiteren Leistungs- und Sicherheitsvorteil bedeutet.

Bei Netzwerkkomponenten oder bei der Elektronik für das In-Flight-Entertainment ist nicht immer eine kontrollierte Umgebung beziehungsweise ein Kühlsystem vorhanden. Da Kupferkomponenten Wärme erzeugen können, ist das Wärmemanagement in Kupfernetzwerken problematisch. Eine übermäßige Erwärmung kann die Zuverlässigkeit des Netzwerks beeinträchtigen und die Wartungskosten in die Höhe treiben. Die Datenübertragung über Fasern ist hingegen extrem zuverlässig, weil sie im Gegensatz zu Kupfer unempfindlich gegenüber Umgebungsfaktoren wie der Temperatur, Staub, Feuchtigkeit oder Öl sind.

Cybersicherheit verbessert

Im Vergleich zu Kupfer sind Fasernetzwerke aber nicht nur unempfindlicher, sondern auch sicherer. Während es immer Möglichkeiten gibt, mit Hilfe von hart verdrahten Anschlüssen oder Antennen in eine Kupfernetzwerkarchitektur einzudringen, ist es selbst unter optimalen Bedingungen extrem schwer, ein Fasernetz zu hacken. Zudem lässt sich ein Angriff auf ein faseroptisches Netzwerk schneller erkennen und verhindern. Seine Architektur bietet also einen wesentlich besseren Schutz vor Cyberangriffen.

Faseroptische Netzwerke lassen sich sowohl an vorhandene Flugzeuginfrastrukturen anpassen als auch in neue Flugzeugkonzepte integrieren, wodurch künftige Erweiterungen des Netzwerks um neue Funktionen möglich sind. Ein weiterer Vorteil faseroptischer Technologien besteht darin, dass die Bauteile leicht zu beschaffen sind und die Kosten kontinuierlich sinken. Auch die Verwendung von vorgespleißten Fasern, unterschiedlichen Steckverbindern und anderen Technologien für den Feldanschluss trägt zur Kostensenkung bei. Moderne Faser-Bragg-Gitter-Technologien liefern außerdem situationsspezifische Informationen zur Temperatur, zu mechanischen Spannungen oder zu Konnektivitätsverlusten, wodurch zusätzliche Sensoren und Datenleitungen überflüssig werden. Nicht zuletzt können die vereinfachten Anforderungen hinsichtlich der Installation und der Wartung dazu beitragen, dass Projektbudgets eingehalten und zeitkritische Aufgaben rechtzeitig abgeschlossen werden.

Flex-Schaltungen sorgen für dichte Leitungsführung

Um die in Flugzeugnetzwerken beziehungsweise auf Leiterplatten im Flugzeugbau benötigte sehr dichte Leitungsführung unter rauen Umgebungsbedingungen zu erlangen, bieten sich vielseitig einsetzbare Flex-Schaltungen mit hohen Faserzahlen an. Bei faseroptischen Flex-Schaltungen werden Fasern in spezielle Kunststofffolien eingebettet, wodurch sich das Gewicht und die Querschnittsfläche wesentlich verringern. Während die schwereren Kupferkabel stabile Vorrichtungen benötigen, lassen sich diese Faserbänder ganz leicht ohne mechanische Vorrichtungen anschließen. Zudem kann die Verwendung von Faserbandleitungen die Notwendigkeit des Spleißens von Fasern wesentlich reduzieren.

Auf Faserband basierende Verbindungslösungen eignen sich bestens, um Flex-Leitungen an andere Systeme anzubinden. Für den Anschluss der optischen Schaltungen steht eine Vielzahl von blind steckbaren Verbindungslösungen zur Verfügung. Optische Flex-Schaltungen sind für fast alle Kabelführung geeignet und können sowohl für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen als auch in einem willkürlich gemischten oder logischen linearen System eingesetzt werden. Direkte oder fusionsgespleißte Faseranschlüsse tragen zur Vermeidung zusätzlicher Einfügedämpfung bei. Außerdem lässt sich eine faseroptische Flex-Schaltung einfacher prüfen, bis hinunter auf die Einfüge- und Rückflussdämpfung eines einzelnen Ports, als eine vergleichbare Kupferschaltung.

Optische Backplanes mit hohen Faserzahlen

Vernetzungssysteme in der Luftfahrttechnik erfordern immer häufiger optische Backplanes mit hohen Faserzahlen und Querverbindungsystemen. Flexible optische Schaltungen bieten hier die derzeit höchste Dichte und Flexibilität. Flex-Plane-Schaltungen sind gut geeignet für sehr dichte optische Leitungsführungen mit hohen Faserzahlen auf Leiterplatten, Backplanes und Querverbindungssystemen. Sie übernehmen die Faserführung von Karte zu Karte oder von Shelf zu Shelf auf einem flammfesten Substrat. Auf einem Kunststoffsubstrat geführte optische Fasern werden durch eine flammfeste Schutzbeschichtung an Ort und Stelle gehalten. Das thermisch stabile Substratmaterial, das für einen guten Biegeradius ohne Beeinträchtigung der optischen Eigenschaften ausgelegt ist, übertrifft die Anforderungen der Luft- und Raumfahrtbranche in Bezug auf das Brand- und Rauchverhalten und die Toxizität (FST).

Standardmäßige faseroptische Flex-Schaltungen werden auf einem einzigen Substrat geführt. Bei den flexiblen optischen 3D-Backplane-Schaltungen werden die Fasern über mehrere gestapelte Substrate geführt, um die Luftströmung zu verbessern und eine kompaktere Führung zu erreichen. Dadurch lässt sich die Substratgröße um fast 50 Prozent im Vergleich zu standardmäßigen flexiblen Schaltungen verringern.

Hochwertige Fasern notwendig

Flexible faseroptische Lösungen sind sehr gut für die rauen Einsatzbedingungen in der Luft- und Raumfahrttechnik geeignet. Sie bieten eine hohe Qualität, Effizienz und Zuverlässigkeit für eine unterbrechungsfreie Konnektivität. Die anspruchsvollen Anwendungen erfordern jedoch eine sehr hochwertige Faseroptik sowie die Möglichkeit, individuell angepasste Lösungen zur Erfüllung bestimmter Kriterien zu entwickeln. Dazu braucht es eine zuverlässige Gesamtsystemlösung, die Transceiver, Leitungsstränge, Steckverbinder und flexible optische Schaltungen integriert. Der Verbindungstechnikhersteller Molex beteiligt sich aktiv an Netzwerkdesign und -architektur.

Molex verfügt über die nötigen Prüfeinrichtungen, um sicherzustellen, dass ein faseroptisches Netzwerk für den Einsatz in der Luftfahrttechnik qualifiziert ist. Die Prüfungen erstreckten sich von Produktevaluierungen und Simulationen über die Materialauswahl und die Fehleranalyse bis hin zur Unterstützung bei der Zulassung durch die zuständigen Behörden. Auch EMI- und SI-Prüfungen zur Gewährleistung hoher Qualitätsstandards sind möglich.

Bildergalerie

  • Bei faseroptischen Flex-Schaltungen werden die einzelnen Fasern in Kunststofffolien zu Faserbändern zusammengefasst.

    Bild: Molex

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