Bisher gab es keine optimale Lösung zur Übertragung von hohen Datenmengen in anspruchsvollen Anwendungen wie der militärischen Luftfahrt. Die vom deutschen Hersteller ODU präsentierte Expanded Beam Performance Technologie ermöglicht einen wichtigen Fortschritt. Sie liefert Systeme, die sich durch exzellente Übertragungseigenschaften auszeichnen und gleichzeitig wartungsarm bleiben. Mit einer langen Lebensdauer bilden die Produkte eine kostengünstigere Alternative zu aktuellen Verbindungen und reduzieren dabei die Ausfallzeiten der Anwendung. Der Wert der Technologie für das Anwendungsfeld der Embedded Systems wird durch die Aufnahme in den VITA Standard betont und leitet eine neue Ära für die Highspeed-Datenübertragung ein.
State-of-the-art Kampfflugzeuge verfügen über eine Vielzahl an unterstützenden Systemen, die Einfluss in unterschiedliche Bereiche nehmen. Dank kontinuierlicher Optimierung werden die maximale Effizienz und Leistung aus den Luftfahrzeugen gewonnen. Unzählige Sensoren erfassen die Umgebung und generieren wichtige Daten, die zur Aufklärung der überflogenen Gebiete beitragen. Aber auch in lebensbedrohlichen Gefechtssituationen unterstützen Systeme zur Zielerfassung die Piloten und bieten mit Hilfe von Augmented Reality (AR) und Artificial Intelligence (AI) zusätzliche Informationen die entscheidend sein können. Die militärische Luftfahrt bildet einen Schauplatz mit viel Potenzial für den Einsatz technischer Hilfsmittel, wodurch sich das ursprüngliche Kampfflugzeug in ein technologisches Meisterwerk entwickelt hat.
Neben der hohen Komplexität stellt auch der sich ankündigende Generationswechsel von fith- auf sixth-Generation-Fighter die Zulieferer einzelner Komponenten vor große Herausforderungen und beschleunigt das Tempo rund um den technologischen Wettstreit. Dabei bietet ein militärischer Kampfjet auch so bereits ein äußerst anspruchsvolles Umfeld für technische Ausrüstung.
Herausforderungen der militärischen Luftfahrt
Verglichen mit zivilen Anwendungen gibt es besondere Anforderungen an die Leistungsfähigkeit und Robustheit von Subsystemen und deren Verbindungen. Sie müssen zuverlässig sein, hohe mechanische Beanspruchungen wie Stößen und Vibrationen aushalten. Auch die Abhörsicherheit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Störsignalen spielt eine zentrale Rolle. Umwelteinflüsse wie extreme Temperaturschwankungen oder die Kontamination mit Aerosolen und Flüssigkeiten sind allgegenwärtig und müssen präventiv berücksichtigt werden.
Mit der zunehmenden Anzahl an Subsystemen steigt auch die Menge der zu übertragenden Daten. Herkömmliche, kupferbasierte Leitungstechnik liefern nicht die benötigten Datenraten und wären bei ausreichender Kapazität zu schwer. Durch den Einsatz von Fiber Optik Systemen können diese Probleme umgangen und sicherere Datenströme gewährleistet werden.
Die Verarbeitung der gesammelten Daten erfolgt in der Regel über Mission Computer. Eingebettete Systeme die nach individuellen Bedürfnissen angepasst und auf die Flugplattformen sowie die integrierten Subsysteme abgestimmt werden. Ihr Aufbau orientiert sich an definierten Standards um eine Einheitlichkeit, Interoperabilität und Kompatibilität mit Subsystemen zu gewährleisten.
Die benötigten Module im Inneren werden über direkte Backplane-Schnittstellen verbunden und können beliebig ausgetauscht werden. Periphere Systeme hingegen werden mittels I/O-Schnittstellen angebunden. Diese erfahren im täglichen Einsatz deutlich höhere Beanspruchungen. Um die optischen Signale aus den Glasfasern verwerten zu können, werden die Leitungen über optische Transceiver an den Leiterplatten angeschlossen.
Aktuelle Lösungen und deren Probleme
Physical Contact (PC) Steckverbinder haben sich im Laufe der Zeit auf dem Markt etabliert. Die beiden Faserenden werden mit Hilfe spezieller Werkzeuge poliert und exakt aneinander geführt. Durch diesen physischen Kontakt kann das Lichtsignal von einer Faser in die nächste übertragen werden. PC-Verbindungen zeichnen sich durch sehr gute Übertragungseigenschaften aus. Durch kleine Staubpartikel oder gröbere Verunreinigungen können die polierten Oberflächen schnell zerkratzt werden, wodurch sich die Übertragungseigenschaften verschlechtern. Auch der direkte physische Kontakt führt zu leichten Abnutzungserscheinungen, wodurch die Lebenszeit der Steckverbindungen auf wenige hundert Steckzyklen begrenzt ist.
Um das Versagen der Verbindungen möglichst lange hinauszuzögern und eine sichere, fehlerfreie Übertragung der Daten zu gewährleisten, werden die Schnittstellen bei jedem Steckzyklus manuell gereinigt. Moderne militärische Luftfahrzeuge verfügen über etliche dieser Verbindungen und müssen in der Regel vor und nach jeder geflogenen Mission gewartet werden. Dies resultiert in einem gewaltigen Wartungs- und Reinigungsaufwand bei gleichzeitig kurzer Lebensdauer der Kontakte.
Nichtsdestotrotz hat sich die Technologie als Standard am Markt durchgesetzt. Nicht zuletzt, da die filigranen Kontakte mit einem Durchmesser von etwa 1,25mm eine sehr hohe Packungsdichte ermöglichen. Die standardisierten MT-Ferrulen ermöglichen die Bündelung von bis zu 24 Fasern, wodurch ein zügiges Verbinden und Trennen der Datenleitungen möglich ist. Unter der VITA 66, VITA 87 und VITA 89 existieren konkrete Standards, die die Dimensionen und Qualitätsanforderungen definieren.
Alternativen zum Standard
Eine mögliche Alternative zu PC-Lösungen stellt die Expanded Beam Technologie dar. Durch eine Linse wird der Lichtstrahl am Ende der Glasfaser aufgeweitet, bevor er einen kurzen Luftspalt überwindet. Eine zweite Linse bündelt das Lichtsignal und überträgt es in die angeschlossene Glasfaser.
Durch die Aufstreuung des Lichtsignals sind die Verbindungen weniger anfällig für Signalstörungen durch eine Verunreinigung oder mechanische Einflüsse. Mit bis zu 100.000 Steckzyklen bietet die Expanded Beam Technologie eine robuste und langlebige Alternative – wartungsarm und deutlich effizienter als PC-Lösungen.
Die Kehrseite der Medaille: die linsenbasierte Übertragung der Signale reicht nicht an die hervorragende Leistung der PC-Steckverbinder heran. Vor allem die höhere Einfügedämpfung mindert das Potenzial der Technology für die militärische Luftfahrt. Ein weiterer Nachteil ist die physische Größe der Verbindung. Durch den größeren Durchmesser kann keine so dichte Anordnung mehrerer Kontaktelemente erreicht werden, wodurch Verbindungslösungen für eine Vielzahl von Glasfasern viel Platz in der finalen Anwendung einnehmen würden.
Der Lichtblick: Expanded Beam Performance
Die Expanded Beam Performance Technologie kombiniert die Vorzüge der PC-Verbindungen mit der Robustheit der linsenbasierten Datenübertragung. Mit ihr stehen endlich Steckverbindungen zur Verfügung, die eine hohe Resistenz gegenüber Abnutzung, Verunreinigung und mechanische Einflüsse, bei gleichzeitig ausgezeichneten Übertragungseigenschaften bieten.
Die Einfügedämpfung ermöglicht mit Werten unter 0,15 dB für Multimode und <0,35 dB im Singlemode eine ausgezeichnete Datenübertragung. Auch die Rückflussdämpfung liegt mit mindestens 45 dB (Multimode) beziehungsweise 60 dB (Singlemode) in einem hervorragenden Bereich.
Das innovative Design der Expanded Beam Performance Ferrule ermöglicht die Verbindung von 12 Glasfasern ohne direkte Kontaktierung der Endflächen. Somit können bis zu 50.000 Steckzyklen ohne Abnutzungserscheinungen und ohne Einbuße der Übertragungseigenschaften erreicht werden. Eine Reinigung der Verbindung wie bei PC-Steckverbindern ist unter normalen Umständen nicht notwendig. Dadurch bildet die Technologie die perfekte Grundlage für die Datenübertragung in anspruchsvollen rauen Umgebungen.
Mittels eines Kassettenprinzips können mehrere Ferrulen auf engstem Raum aneinandergereiht werden, wodurch sich die Verbindungslösungen für Systeme mit großen Datenmengen eignen. Die finalen Kontaktelemente sind in unterschiedlichen Dimensionen, je nach Anforderung und verfügbarem Bauraum erhältlich.
VITA 96 Backplane Verbindung
Der Backplane-Steckverbinder erlaubt die direkte Anbindung von Modulen und Missionscomputern. Seine hohe Anzahl an Steckzyklen und niedrigen Wartungsbedarf machen ihn besonders geeignet für Anwendungen, die über lange Zeiträume hinweg einen regelmäßigen Austausch der Module erfordern.
Die Verbindungslösungen ODU BACKPLANE sind in drei unterschiedlichen Varianten zum Verbinden von bis zu 96 Glasfasern nach den zukünftigen Standards VITA 96.1, VITA 96.4 und VITA 96.5 erhältlich. Da sie in dieselben Aussparungen passen, bilden sie die wartungsarme Alternative zu Lösungen nach VITA 66.
Robuste und wartungsarme I/O-Schnittstellen
Zur Anbindung peripherer Systeme werden meist I/O-Schnittstellen in Form von Rundsteckverbindern genutzt. Diese zeichnen sich durch ihre Robuste Bauweise, das intuitive Handling und die zuverlässigen Verriegelungsmechanismen aus. Unter VITA 87 und VITA 89 existieren bereits seit geraumer Zeit standardisierte Lösungen, die Fiber Optic Verbindungen mit einer Vielzahl von Kontaktelementen standardisieren. Doch auch diese Lösungen bieten keine ausreichende Widerstandsfähigkeit und erfordern eine kostspielige Wartung.
Durch den Einsatz wartungsarmer Alternativen kann die total cost of ownership reduziert werden. Anwendungen unterliegen kürzeren Ausfallzeiten und werden effizienter im Einsatz genutzt.
Steckverbinder unter dem zukünftigen VITA 95 Standard integrieren die robuste Expanded Beam Performance Technologie in 38999, Series III Gehäuse und stellen die ideale Alternative zu herkömmlichen Lösungen dar. Mit ODU TACTICS sind die ersten Lösungen nach diesem Prinzip am Markt erhältlich. Unter der AMC Serie T bietet der deutsche Hersteller eine Verbindungslösung im hauseigenen Design an – noch kleiner, noch leichter, jedoch genauso widerstandsfähig wie die bekannten 38999 Verbindungen.
Weite Informationen rund um die neuen Glasfaserlösungen finden Sie unter www.odu-aerospace.com.
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