כבלי נתונים עבור מטוסי היום והמחר

אלכס קפ, אלקטרונדארט חברת Thermax

במהלך העשור האחרון, יישומים נוספים הוכנסו למטוסים המסחריים והצבאיים. נוצר צורך ברשתות תקשורת מוטסות מורכבות יותר אשר דרשו רוחב-פס נוסף כדי שמערכות הטיסה יוכלו לשדר ביעילות מגוון רחב של נתונים קריטיים ולא-קריטיים. בתגובה, Ethernet הפך לפרוטוקול המעשי עבור טכנולוגיית הרשת בתוך מטוסים בשל ריבוי המוצרים, האמינות העומדת בכשלים ומפת-דרכים המוסיפה לאפשר שיפורים מתמידים בביצועים. בשעה שהאוויוניקה, הפלטפורמות הצבאיות, מערכות ניהול הקבינה  (cabin management systems)  ומערכות הבידור בטיסה

(in-flight entertainment systems – IFE)  מוסיפות להתפתח ולהתקדם, הצורך ב-Ethernet מהיר הפך למציאות.

בעוד מטוסים חדשים מתוכננים לשרוד מספר עשורים ומטוסים קיימים משודרגים כדי להוסיף לתפקד, תעשיית המטוסים מתאמצת להבטיח שאריכות הימים של רשת התקשורת המוטסת תוסיף להתקיים מספיק זמן כדי למנוע שדרוגים נוספים. לכן, מהנדסי תעופה רבים מתכננים רשתות חדשות ומשודרגות בעלות כבלים התומכים ב-Ethernet בעל רוחב-פס רחב, כלומר Ethernet ל-10 גיגה-ביט. אם כי רוחב-פס של 10 גיגה-ביט אינו דרוש בהכרח עבור כל היישומים של היום, אימוץ טכנולוגיה זו מכין את הרשת לקראת טכנולוגיות האוויוניקה והטיסה של מחר – תוך שמירה על מחזור החיים של הרשת בהתאמה עם מחזור החיים של המטוס ומניעת הצורך בשימוש בכבלים חדשים בעתיד. באותו הזמן, רשתות כבלי נתונים מוטסות דורשות את הרמות הגבוהות ביותר של ביצועים וזמינות, תוך הפחתה של העלויות הכוללות של מחזור החיים והבטחה שהמערכת מוסיפה להיות קלת-משקל כדי להפחית את ההשפעה שלה על צריכת הדלק.

שיגור של מידע טיסה קריטי(critical)  ולא-קריטי (non-critical)

הבקרה ואיסוף המידע מִרכיבים מודולריים של מערכת אוויוניקה מומשו בעבר דרך חיווט נקודה-לנקודה והפרוטוקול  החד-כיווני 429  ARINC של Airlines Electronic Engineering Committee () הנפוץ ביותר והמשמש ברוב המטוסים המסחריים הפועלים כיום. לרוע המזל, בעוד מערכות וטכנולוגיית האוויוניקה התקדמו, הפרוטוקול ARINC 429 הפך לבלתי-מתאים במצבים רבים.

למרות היותו אמין ביותר, ה-ARINC 429 מוגבל ברוחב-הפס והארכיטקטורות נקודה-לנקודה שלו, המצריכה יותר מידי כבלים, גורם למורכבות רשת ויותר מידי דאגה למשקל בין יצרני מטוסים מסחריים. הפחתת המשקל הכולל של מטוס מאפשרת לו להיות יותר יעיל לדלק ועלות טיסה נמוכה יותר מבחינה תפעולית (עבור מידע נוסף על סוגיה זו, נא לפנות

לאתר החברה כדי להוריד עותק של הדו”ח שלנו Weight Reduction and Space Savings in Wire and Cable Design and their  contribution to Aerospace Design and Operational Efficiency white paper. (ראה גם גרף מס’ 1).

Ethernet הושק בסוף שנות ה-70 ואומץ עבור רוב הרשתות המסחריות בחברות בראשית שנות ה-80. בראשית שנות ה-90, תעשיית התעופה החלה להתייחס ל-Ethernet כאמצעי להחלפת הקישורים נקודה-לנקודה תוך ניצול היתרונות הרבים של Ethernet, הכוללים העלאת רוחב הפס הזמין תוך הפחתת משקל הכבלים. כיום, Ethernet הדופלקס הממותג של האוויוניקה (avionics full-duplex switched Ethernet – AFDX) נחשב לרשת הנתונים המוטסים הנבחרת והיא מומשה ב-Boeing 787 ו-Airbus A380. מבוסס על ARINC 664 ותקני Ethernet מסחריים ממותגים קיימים, AFDX מגשר על הפער בין אמינות ורוחב-פס מובטח, תוך הפחתה משמעותית של אורך הכבלים והמשקל הכולל של המטוס. הוא משמש בעיקר למערכות אוויוניקה מסורתיות הכוללות ציוד בקרת טיסה, רשמים מוטסים, GPS, ניטור לחץ האוויר בצמיגים ועוד.

מערכות אוויוניקה הן רק חלק מרשת נתוני הפלטפורמה המוטסת של היום. כל מטוס כולל גם רשתות תפעוליות לא-קריטיות התומכות ב-CMS ורוב המטוסים כיום מציעים רמה מסוימת של בידור מוטס, כגון סרטים, מוזיקה ו-Wi-Fi לשם גישה לאינטרנט. בשעה שנוסעים במחלקה הראשונה מהווים כמעט שליש מכל הכנסות חברות התעופה, יצרני מטוסים מתאמצים לממש טכנולוגיות למחלקה הראשונה עוד יותר מתקדמות דוגמת וידיאו לפי הזמנה, וידיאו ברזולוציה גבוהה, תפריטים דיגיטליים ושירותי הזמנה, ומהירויות אינטרנט גבוהות יותר. מערכות הבידור המתקדמות האחרונות דורשות יותר רוחב-פס מאשר אי-פעם – סיבה נוספת מדוע יצרני מטוסים ומהנדסי מטוסים בוחרים להציג יכולת 10 גיגה-ביט Ethernet. בנוסף, בשל דרישה גוברת לטכנולוגיות וידיאו, מכ”ם וסונאר, 10 גיגה-ביט Ethernet הופך במהרה לפרוטוקול התקשורת המקובל במטוסים צבאיים (ראה מסגרת).

שימוש ב-10 גיגה-ביט Ethernet בשביל רשת נתונים מוטסת כנגד Ethernet 100/1000

מגה-ביט בעל המהירות הנמוכה יותר מספק הן יכולות תאימות לאחור והן יכולות התאמה עתידיות. Ethernet מפצה עבור קצבי נתונים לא-מותאמים הנגרמים מהתקנים אחדים המשדרים במהירויות נמוכות והתקנים אחרים המשדרים במהירויות הרבה יותר גבוהות. דבר זה מאפשר לתכנן רשת עם כבלים המסוגלים לספק ביצועים של העברת אותות ב-10 גיגה-ביט לקראת טכנולוגיות התעופה של מחר, ועדיין לתמוך במערכות בעלות רוחב-פס נמוך יותר, ולהבטיח בכך מרווח וביצועים משמעותיים, הן כיום והן בעתיד. ל-Ethernet גם יכולת לברור בין מידע קריטי ולא-קריטי תוך שימוש בטכנולוגיית LAN וירטואלית, דבר ההופך אותו לאידיאלי לשם שמירה על המידע הקריטי.

להתגבר על יישומים מאתגרים של כבילה במטוסים

בנוסף לצמצום משקל הכבלים ברשתות תקשורת מוטסות לשם הפחתת צריכת הדלק, סביבות המטוסים מתאפיינות בהרבה חום, רעידות ורעש המסוגלים להשפיע על ביצועי הכבלים. ההתקנה מהווה גם אתגר בשל הכבלים הרבים הפרוסים דרך מרחבים צפופים מאוד וכיפופים חדים ועם נגיעה פוטנציאלית בקצוות חדים וחיכוכים. סביבה זו עלולה להשפיע לרעה על ביצועי העברת האותות אם לא משתמשים בכבל הנכון.

ביישומי IFE, כבל בעל זוג-מפותל משמש בד”כ כדי לספק את הנתונים הדרושים לכל משענת של מושב או במחלקות הראשונות. דבר זה דורש להניח כמות משמעותית של כבלים דרך נתיבים מאוד צרים ומרווח מוגבל. לדוגמה, מטוס מסחרי בעל מעבר אחד דורש לפחות 6 רגל של כבל בין המושבים שלו. עם 140 מושבים, יהיה צורך לנתב יותר מ-840 רגל של כבל בנתיבים צפופים.

כבלים בעלי זוגות מפותלים איכותיים כוללים זוגות המורכבים משני מוליכים מאוזנים במלואם – למעשה תמונות ראי זה לזה. כדי לשמור על ביצועים חשמליים עקביים, הנחושת בשני המוליכים צריכה להיות זהה וגם ממורכזת, או חד-מרכזית, עם הבידוד הסובב פרוס לכל אורך הכבל. דבר זה דורש ייצור מדויק ביותר. מוליכים בודדים הצמודים לאורכם זה לזה יבטיחו ביצועי זוגות מאוזנים מיוטבים (optimized) על-ידי נעילה במרווח מוליך-למוליך. נוהלי ייצור בלתי-עקביים עשויים לגרום למרווחים מוליך למוליך בלתי-שווים (ראה איור 1).

המרחק מרכז-למרכז, או המרכוז בין שני מוליכי הנחושת צריך להישאר קבוע ולא להשתנות כלל (ראה איור 2). הן גורמי החד-מרכזיות (קונצנטריות) והמרכוז מבטיחים שהאות אינו מקרין מחוץ לזוג המוליכים ושהוא מבטל כל רעש המגיע אליו.

לרוע המזל, כבלים אחדים המציגים ביצועים מעולים על הגליל אינם מציגים אותה הרמה של ביצועים לאחר ההתקנה. כאשר הכבלים לחוצים, מכופפים, מגולגלים או מסובבים במהלך ההתקנה לתוך כלי הטיס, הם עלולים להפוך לעקומים והגיאומטריה הפיסיקלית של הזוגות עלולה להינזק, דבר הגורם פערים בין שני המוליכים והפסד במרכזיות מוליך-למוליך. דבר זה עלול לגרום לבסוף לפגיעה בביצועים לאחר ההתקנה. למעשה, מחקרי ה-Federal Aviation Administration () על נזקי חיווט המטוסים מראים שהטיפול המוטעה וכיפוף-היתר של כבלי מטוסים עתידיים להיות יותר מזיקים לביצועי הכבל מאשר כל הזדקנות בגין חום, לחות או רעידות. כתוצאה, ה-FAA ממליצה לתכנן מערכות חיווט של מטוסים כדי למזער השפעות של יותר מ-10 מונים הכיפוף הדינמי של חוטים. במקרים מסוימים, כבלים עלולים להיכשל בבדיקות לאחר ההתקנה. דבר זה יכול לגרום לכך שהכבל יוסר ויוחלף, וזהו מעשה יקר. לפי כך, מהנדסי מטוסים יכולים ליהנות מכבלים המתוכננים לספק את אותם הביצועים הן על הגליל והן לאחר ההתקנה, דבר המוכר בשם “ביצועים לאחר התקנה”.

כדי לתמוך במערכות התעופה המבוססות-IP של היום ושל מחר, תוך היענות לאתגרי הנתיבים הצרים, הסביבות הקשות והצורך לתכנן מטוסים יותר קלים ויותר יעילים לדלק, מהנדסי התכנון והיישומים של מטוסים דורשים כבלים עם:

 ביצועי 10 גיגה-ביט אמינים ביותר

 ממדים קומפקטיים לשם התקנה קלה יותר

 ביצועים ועמידות הניתנים להתקנה

 משקל כולל מופחת לרגל (foot)

להשיג “ביצועים לאחר התקנה”, צמצום המשקל והממדים, ויתרונות באמינות  בעזרת טכנולוגיות אפשריות

בשעה שאוויוניקה מתקדמת יותר, מערכות CMS ו-IFE מתבססות במטוסים וכמות הכבלים 10 גיגה-ביט הנפרסת כדי לתמוך במערכות הנוכחיות והעתידיות גדלה משמעותית. למרבה הצער, מרווח הנתיב נשאר ללא שינוי. לכן מהנדסים בתעשיית המטוסים צריכים כבלים העונים לביצועי העברת האותות 10 גיגה-ביט האמינים ביותר, תוך שהם דורשים פחות מקום, הפחתה של המשקל הכולל של הכבלים והספקת ביצועים לאחר התקנה ללא תלות בממדי הנתיב של המטוס.

הכבל Gigabit-10HP של Thermax בעל הטכנולוגיה Bonded-Pair מספק העברת אותות עקבית, אמינה של 10 גיגה-ביט בעלת מאפייני ביצועים חשמליים ומכניים יוצאים מן הכלל. כבל 24 AWG זוג-מפותל זה כולל תכונות תכנון חדשניות ביותר העושות אותם מתאימים יותר עבור התקנות כבלים בפלטפורמות מוטסות, כולל “ביצועים לאחר התקנה” ועמידות, ממדים קומפקטיים לשם התקנה קלה יותר בנתיבי שלדה צרים (25% קטנים יותר מאשר כבלי 10 גיגה-ביט אחרים) ומשקל כולל נמוך יותר.

זוגות-מודבקים (bonded-pairs)

טכנולוגיית הזוגות המודבקים כוללת תכנון ייחודי, פטנט המגדיר זוג מוליכים מבודדים דבוקים וצמודים לכל אורכם, דבר המשיג ריווח (spacing) בין מוליך-למוליך עקבי ואחיד הנשאר קבוע ויציב לפני ההתקנה, במהלך ההתקנה ואחריה.

לזוגות בלתי-מודבקים יש נטייה להיווצרות של מרווח בין המוליכים במהלך ההתקנה, לשנות את המרכזיות של שני המוליכים ולהשפיע לרעה על הביצועים. העכבה עבור זוג צריכה להיות 100 אוהם. אולם, כאשר נוצר מרווח, הוא יוצר עכבה משתנה וחלקים מהאות עשויים להיות מוחזרים בחזרה אל המקלט. דבר זה יוצר הפסד חזרה, או  (reflection loss), שהוא במיוחד חשוב בשמירה על העברה של 10 גיגה-ביט Ethernet, המשתמש בהעברה דו-כיוונית בה שני הקצוות של הזוג משדרים וקולטים אותות.

הכבל Gigabit 10HP של Thermax בעל הטכנולוגיה של זוגות-מודבקים ניתן לטיפול מבלי לגרום למרווחים הגוזלים-ביצועים בין המוליכים. הוא שומר על עכבה וביצועי RL אף לאחר שנמתח, מלופף ומכופף לתוך נתיבים צרים. דבר זה עושה את Gigabit 10HP לפתרון אידיאלי עבור יישומי כבלים של פלטפורמות מוטסות. זהו הכבל היחיד המספק למטוס את הביצועים 10 גיגה-ביט של העולם הממשי שהציג הכבל כאשר נמצא על הסליל. בבדיקת גמישות ומאמץ, Gigabit 10HP מציג ביצועים מותקנים יותר טובים לעומת כבלי מטוסים אחרים בשוק.

כבלי Gigabit 10HP הם גם יותר חסינים לרעש. בעוד הסיכוך הוא ההגנה הראשונית נגד רעש, זוגות מפותלים מתוכננים גם לבטל רעש חשמלי מהסביבה. הזוגות-המודבקים עושים זאת יותר טוב מאשר זוגות בלתי-מודבקים. כאשר זוגות בתוך כבל מופרדים, הם פועלים כמו אנטנה וקולטים אותות, או רעש מהסביבה הקרובה. דבר זה עשוי לפגוע באות המשודר על הזוג ולהקשות על המקלט להבדיל בין הרעש והאות האמיתי. מאחר שלא נוצרים פערים בין המוליכים, זוגות מודבקים מהווים אנטנה גרועה והם פחות חשופים לרעשים ממקורות אחרים. דבר זה חשוב במיוחד בסביבה הרועשת של מטוס.

השלב הבא:

X-Web Central Spline

אחד מאתגרי המפתח ביישומי ה-10 גיגה-ביט Ethernet, כרוך בצימוד האלקטרו-מגנטי בין זוגות בתוך כבל ובין זוגות בתוך כבל סמוך. במהירויות גבוהות יותר כמו 10 גיגה-ביט, תדרים גבוהים יותר יכולים ליצור יותר הפרעות רעש, או ערב-דיבור (cross-talk) בין הזוגות. כאשר זוגות נעים בתוך כבל, הם יכולים לבסוף להימצא קרוב מידי לזוג אחר בתוך הכבל או לזוג בכבל סמוך. דבר זה מאפשר לזוגות להפריע זה לזה. כמו רעש ממקורות חיצוניים, הפרעות מזוגות וכבלים סמוכים יכולים להשפיע לרעה על הביצועים.

לכבלי Gigabit-10HP מחיצה (spline) מרכזית חדשנית X-Web המפרידה בין זוגות הכבלים, מציבה אותם במדויק בתוך ה-X-Web ומפחיתה בכך את ערב-הדיבור לשם ביצועי העברת אותות יותר טובים (ראה איור 3). ה-X-Web גם מבטל את הצורך בסיכוך זוגות נפרד, ומאפשר לכבלי ה-Gigabit-10HP לשמור על קוטר קטן לשם התקנה קלה יותר בתוך נתיבי המטוס הצפופים וכן למשקל כולל נמוך יותר של הכבל כדי להקטין את השפעת הכבלים על צריכת הדלק. למעשה, לכבל ה-Gigabit-10HP  יש קוטר כולל קטן יותר מ-25% מכבלים 10 גיגה-ביט זמינים אחרים עם 40% פחות שטח חתך. דבר זה מאפשר התקנה יותר קלה, במיוחד במקומות צפופים.

מבנה של כבלים איכותיים

כמו כל הכבלים של Thermax, Gigabit-10HP מיוצר לפי התקנים באיכות הגבוהה ביותר בעלי ביצועים חשמליים ומכניים מעולים לצורכי מספר יישומים מוטסים. Gigabit-10HP מבטיח העברת אותות 10 גיגה-ביט למרחק של 90 מטרים לאחר התקנה ופועל בתחום טמפרטורות מ-650C- עד 1500C.

בנוסף לטכנולוגיית הזוגות הדבוקים והמחיצה המרכזית X-Web, כבלי Gigabit-10HP מכילים סיכוך פנימי מאלומיניום-מיילאר המספק 100% כיסוי וסיכוך חיצוני עגול מאריגת סיבי נחושת מצופה-כסף המספק כיסוי של 85% לפחות. דבר זה מבטיח ביצועים בסביבה רועשת של יישומים מוטסים (ראה איור 4).

כבלי Gigabit-10HP הם תואמי RoHS, ועונים לדרישות הגלובליות של היום לצמצום החומרים המסוכנים. הציפוי המשוך של הכבל גם עונה לדרישות הדליקות של ה-FAA Federal Aviation Regulations (FAR) 25.853  עבור שריפה, עשן ושחרור חום, כמו גם דרישות העשן והרעילות של Boeing ו-Airbus: .

ייטוב הביצועים עבור יישומי מערכות מוטסות בעזרת טכנולוגיה מעודכנת

בעזרת שילוב של טכנולוגיית זוגות מודבקים, המחיצה המרכזית X-Web ומבנה כבל איכותי, הכבל Gigabit-10HP של Thermax עונה לצרכים המחמירים של המטוסים מהדור הבא. יתרונות-המפתח כוללים:

 ביצועים ואמינות לאחר התקנה עבור מערכות טיסה קריטיות ולא-קריטיות

 מאפייני ביצועים חשמליים ומכניים יוצאים מן הכלל עבור 10 גיגה-ביט Ethernet מתקדם

 ערב-דיבור פנימי והפרעות רעש חיצוני הקשורות ביישומי המערכת המוטסת –  מוקטנים

 קוטר כבל קטן כדי לנתב בקלות דרך נתיבי מטוס צפופים ומורכבים

 משקל מועט המפחית את ההשפעה הכוללת על צריכת הדלק ומקטין את העלות

 מבנה כבל עמיד בתנאי הסביבה המחמירים לכלי טייס

מהנדסי תעופה יכולים להניח שהם מקבלים את הביצועים עבורם הם שילמו, אולם רוב יצרני הכבלים אינם יכולים לטעון ל”ביצועים לאחר התקנה” בעולם הממשי. הם מבססים את מפרטי הביצועים שלהם על תוצאות במעבדה שם הכבל מותקן בסביבות נקיות – הרחק מיישומי הכבילה בכלי הטייס.

מטוסים הם סביבות קריטיות החייבות לשרוד באוויר בבטחה. הם דורשים כבלים אמינים ביותר כדי לתמוך בשרותי אוויוניקה, CMS ו-IFE. בעזרת הכבל Gigabit-10HP של Thermax, הביצועים שאתה מקבל על הגליל הם מה שאתה תקבל במטוס – יום אחרי יום, שנה אחרי שנה. כל דבר אחר פשוט לא יצדיק את הסיכון.

לשם מידע נוסף…

בתור מוביל עולמי בייצור של כבלים בעלי איכות גבוהה עבור יישומים מחמירים, Thermax מעורבת מאוד בגופי התקינה ומחויבת לספק פתרונות מוכחים עבור יישומים צבאיים, מוטסים ותקשורתיים.

במידה שהיישום שלך דורש מוצרים תקניים או שיפורים דוגמת מהירויות העברה גבוהות יותר, מאפייני הפסד נמוכים יותר, חוסן מכני מוגבר, עמידות בפני טמפרטורות קיצוניות או כל שילוב של התכונות הדרושות, Thermax יכולה לספק לך פתרון מוכח.

לקבלת מידע נוסף על כבלי Gigabit-10HP שלנו ויישומים מוטסים, בקר באתר החברה.