مروری بر اهمیت فیبر نوری در سیستم‌های آینده اویونیک

ما را در شبکه‌های اجتماعی دنبال کنید:

19 مرداد 1399

مروری بر اهمیت فیبر نوری در سیستم‌های آینده اویونیک

آیا تاکنون به نحوه طراحی هواپیما فکر کرده‌اید؟ آیا می‌دانید در طراحی سیستم‌های هواپیما و فضا‌پیماها به چه نکات و مواردی باید توجه کرد؟ اینکه چه عواملی تاثیرگذار است و چه راهکارهایی باید استفاده شود؟. عوامل بسیاری در طراحی سیستم‌های اویونیک دخیل هستند که از بین آن‌ها چند عامل نقش کلیدی و مهم دارند. ابتدا اینکه مهندسان تمایل به افزایش کارایی سیستم‌های نصب شده در هواپیما یا فضاپیما دارند. در واقع به دنبال ارائه راه‌حل‌هایی هستند تا عملکرد سیستم‌ها را ارتقاء دهند. دومین عامل در طراحی سیستم‌های اویونیکی کاهش وزن و اندازه تجهیزات است. همچنین یکی دیگر از عوامل مهم در طراحی حداکثر کردن امنیت سیستم‌های حین پرواز و حفظ ارتباط بین هواپیما یا فضاپیما و دیگر وسایل هوایی و مراکز کنترل بدون توجه به موقعیت و شرایط است.

به دلیل اینکه حمل‌و‌نقل هوایی سهم عمده‌ای در توسعه اقتصادی کشورها دارد، سازمان‌ها در تلاش هستند تا سیستم‌هایی به‌روز و پیشرفته ارائه کنند. از این‌رو راه‌حل‌هایی که می‌توانند باعث پیشرفت ناوگان‌های هوایی شوند و نیازمندی‌های طراحی را برآورده کنند، بسیار مورد توجه هستند.

یکی از طرح‌هایی که صنعت هوانوردی بسیار به آن توجه کرده است، طراحی و پیاده‌سازی معماری اویونیک ماژولار یکپارچه (IMA) است. هدف از طراحی IMA ارائه تجهیزات اویونیک در اندازه کوچک‌تر، سبک‌تر و مقرون به صرفه است. این معماری همچنین باعث افزایش عملکرد و کاهش پیچیدگی و سیم‌کشی در وسایل نقلیه هوایی می‌شود. اما با پیشرفت و توسعه روز افزون سیستم‌ها، نیاز است تا راه‌حل‌های دیگر برای افزایش کارایی تجهیزات اویونیک ارائه شود. یکی از این راه‌حل‌ها، تعویض کابل‌های مسی با فیبر نوری است.

فیبر نوری رشته بسیار نازکیست که نور از یک سر آن وارد شده و از سر دیگر خارج می‌شود و دارای پهنای باند بسیار بالاتر از کابل‌های معمولی است. این فناوری می‌تواند داده‌های تصویر، صوت و .. را به راحتی و با سرعت بالا انتقال دهد. امروزه در بیشتر صنایع از جمله مخابرات، تولید هواپیما و هلی‌کوپتر از فیبر نوری به عنوان جایگزین سیم و کابل مسی استفاده می‌کنند.

فواید فیبر نوری

تا به امروز در بین روش‌های ارتباط هوایی، ارتباط از طریق رادیو ارجح‌ترین روش بوده است. به طور سنتی بخش‌های نظامی و هوافضا از سیم‌های مسی در ارتباطات رادیویی استفاده می‌کنند. هرچند سیم‌های مسی وزن سنگینی دارند و به دلیل گرمای بیش از حد احتمال آتش‌سوزی آن‌ها بیشتر است، اما مس بسیار مقرون‌به‌صرفه بوده و به خوبی در برنامه‌های کاربردی تثبیت شده است. در عین حال، استفاده از کابل مسی دارای معایبی است که کاربرد فیبر نوری را با وجود هزینه‌بر بودن آن منطقی‌تر می‌کند.

یکی از مهمترین معایب کابل مسی این است که در برابر تداخلات الکترومغناطیسی مانند صاعقه و اشعه خورشید مستعد خرابی و آسیب‌‌پذیر است. تداخل الکترومغناطیس ممکن است باعث تخریب و نقص تجهیزات شود یا روی سیگنال‌های رادیویی کابین خلبان و سیگنال‌های رادار تاثیر داشته باشد و حتی منجر به قطع ارتباط بین خلبان و برج کنترل ‌شود. این اتفاقات می‌تواند به شدت روی ایمنی یا امنیت یک هواپیما تاثیرگذار باشد. اما در کابل‌های فیبر نوری تداخل فرکانس‌های رادیویی و تداخل الکترومغناطیسی نخواهیم داشت.

علاوه بر این با توجه به اینکه هر بار مهندسان ویژگی‌های بیشتری به هواپیماهای نظامی و مسافربری اضافه می‌کنند، داشتن فضای کافی برای تجهیزات جدید یک موضوع مهم و اساسی است. همچنین عملکرد بیشتر به معنای نیاز به پهنای باند داده، قدرت پردازش و افزایش مقدار داده‌ای است که سیم مسی باید در زمان معینی منتقل کند. از این‌رو ارائه یک راه‌حل ایمن‌تر و سبک‌تر که سرعت انتقال بالایی دارد، می‌تواند نیازمندی‌ها را برطرف کند. کابل فیبر نوری پاسخی جذاب برای این چالش‌ها است.

به دلیل همین ملاحضات، طراحی سیستم‌های اویونیک به سمت استفاده از فیبر نوری پیش رفته است. اگرچه هزینه آن از کابل‌کشی مسی بیشتر است اما فیبر نوری انتقال داده را سریعتر، پهنای باند را بیشتر و تضعیف داده را کمتر می‌کند. موادی که فیبر نوری از آن ساخته شده است بسیار انعطاف‌پذیر و سبک است. مهمتر از همه اینکه فیبر نوری بدون بهره‌مندی از هیچ فلزی، در برابر تداخل الکترومغناطیسی مصون است.

علاوه بر این، مصرف برق پایین، ارتقاء آسان، اندازه نازک‌تر، امنیت، اشتعال‌زا نبودن، امکان تعمیر فیبر در صورت خرابی و … از دیگر مزایای فیبر نوری است. به‌طور خلاصه مزایای استفاده از فیبر نوری در مقابل کابل‌های مسی را می‌توان به این شرح بیان کرد:

  • پهنای باند قابل دسترس در فیبر نوری تا 60 ترابیت بر ثانیه است. در حالیکه این مقدار برای کابل مسی حدود 10 گیگابیت برثانیه است.
  • فیبرهای نوری بسیار سبک بوده و قطر کمی دارند. بطور نمونه وزن یک کابل فیبر برای 350 متر حدود 2 کیلوگرم است، اما وزن معادل آن برای کابل مسی حدود 17 کیلوگرم می‌شود.
  • فیبر نوری از یکپارچگی سیگنال ([1]SI) بهتری برخوردار است، در این نوع کابل بطور تقریبی به ازای هر 45 کیلومتر نیاز به استفاده از تکرارکننده (Repeater) دارد در حالی که در کابل‌های مسی به ازای هر 5 کیلومتر به تکرارکننده نیاز است. این موجب کاهش مصرف تجهیزات جانبی و در نهایت وزن شبکه هواپیما می‌شود.
  • عدم تاثیرپذیری از تداخلات الکترومغناطیس ([2]EMI) توسط سایر تجهیزات مجاور این امکان را فراهم می‌کند تا سیستم‌ها با فاصله کمتری از یکدیگر نصب شوند و بنابراین سیستم‌های اویونیک و شبکه فضای کمتری اشغال می‌کنند. از همه مهم‌تر با جلوگیری از انتشار سیگنال‌های ناخواسته از داخل کابل (سیگنال‌های نشتی)، امنیت شبکه در مقابل حمله هکرها یا شنود سیگنال افزایش می‌یابد.

مقایسه فیبر نوری با کابل مسی

کاربرد فیبر نوری در صنعت هوایی

ایده استفاده از فیبرنوری در صنایع هوایی به اوایل دهه 1990 بر می‌گردد. زمانی که شاهد بلوغ سیستم‌های دیجیتال در هواپیماهای نظامی و مسافربری بودیم. افزایش تنوع سیستم‌ها از یک سو و حجم بالای انتقال داده از سوی دیگر، لزوم دستیابی به شبکه‌های انتقال داده پرسرعت و با پهنای باند زیاد را در این هوایپیماها بیش از پیش نمایان کرده‌ بود. فیبر نوری یکی از راه‌حل‌های قابل اتکا برای این چالش و البته سایر کاربردهای جدید در صنعت هوایی بود.

  • گذرگاه داده و شبکه انتقال اطلاعات

امروزه کاربردهای زیادی از اویونیک به پهنای باند زیاد در ارتباطات شبکه‌ای خود نیاز دارند. به عنوان مثال در هواپیماهای جنگنده، سیستم‌های راداری با قابلیت جستجو و شناسایی موشک نیاز به پهنای باند زیادی برای نمایش تصاویر روی نمایشگرهای کابین (با روزلوشن 4K یا 8K) دارند. دوربین‌های تصویربرداری روی این جنگنده‌ها معمولا برای کاهش پهنای باند مصرفی سیستم از الگوریتم‌های دیجیتال فشرده‌سازی تصاویر استفاده می‌کنند. اما هزینه این کاهش مصرف پهنای باند ایجاد تاخیر برای انجام فرایند فشرده‌سازی تصاویر است. در نبردهای هوایی، خلبان‌ جت جنگنده تنها کسری از ثانیه برای تصمیم‌گیری صحیح وقت دارد و تاخیر نمایش اطلاعات کار او را برای اتخاذ تصمیم صحیح دشوار می‌کند.

با وجود استفاده از فیبر نوری در اویونیک، اینگونه بده‌بستان‌ها غیرضروری خواهند بود. با داشتن پهنای باند بالا، یک سیستم مبتنی بر فیبرنوری قادر به ارائه تصاویر بلادرنگ و بدون فشرده‌سازی خواهد بود. علاوه بر این تجهیزات لازم برای فشرده‌سازی تصاویر نیز حذف خواهند شد.

یک توسعه‌دهنده (Extender) فیبر نوری برای گذرگاه Mil-Std-1553 ساخت شرکت تراداین تکنولوژی

یک توسعه‌دهنده (Extender) فیبر نوری برای گذرگاه Mil-Std-1553 ساخت شرکت تراداین تکنولوژی

پیش‌بینی می‌شود با توجه به روند رو به رشد استفاده از سیستم‌های تصویربرداری با کیفیت بالا و همچنین تجهیزاتی مانند LIDAR، بازار فیبرنوری در صنعت اویونیک داغ شود. نسل آینده جنگنده‌های نظامی باید بیش از 100 ترابایت داده را با تاخیر بسیار کم تحلیل و منتقل کنند. مدیریت این حجم از اطلاعات لزوم تغییر نسل از کابل‌های مسی به فیبر نوری را نشان می‌دهد.

در مورد هواپیماهای مسافربری و تجاری نیز شرایط یکسانی حاکم است. استفاده از فیبر نوری می‌تواند علاوه بر ادغام هزاران متر سیم مسی داخل یک کابل فیبر نوری که منجر به کاهش وزن و فضا می‌شود، طراحی سیستم و فرایندهای عیب‌یابی و تعمیر را بسیار ساده کند. تمام این موارد به معنی کاهش هزینه‌های سفرهای هوایی است.

سیستم سرگرمی مسافران (IFE) در هواپیماهای مسافربری نیازمند شبکه‌ای با پهنای باند بسیار بالا است. شرکت Lumexis در سال 2009 اولین شبکه IFE مبتنی بر فیبر نوری را برای نمایشگرهای پشت صندلی راه‌اندازی کرد. این سیستم تاکنون روی هواپیماهای بوئینگ 800-737 و 737-مکس پیاده‌سازی شده است. پهنای باند قابل دسترس روی این سیستم می‌تواند تصاویر ویدئویی با کیفیت بسیار بالا را برای بیش از 500 مسافر روی هواپیمای بوئینگ 747 ارائه دهد.

فیبر نوری با افزایش فاصله انتقال اطلاعات و پهنای باند و همچنین کاهش تجهیزات مورد نیاز، باعث کاهش پیچیدگی سیستم سرگرمی مسافران (IFE) می‌شود.

هواپیماهای بدون سرنشین نیز با توجه به شرایط فیزیکی و فضای کم در دسترس برای نصب سیستم‌ها، یک محل استفاده دیگر برای فیبر نوری هستند. نوع سنگین این هواپیماها اغلب به انواع سیستم‌های تصویربرداری و راداری تجهیز شده و نیازمند شبکه‌های انتقال داده با پهنای باند زیاد هستند.

  • حسگرها

یکی دیگر از کابردهای فیبر نوری ساخت حسگر برای اندازه‌گیری یا تشخیص عوامل محیطی است. حسگرهای ساخته‌شده با استفاده از این فناوری معمولا دارای وزن و ابعاد کمی بوده و سرعت پاسخگویی بسیار بالایی دارند.

شرکت Luna در تابستان سال 2019 اعلام کرد به دنبال دریافت گواهینامه‌های حق ثبت انحصاری یک سیستم‌ جدید تشخیص گرمای بیش از حد با استفاده از فناوری فیبر نوری است. در این سیستم حسگرهای فیبرنوری در بدنه هواپیما یا اجزای سیستم‌ها تعبیه شده و هرگونه تغییرات بیش از حد مجاز دما را گزارش می‌کنند. ابعاد کوچک این حسگرها باعث می‌شود تا بتوان هزاران عدد از آن‌ها را در سطوح مختلف هواپیما قرار داد و یک روش تست غیرمخرب ایجاد کرد. این سیستم که BALD نام دارد به راحتی می‌تواند نشتی‌های هوای گرم را تشخیص داده و اطلاعات را به صورت بلادرنگ به اطلاع خدمه پرواز و اعضای گروه تعمیرونگهداری زمینی برساند. در حال حاضر سیستم‌های مشابه از کابل‌های الکتریکی برای تشخیص این‌گونه رویدادها استفاده می‌کنند.

  • پرواز با نور

امروزه شاهد پیشرفت چشم‌گیری در سیستم‌های کنترل پرواز هواپیماها هستیم و فناوری آن‌ها از اتصالات مکانیکی به ارتباطات الکتریکی تغییر یافته است. هواپیماهایی مانند بوئینگ 787 و ایرباس 380 موفق به اجرای کامل فناوری پرواز با سیم (FBW[3]) شده‌اند. با این حال کارشناسان صنعت هوانوردی از امکان ایجاد خطا در چنین سیستمی به واسطه تداخلات الکترومغناطیس (عمدی یا غیرعمدی) اعمال شده روی سیم‌ها نگران هستند. استفاده از تجهیزات شیلدینگ در مقابل با EMI نه تنها هزینه و وزن سیستم‌ را افزایش می‌دهد، بلکه دسترسی به عناصر سیستم را در حین انجام عملیات تعمیرونگهداری سخت می‌کند. بنابراین هرچند استفاده از FBW در هواپیماهای امروزی یک موفقیت بزرگ محسوب می‌شود، اما بهره‌گیری از فناوری پرواز با نور ([4]FBL) در آینده، تحول بسیار بزرگتری در صنعت هوانوردی ایجاد خواهد کرد.

در سال 2014 آقای آتول گِرگ و همکارانش در یک مقاله نشان دادند که احتمالا سیستم کنترل پرواز مبتنی بر FBL دارای مفاهیم مشابهی با FBW باشد، با این تفاوت که حسگرها از فناوری نوری استفاده می‌کنند و سیم‌های مسی جای خود را به کابل‌های فیبر با مسیر مشابه می‌دهند. با توجه به امکان ارسال بیش از یک سیگنال روی هر کابل فیبر، تعداد کابل‌ها کاهش یافته و وزن سیستم به‌طور قابل ملاحظه‌ای کاهش می‌یابد. همچنین به دلیل استفاده کمتر از تجهیزات شیلدنگ، پیچیدگی، حجم و وزن سیستم کاهش خواهد یافت.

در این معماری همچنین یک سیستم با عنوان محرک‌های کنترل‌شونده با فوتونیک (PCAS[5]) معرفی شده است که موجب جایگزینی بیشتر حسگرها و محرک‌ها با نمونه‌های نوری می‌شود. این سیستم یک نسخه اصلاح شده از محرک الکترومکانیکی استاندارد یا EMA است که در آن سیستم کنترل از طریق نور به اجزای سیستم دستور می‌دهد. در سیستم پیشنهادی اجزای EMA به مبدل‌های فیبر نوری مجهز هستند تا بتوانند سیگنال‌های ارسالی و دریافتی را از الکتریک به نور و بالعکس تبدیل کنند. همچنین در این سیستم کلیه حسگرها مانند اندازه‌گیر موقعیت محرک، موقعیت موتور و جریان، با حسگرهای نوری جایگزین می‌شوند.

مثال ساده از معماری FBW معماری پیشنهادی برای FBL

آقای گِرگ در مقاله خود مزایای معماری FBL را نسبت به FBW به این صورت بیان می‌کند:

  • حذف مداراتی از جمله تقویت‌کننده‌ها، فیلترها و مدولاتورها
  • کاهش مقدار سیم‌ و کابل‌ها
  • ایجاد فرصت‌های بیشتر برای افزایش افزونگی سیستم
  • دستیابی به پهنای باند بالاتر برای بکارگیری حسگرهای بیشتر
  • کاهش پیچیدگی و هزینه‌های تعمیرونگهداری
  • کاهش احتمال تداخلات الکتورمغناطیس بر سیستم

در آغاز سال 1996 شرکت مک‌دانل‌داگلاس پروژه‌ای با عنوان «سیستم‌ سخت‌افزار پیشرفته پرواز با نور» یا FALSH[6] را آغاز کرد. هدف این پروژه دستیابی به یک سخت‌افزار مطمئن و با قیمت بهینه برای بکارگیری از FBL در هواپیماهای نظامی و مسافربری بود. در تابستان همان سال مهندسان این شرکت یک نمونه از اعمال فیبر نوری در سیستم کنترل پرواز یک هواپیما را به نمایش گذاشتند. جایی که سیستم کنترل aileron trim از ارتباطات نوری بهره‌ می‌برد. هواپیمای مذکور در همان سال تست‌های پروازی را انجام و عملکرد صحیح سیستم طراحی شده را به نمایش گذاشت.

معماری پیشنهادی برای سیستم کنترل پرواز در پروژه FLASH

معماری پیشنهادی برای سیستم کنترل پرواز در پروژه FLASH

  • سیگنال رادیویی روی فیبر

یکی دیگر از کاربردهای فیبر نوری در صنعت هوایی امکان انتقال سیگنال‌های RF است که بیشتر با نام RFoF[7] شناخته می‌شود. این مفهوم به معنی تبدیل یک سیگنال آنالوگ به نور از طریق مدولاسیون شدت منبع نور (معمولا لیزر) با سیگنال RF است. در واقع این یک فرایند کاملا آنالوگ است و سیگنال RF تبدیل به داده‌های دیجیتال نمی‌شود. نور مدوله شدت به راحتی و بدون افت زیاد داخل فیبر به مقصد منتقل خواهد شد.

در شکل زیر دو طرح برای انتقال سیگنال از واحد مرکز کنترل (CC) به ایستگاه آنتن فرستنده/گیرنده (AS) نشان داده شده است. در طرح a انتقال اطلاعات بین دو واحد به‌صورت داده‌ای دیجیتال است. اما در طرح b که عملکردی شبیه طرح a دارد، سیگنال آنالوگ داخل فیبر به‌صورت نور ارسال و دریافت می‌شود. به‌طور کلی مزیت طرح دوم را می‌توان در سادگی بیشتر بخش ایستگاه آنتن دانست. جایی که مدارات مبدل آنالوگ به دیجیتال حذف می‌شوند و این مسئله در مورد پروژه‌هایی که دارای تعداد زیادی ایستگاه آنتن با فاصله زیاد هستند بسیار کلیدی خواهد بود. با این حال انتقال اطلاعات آنالوگ روی فیبر نیز هزینه‌هایی به همراه دارد که از جمله آن می‌توان به پیچیدگی بیشتر مدارات مبدل نور به الکتریسیته و بالعکس اشاره کرد.

دو طرح برای انتقال اطلاعات سیگنال رادیویی از مرکز کنترل به ایستگاه آنتن‌ها با فیبر نوری. طرح (a) انتقال دیجیتال اطلاعات و طرح (b) انتقال آنالوگ سیگنال بر بستر فیبر.

دو طرح برای انتقال اطلاعات سیگنال رادیویی از مرکز کنترل به ایستگاه آنتن‌ها با فیبر نوری. طرح (a) انتقال دیجیتال اطلاعات و طرح (b) انتقال آنالوگ سیگنال بر بستر فیبر.

به‌طور کلی مزایای استفاده از RFoF نسبت به انتقال سیگنال روی کابل‌های مسی را می‌توان به این صورت بیان کرد:

  • تلفات بسیار کمتر سیگنال (کمتر از 5db/km) که باعث می‌شود بتوان به راحتی و بدون نیاز به تقویت‌کننده، سیگنال رادیویی را به چند کیلومتر دورتر انتقال داد.
  • پاسخ فرکانسی تخت برای کل پهنای باند، به این معنی که نیازی به جبران شیب افت وجود ندارد.
  • مصونیت بالا در مقابل EMI و RFI[8]
  • امنیت بالاتر در مقابل ردگیری و شنود سیگنال
  • انعطاف‌پذیری و وزن کم که باعث سهولت در اجزا می‌شود.
  • تعمیر و نگهداری کم
  • نصب بسیار ساده‌تر
  • بازدهی هزینه بهتر در مقایسه با موارد استفاده از کابل‌های کواکسیال با افت سیگنال کم و مدارات جبران‌کننده شیب

مبدل فیبر نوری

تبدیل سیگنال‌های الکتریکی به سیگنال‌های نوری و بالعکس در دو طرف یک کابل فیبر توسط مبدل‌ها انجام می‌شود. از این‌رو تغییر روش انتقال از کابل مسی به فیبر نوری بدان معناست که مهندسان نیاز به طراحی مبدل فیبر نوری (FOT) مخصوص دارند. هر FOT شامل یک ماژول فرستنده و گیرنده است. در یک طرف کابل نوری، یک FOT سیگنال‌های الکتریکی را برای انتقال تبدیل به نور می‌کند؛ سپس در انتهای دیگر کابل، یک FOT دیگر نور دریافتی را به سیگنال‌های الکتریکی برمی‌گرداند. ماژول گیرنده از ردیاب‌های (موج‌یاب) نیمه‌هادی (فتودیود) برای تبدیل سیگنال‌های نوری به الکتریکی استفاده می‌کند. مبدل‌ها می‌توانند داخل دستگاه دیگری در شبکه داده، پیاده‌سازی شوند.

مبدل‌های نوری (FOT) در اشکال و ابعاد مختلف ارائه شده‌اند تا نیازهای متفاوت در نوع داده (ویدئو، تصویر، صوت، داده یا حتی سیگنال‌های آنالوگ) یا سرعت و فاصله انتقال را برآورده کنند. سازمان‌های بین‌‌المللی از زمان پیدایش فناوری فیبر نوری، پروتکل‌ها و قوانین مختلف برای تعیین چگونگی انتقال انواع داده‌ها تعیین کرده‌اند. حساسیت سیستم‌های مورد استفاده در صنعت هوانوردی باعث می‌شود ساخت هر یک از تجهیزات آن با محدودیت‌ها و دشواری‌های مختلفی مواجه شود. در ادامه به برخی از ملاحظات و تست‌های لازم برای ساخت یک مبدل مطمئن فیبر نوری اشاره می‌کنیم.

تصویری از یک مبدل دو طرفه فیبر نوری و بلوک دیاگرام ساده از آن تصویری از یک مبدل دو طرفه فیبر نوری و بلوک دیاگرام ساده از آن

 

تصویری از یک مبدل دو طرفه فیبر نوری و بلوک دیاگرام ساده از آن

ملاحظات تست قابلیت اطمینان مبدل فیبر نوری

از آنجا که فضاپیما یا هواپیما باید در حین عملیات ارتباط با دیگر وسایل هوایی و کنترل زمینی را حفظ کند، سوء عملکرد FOT‌ها غیر قابل قبول است. از طرفی عمر مفید مبدل فیبر نوری به سرعت در شرایط دشوار کاهش پیدا می‌کند و به‌گونه‌ای منسوخ می‌شود. بنابراین آزمایش و تایید قابلیت اطمینان FOT در سناریوهای حساس بسیار مهم است. دو مورد از شرایط بسیار حساس و مهم که نگرانی‌هایی را در مورد سلامت FOT به وجود می‌آورند، باید مورد ارزیابی قرار بگیرد. این دو مورد حساس تنش‌های حرارتی و لرزشی است.

  • تنش حرارتی: منبع اصلی گرما داخل کابین خلبان و زیرپوست هواپیما، خود سیستم‌های اویونیک هستند. انباشته کردن ابزارها نه تنها باعث خنک شدن نمی‌شوند بلکه باعث تشدید گرما می‌شود. در هنگام صعود هواپیما در ارتفاع، دمای هوا کاهش می‌یابد اما گرمای زیادی از پرواز هواپیما با سرعت مافوق صوت ایجاد می‌شود. در نتیجه هواپیما هم گرمای شدید و هم سرما را تجربه می‌کند. در هنگام فرود، برعکس این مورد اتفاق می‌افتد. شاتل‌های فضایی همچنین فشارهای حرارتی قابل توجهی را تحمل می‌کنند، زیرا ورود مجدد به جو به دلیل اصطکاک باعث ایجاد گرمای زیاد می‌شود. در نتیجه، اندازه‌های متفاوت انبساط حرارتی که توسط سازه‌های مجاور به وجود می‌آید، باعث فرسودگی مبدل‌ها می‌شود.
  • تنش ارتعاشی: در راکت‌ها و فضاپیماها، سوزاندان سوخت جامد موشک در هنگام پرتاب منجر به لرزش می‌شود. از آنجاییکه بیشتر جت‌های جنگنده دارای بال ثابت هستند، در هنگام صعود، کروز و فرود با لرزش و امواج شوک (تلاطم) مواجه می‌شوند. همچنین تلاطم جوی و نقص مکانیکی باعث ایجاد لرزش، ایجاد فشار و کاهش فشار کابین می‌شود که این باعث ایجاد تنش ارتعاشی می‌شود. در نتیجه موجب خرابی مبدل خواهد شد.

تست‌های صحت‌سنجی قابلیت اطمینان

با توجه به اینکه در شرایط دشوار، هواپیما فشارهای قابل توجهی را تحمل می‌کند و موجب خرابی و شکست عملیات می‌شود، تست قابلیت اطمینان مبدل‌های فیبر نوری (FOT) در شرایط دشوار و استرس‌زا با 5 تست مهم باید انجام شود.

  • تست‌های محیطی و مکانیکی: تست‌های مکانیکی شامل تست لرزش در هر سه محور، تست‌های شوک مکانیکی (برای هر شش جهت) و آزمایش‌های شوک حرارتی است. تست‌های محیطی شامل یک تست چرخه دما است که فرسودگی مکانیکی را در طول عمر مبدل‌ها ارزیابی می‌کند تا عدم تطابق ناشی از انبساط حرارتی بین مواد را تشخیص دهد و یک آزمایش گرمای مرطوب برای تست سطح مقاومت در برابر رطوبت FOT پلمپ شده، انجام می‌شود.
  • تست طول عمر: این آزمایش برای پیش‌بینی طول عمر عملکرد FOT انجام می‌شود. در فرآیند این تست، چند نمونه از مبدل‌های مختلف تست می‌شوند. با شبیه‌سازی بالای 20 سال عملیات‌، یک FOT با سرعت بیش از حد قابل توجهی و در حداکثر شرایط عملیاتی و برای حداقل 1000 ساعت مورد آزمایش قرار می‌گیرد.
  • تست زنده (Live): این نوع تست عملکرد پیکربندی‌های رابط الکتریکی و نوری را روی یک FOT ارزیابی می‌کند. اینکار را با اجرای سیگنال‌های دیجیتالی سرعت بالا از طریق هر کانال انجام می‌دهد. همچنین خطاهای انتقال را اندازه‌گیری می‌کند و این اطمینان را بوجود می‌آورد که نرخ خطای بیت (BER) پایین‌تر از یک خطا در یک تریلیون بیت حتی در سخت‌ترین شرایط است.

آزمایش لرزش تصادفی در سه محور طبق استاندارد MIL-STD-883

آزمایش لرزش تصادفی در سه محور طبق استاندارد MIL-STD-883

  • تست کاربرد فضایی: اگر قرار است FOT در داخل ماهواره مورد استفاده قرار بگیرد، یک سری آزمایشات اضافی نیاز است تا اطمینان حاصل شود که عملکرد آن در برابر تشعشعات و شرایط خلاء مشابه با فضا، حفظ خواهد شد. این تست شامل تابش‌های غیریونساز، تابش یونساز پرتوهای گاما، آزمایش خلاء حرارتی زنده و موارد خاص دیگری است که در استانداردهای مربوط به تجهیزات فضایی ذکر می‌شود.

جمع‌بندی

روند تغییرات در سیستم‌های اویونیک لزوم نیاز به افزایش پهنای باند و انتقال‌سریع‌ اطلاعات را نشان می‌دهد. در کنار این نیاز، کاهش وزن، اندازه، و توان مصرفی همیشه به عنوان سه پارامتر مهم در طراحی سیستم‌های هوایی، مد نظر سازندگان و یکپارچه‌سازان تجهیزات اویونیک بوده است. فیبر نوری به عنوان یک فناوری اثبات شده در حوزه‌های مختلف صنعتی و تحقیقاتی، پاسخ‌های جذابی برای این چالش‌ها دارد. از این فناوری می‌توان در جنبه‌های مختلفی از سیستم‌های اویونیک همچون ساخت حسگرها، شبکه‌های انتقال داده و البته انتقال سیگنال‌های RF بدون نیاز به دیجیتال‌سازی استفاده کرد.

چالش‌های طراحی FOT به کار رفته در محیط‌های قدرتمند اویونیک و فضا، نیازمند ابعاد کوچک و وزن کم است تا در یک فضای محدود قرار بگیرند. توانایی FOT برای ارائه کارایی قابل اعتماد برای صنعت هوایی با وجود درجه حرارات بالا، تشعشعات و تنش‌های مکانیکی بسیار مهم است. تست‌های مهم تعیین شده در این گزارش باید روی FOT انجام شود تا از موفقیت نهایی ماموریت‌ها اطمینان حاصل شود.

[1]  Signal integrity

[2]  Electromagnetic Interference

[3]  Fly-By-Wire

[4]  Fly-By-Light

[5]  Photonic Controlled Actuation System

[6] Fly-by-Light Advanced System Hardware

[7]  RF over Fiber

[8]  Radio Frequency Interference

اگر مطلب برای شما مفید بود آن را در شبکه‌های اجتماعی به اشتراک بگذارید. بسترهای خود را انتخاب کنید!

سایر مقالات علمی و محتوای آموزشی پژوهشکده اویونیک