Mark Patrick, Mouser Electronics

Questa serie di blog, articolata in cinque parti, analizza le opportunità della mobilità aerea urbana (UAM – Urban Air Mobility), la nuova frontiera dei trasporti urbani che prevede l’uso di aeromobili a propulsione elettrica. Verranno anche esaminate le problematiche di natura tecnica che devono essere affrontate, tra cui l’autonomia degli aeromobili, la sicurezza funzionale, la sicurezza elettrica e la complessità architetturale.

 

Ottimizzare l’efficienza

Con una quantità limitata di energia a bordo, una notevole richiesta di potenza per decollare e rimanere in volo e opportunità di mercato apparentemente limitate solo dalla finestra operativa del veicolo, la progettazione dei velivoli UAM deve affrontare una pressione estrema per risparmiare peso e massimizzare l’efficienza in tutti gli aspetti. I progettisti possono ottenere riduzioni di peso significative dei sistemi elettrici concentrando la loro attenzione sulle tecniche per ridurre al minimo sia lo spessore che la quantità dei cavi necessari per trasmettere i segnali e l’alimentazione all’interno della fusoliera.

Come riportato nel precedente blog di questa serie, in fase di decollo potrebbero essere richieste correnti del motore dell’ordine di 250 A, se non addirittura superiori nel caso di veicoli che prevedono l’uso di un numero inferiore di rotori di dimensioni maggiori per garantire la portanza (ovvero la forza che spinge gli aerei verso l’alto in fase di decollo e li mantiene in quota durante il viaggio, controbilanciando la forza di gravità). Il valore della corrente è importante perché determina la sezione del cavo e l’isolamento richiesto. In fase di progettazione, l’unica via percorribile per cercare di ridurre il peso è minimizzare la lunghezza dei cavi di maggior spessore, posizionando le batterie e i circuiti ad alta potenza in prossimità del motore.

Tecnologie che permettono di ridurre il numero dei cavi

Per il cablaggio utilizzato per il trasferimento dati, i progettisti possono sfruttare diverse tecniche per ridurre il numero di cavi necessari, mantenendo comunque una larghezza di banda sufficiente per la trasmissione dei segnali. Tra queste si può segnalare Ethernet 10BASE-T1L, che consente la trasmissione dei dati e dell’alimentazione su un singolo doppino. Ciò rappresenta un indubbio vantaggio nelle moderne applicazioni industriali, in quanto semplifica il collegamento di sensori e azionamenti in una rete di fabbrica e supporta la convergenze dei domini IT e OT. Per connessioni di questo tipo una velocità di trasferimento dati di 10 Mbps è più che adeguata, mentre è possibile utilizzare cavi lunghi 1 km (max.). In un’applicazione UAM, questa tecnologia potrebbe semplificare e ridurre il peso delle interconnessioni tra i sensori e gli attuatori in tutto il velivolo.

Architetture di bus come ad esempio CAN (Controller Area Network) sono stata ampiamente collaudate in numerosissime applicazioni industriali e automotive. In un velivolo, ovviamente, occorre prestare la dovuta attenzione alla ridondanza e alla sicurezza della procedura di “failover” (commutazione) nel caso un cavo o un connettore dovessero danneggiarsi o scollegarsi per qualsiasi motivo.

La comunicazione powerline (ovvero la trasmissione di dati attraverso il cablaggio elettrico esistente) rappresenta un’altra opzione che permette di eliminare le connessioni utilizzate solamente per la trasmissione dati laddove sia disponibile un cavo di alimentazione idoneo. Quest’ultimo potrebbe essere impiegato per connettere sensori remoti preposti al monitoraggio delle condizioni di un motore, consentendo ai segnali di viaggiare sul cavo di alimentazione. Sebbene sia possibile utilizzare le tecnologie SPE (Single Pair Ethernet) o CAN, è disponibile un’altra opzione che prevede l’impiego un transceiver powerline e sfrutta la trasmissione dei segnali tramite bus RS-485 con modulazione OOK (On-Off Keying). Un esempio è dato dal THVD8000 di Texas Instruments (Figura 1). La modulazione OOK è indipendente dalla polarità dei dati e supporta una velocità di trasferimento dati fino a 500 kbps. Un approccio di questo tipo è stato ampiamente collaudato in applicazioni quali le infrastrutture di rete, l’automazione di edifici e fabbriche e i sistemi HVAC. Il transceiver THVD8000 permette di programmare la frequenza della portante, lasciando così ai progettisti la massima flessibilità nella scelta dei parametri dei relativi condensatori e induttori associati per ottimizzare dimensioni, peso e costi.

Figura 1: Il transceiver THVD8000 di Texas Instruments (Fonte: Mouser Electronics).

È inoltre possibile ridurre il numero e la complessità dei cavi aggregando più segnali in un’unica linea dati mediante serializzatori/deserializzatori (SERDES). Questi circuiti integrati prevedono solitamente funzionalità per la riduzione del rumore, la compressione dei dati e la correzione degli errori “on-chip” per preservare l’integrità dei dati.

Il ritorno dell’investimento: un fattore essenziale

La riduzione di peso complessiva che si può ottenere eliminando, ove possibile, i singoli cavi dati può essere notevole. Considerando che il peso del cablaggio a bordo di un moderno veicolo elettrico (EV) su strada può essere di circa 70 kg (Figura 2) e che per soddisfare i requisiti di un velivolo elettrico questo valore può essere facilmente superato, è evidente che questo aspetto deve essere tenuto sotto stretto controllo. Poiché per il decollo sono necessari circa 1.500 kW, una potenza di parecchi ordini di grandezza superiore rispetto a quella richiesta da un veicolo elettrico medio, è praticamente inevitabile il ricorso a cavi più pesanti, necessari per gestire adeguatamente la corrente di picco nella condizione di carico massimo.

Figura 2: Il peso tipico dei cavi nei veicoli elettrici, come riportato in figura, può raggiungere 70 kg (Fonte: Sergii Chernov/Shutterstock. com).

Nel settore aereo, il peso rappresenta sempre un elemento critico, soprattutto in un contesto commerciale dove tutto deve essere calcolato con estrema attenzione: 100 chili equivalgono approssimativamente al peso di un passeggero pagante e del relativo bagaglio (che può essere una valigetta o qualcosa di simile). Prestare la giusta attenzione alla riduzione del numero e del peso dei cavi può avere un impatto significativo sul ritorno che un potenziale operatore può ricavare dal proprio investimento.

Considerazioni conclusive

Le potenzialità della mobilità aerea urbana sono decisamente interessanti: viaggi più confortevoli per i passeggeri, riduzione della congestione del traffico nei centri urbani e creazione di opportunità commerciali che potrebbero generare nuovi posti di lavoro nelle aree urbane. Una vasta schiera di potenziali produttori di veicoli – tra cui costruttori di aerei tradizionali, case automobilistiche e aziende del settore digitale – ha proposto, sviluppato e fatto volare i prototipi e i primi modelli di velivoli destinati alla produzione. Questo settore, tuttavia, si trova ancora in fase sperimentale, le normative non sono completamente definite e le infrastrutture devono ancora essere costruite. Per tali motivi, sono necessari investimenti importanti e continui prima di poter avviare veri e propri servizi commerciali.

Lo sviluppo di velivoli elettrici a decollo e atterraggio verticale (eVTOL) in grado di coniugare dimensioni, capacità di carico utile (paylod) e prezzo di acquisto adeguati è dunque in continua evoluzione. In questa serie di blog sono state analizzate le aree all’interno delle quali i produttori devono focalizzare la loro attenzione per estendere l’autonomia di volo, aumentare la sicurezza e la resilienza e garantire un valido ritorno economico per i gestori dei servizi UAM.