Contactloze roterende energie- en datatransfer
In de afgelopen tien jaar is er significante vooruitgang geboekt op het gebied van draadloze datatransfer en energietransfer, hoewel de vroegste ontwikkelingen binnen NLR teruggaan tot ergens in de jaren 60″, aldus Carlo Rens, R&D-engineer bij de afdeling Electronics Development and Qualification, die zich richt op activiteiten zoals elektronica voor datasystemen voor windtunnelmodellen. De ontwikkeling van het windtunnelmodel voor de Z-08 CROR in 2013 was een belangrijke stap in de ontwikkeling van roterende meetsystemen binnen NLR. “We moesten een windtunnelmodel uitrusten met twee motoren met twee tegenroterende rotoren met instrumentatie, evenals functionaliteit voor energietransfer en datatransfer”, zegt Rens. “Dit systeem zou roteren met snelheden van meer dan 8000 rpm, waardoor krachtige centrifugale krachten ontstaan, die enorme krachten – tot 50.000 g – uitoefenen op de elektronica en printplaten. Een van de belangrijke elektronische componenten die bij dergelijke snelheden en onder dergelijke krachten niet meer kan worden gebruikt, is een interne klok, dus moest een andere oplossing worden bedacht om dat aan te pakken.”
Bij traditionele installaties worden slipringen gebruikt, maar deze kunnen niet worden onderhouden bij hoge snelheden omdat ze te veel opwarmen en te veel datainterferentie veroorzaken. Om die reden ontwikkelde NLR een nieuwe manier om energie en data over te dragen – een manier die geen fysiek contact vereist. “Het systeem gebruikt twee ringen, een voor energietransfer en de andere voor datatransfer”, legt Rens uit. “De energie wordt overgedragen op basis van het principe van een transformator, en datatransfers worden uitgevoerd met behulp van twee gekoppelde strip-lijnen die werken met lokale, intentionele crosstalk.
‘Excellent performance’ label
Het project met contactloze energietransfer en datatransfer is 750 uur operationeel geweest tijdens een 9-maanden testcampagne van de Z-08. Tijdens die periode werd het gebruikt in een aantal meetcampagnes, zowel door DNW als door Airbus, zonder dat er ook maar één datapunt verloren ging. “Het systeem heeft zich zeer robuust getoond en we zijn daar heel trots op. Het was veel werk, maar het heeft zich uitbetaald en dat maakte alle hoofdpijn die het ons soms bezorgde, de moeite waard”, zegt Rens. De testresultaten waren voor Airbus reden om het CRPDT-systeem het label ‘uitstekende prestaties’ te geven.
Omdat dit een compleet nieuw systeem is, heeft NLR ervoor gekozen om een octrooi aan te vragen voor het systeem voor contactloze energietransfer en datatransfer bij hoge rotatiesnelheden. Dit zal de brede toepasbaarheid van het systeem in de toekomst waarborgen, bijvoorbeeld voor de gelicenceerde ontwikkeling van componenten die het contactloze systeem bevatten op alles wat een roterend meetsysteem op een as nodig heeft, voor commerciële doeleinden. Momenteel zijn er geen systemen met deze mogelijkheden commercieel beschikbaar.
1 Gigabit per seconde
Voor het meetsysteem moest de CRPDT in staat zijn om 15 Watt aan energie en 100 Mbit/s aan data te verwerken. Het roterende meetsysteem van NLR en de CRPDT werden gemonteerd op de roterende strain balance die werd gebruikt om de belastingen op de bladen van het Z-08-model te meten. Dankzij de multidisciplinaire omgeving binnen NLR was het mogelijk om de module in zijn geheel in-house te ontwikkelen. Omdat het CRPDT-systeem zo veelbelovend was, verzocht Airbus in 2015 om een nieuwe test, deze keer met een 1 Gbit/s-verbinding, wat effectief een upgrade was van de vorige versie.
High-end roterend propellersysteem
- Bewezen bij 8.400 rpm en in ontwikkeling voor 15.000 rpm
- Data acquisition
- 10 druk-, 8 rek- en 3 temperatuursensoren
- Datasyncronisatie bij 1 µs
- Nauwkeurigheid van 0,05%
- Contactless Rotating Power and Data Transfer (CRPDT)
- Bi-directionele hoge-snelheidsdatatransfer tot 1 Gbit/s (Ethernet)
- Gebruik van broadside-gekoppelde strip-lijnen
- Maximaal 140W bij 28VDC
- In ontwikkeling voor CS-29 vlucht-kritische toepassing
Buiten de windtunnel, de lucht in
“In september zijn we een nieuw project gestart – ‘Constance’ – in het kader van het Europese Clean Sky 2-programma”, zegt Rens. “In dit project zal de CRPDT-module worden toegepast in een echt vliegend tiltrotor-vliegtuig, de Next-Generation Civil Tiltrotor gebouwd door Leonardo Helicopters in Italië. De technologie die voor de CROR in de windtunnel is gebruikt, zal in dit project worden gebruikt. Het systeem zal onderdeel zijn van het vluchtcontrolesysteem in de tiltrotor, waardoor het een vlucht-kritisch systeem wordt.”
Het systeem moet in staat zijn om een datatransfer van 100 Mbit/s te bereiken en energietransfer met een maximum van 140 Watt. Voor de powermodule zal NLR samenwerken met hun partner DDC in het VK. Een functionaliteit die niet onderdeel was van de windtunnelinstallatie is een azimutsensor om de hoek van de rotorbladen te bepalen. De flapping-sensoren op de rotor maken gebruik van de azimutsensor en zijn via de Constance gekoppeld aan het vluchtcontrolesysteem. De traditionele slipring die eerder werd gebruikt voor datatransfers wordt vervangen door het contactloze systeem van NLR.
Mini meetsysteem
Soms moeten grote metingen op kleine schaal worden uitgevoerd. In 2016 was het Miniature Data Acquisition System (MiniDAQ) een nieuwe mijlpaal. Voor deze module was het belangrijk om de toekomstige miniaturisatie van alle benodigde meetsystemen mogelijk te maken. NLR wist alle hardware die in de meetsystemen van de Z-08 werd gebruikt, samen te voegen in een doosje van slechts 4x4x10 cm. Via een glasvezelkabel maakt de MiniDAQ het mogelijk om data van 20 afzonderlijk configureerbare kanalen te lezen met slechts 4 Watt. “Het grote voordeel is dat slechts één glasvezelkabel en twee voedingskabels nodig zijn, in plaats van 80 draden voor alle rack-strips”, zegt Rens.
Certificatie
Omdat het CRPDT-systeem zal worden geïnstalleerd in een vliegtuig dat daadwerkelijk zal vliegen, zijn er een aantal uitdagingen te overwinnen, omdat in een vlucht-kritisch systeem niets mag falen. “Fouten veroorzaakt door buiteninvloeden zoals bliksem of stof moeten worden uitgesloten”, zegt Rens. “Toch is er een groot verschil met het CROR-windtunnelmodel, omdat de rpm-waarde niet meer dan 700 zal overschrijden.” Echter, voordat het systeem daadwerkelijk in een vliegtuig kan worden gebruikt, moet het eerst certificeerbaar gemaakt worden. NLR heeft een lange ervaring met certificeringsprocedures. Rens: “Een groot voordeel van een gecertificeerd component is dat het veel deuren opent. Dit maakt de module geschikt voor elke toepassing die een roterend meetsysteem vereist.”
Nieuwe mogelijkheden
Rens zoekt altijd naar nieuwe toepassingsgebieden, zowel binnen als buiten de luchtvaartindustrie. Vanwege de kleine schaal van windtunnelmodellen is de rotatiesnelheid van rotoren veel hoger dan voor normale vliegtuigen. Bovendien vereist de schaal ook dat alles zeer klein en efficiënt is qua uitvoering. Gezien de toekomst van professionele luchtvaart waarschijnlijk onbemande vliegtuigen met RPAS zal worden, kan NLR uitkijken naar een geheel nieuw werkterrein.
Een andere toepassing is het monitoren van rotorprestaties en impactdetectie met behulp van glasvezel-Fiber Bragg Grating (FBG)-sensoren, waar NLR al onderzoek naar doet in samenwerking met Curtiss Wright, TFT en AcQ. En de lijst gaat maar door: NLR onderzoekt de mogelijkheden om contactloze energietransfer en datatransfer te integreren in composietstructurele vliegtuigelementen, waarvoor het een partnership is aangegaan met Fokker Aerostructures en ELMO. Dit onderzoek is nog in de vroege startfase.
Het doel is om CRPDT te ontwikkelen tot een meer gestandaardiseerd product. Voor windtunnelmodellen is het systeem geëvolueerd tot het hoogste Technology Readiness Level (TRL) 9, maar moet nog worden geïmplementeerd in een luchtwaardige toepassing. “We werken naar TRL 7 met een vluchtcampagne van de tiltrotor”, zegt Rens. “Ons doel is om het tot een productieklare fase te brengen, mogelijk met een productiepartner”.
(US Pat. No. 9,812,255; CND Pat. No. 2,879,466)
