6 elektronische Trends, die das Design in der Luft- und Raumfahrt prägen

Die Luft- und Raumfahrtindustrie hat einen unstillbaren Durst nach neuen Technologien, die die Leistung und Fähigkeiten von Fluggeräten verbessern können. Dieses ständige Verlangen nach mehr Geschwindigkeit, weniger Gewicht, besserer Effizienz und neuen Fähigkeiten treibt kontinuierliche technologische Fortschritte bei elektronischen Komponenten und Ansätzen im Luft- und Raumfahrtdesign voran. 

Von den kleinsten CubeSats bis zu den größten Verkehrsflugzeugen bringen die neuesten Komponenten die Luft- und Raumfahrt auf eine höhere Umlaufbahn. Beispielsweise revolutionieren Galliumnitrid auf Siliziumkarbid (GaN-on-SiC) Verstärker die Satellitenkommunikation, während Kohlenstoffnanoröhren-Verkabelungen das Gewicht von Flugzeugen drastisch reduzieren. Quantensensoren bieten eine beispiellose Navigationsgenauigkeit, und neuromorphe Chips versprechen, uns der Schaffung von wirklich autonomen intelligenten Drohnen näher zu bringen.

Die heutigen Luft- und Raumfahrtingenieure stehen vor der spannenden Herausforderung, diese hochmodernen Komponenten in Flugzeuge und Raumfahrzeuge der nächsten Generation zu integrieren. Ob sie an fortschrittlicher Avionik, elektrischen Antriebssystemen oder weltraumtauglichen Computing-Plattformen arbeiten, das Verständnis der folgenden sechs einflussreichen Trends wird sie unverzichtbar im sich entwickelnden Luft- und Raumfahrtsektor machen.

1. Fortgeschrittene GaN-on-SiC-Leistungsverstärker für die Satellitenkommunikation

GaN-auf-SiC-Verstärker werden in leistungsstarken Anwendungen weit verbreitet eingesetzt, einschließlich Satellitenkommunikation, Radarsystemen und RF/Mikrowellensystemen. Der Erfolg von satellitengestützten Internetdiensten (wie SpaceX's Starlink) und anderen Satellitennetzwerken wird voraussichtlich ein Schlüsselfaktor für das anhaltende Wachstum von GaN-auf-SiC sein. 

Diese Leistungsverstärker bieten eine höhere Effizienz, breitere Bandbreite und verbesserte thermische Leistung im Vergleich zu traditionellen Optionen. Für Designer ist GaN-auf-SiC ein wesentlicher Baustein für die Schaffung kompakterer, leistungsfähigerer und zuverlässigerer Satellitenkommunikationssysteme.

Qorvo ist heute einer der führenden Anbieter von RF-Lösungen. Die QPA GaN-Leistungsverstärker des Unternehmens für Radar-, Satellitenkommunikations- und Verteidigungssysteme sind bekannt für ihre hohe Leistung, Effizienz und Linearität. 

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2. Strahlungsfeste FPGAs für Weltraumanwendungen

Strahlungsfeste Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) können den extremen Bedingungen im Weltraum standhalten, einschließlich der Exposition gegenüber hohen Strahlungsniveaus, die reguläre elektronische Komponenten zum Ausfall bringen. Die neuesten Produkte bieten eine höhere Logikdichte und einen geringeren Stromverbrauch, was eine komplexere Verarbeitung im Orbit ermöglicht.

Diese Geräte sind darauf ausgelegt, Einzelereignisstörungen (SEUs) und andere Formen strahlungsinduzierter Schäden zu widerstehen. Sie sind nach der Bereitstellung programmierbar und bieten eine beispiellose Flexibilität für auf Weltraum basierende Computersysteme, indem sie eine Rekonfiguration und Updates im Orbit ermöglichen. Diese Flexibilität ist äußerst wertvoll, um sich an unvorhergesehene Herausforderungen oder Aktualisierungen der Missionsanforderungen anzupassen. 

AMDs Weltraumtaugliche Kintex^™ UltraScale^™ XQR FPGA-Familie sticht in diesem Bereich hervor. Diese Geräte der Raumfahrtära bieten bis zu 446K Logikzellen und sind für eine Gesamtdosis von 100 krad(Si) qualifiziert, was sie für eine breite Palette von Weltraumanwendungen geeignet macht.

3. Hochbandbreiten-Optische Verbindungen für die Avionik

Optische Verbindungen ersetzen zunehmend traditionelle Kupferverkabelungen in Avioniksystemen. Diese Verschiebung wird durch den Bedarf an höherer Datenbandbreite und die Vorteile von Glasfasern bei der Reduzierung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) angetrieben. Da Glasfasern immun gegen EMI sind, verbessern sie die Zuverlässigkeit der Datenübertragung in elektronisch lärmintensiven Umgebungen. Sie bieten auch eine deutlich höhere Bandbreite im Vergleich zu Kupfer, was eine bessere Leistung für datenintensive Anwendungen ermöglicht. 

Echtzeit-Sensorfusion – bei der Daten von mehreren Sensoren in Echtzeit kombiniert und verarbeitet werden – erfordert die hohe Bandbreite und geringe Latenz optischer Verbindungen. Ähnlich erfordern hochauflösende Displays in modernen Cockpits und Passagierunterhaltungssystemen die schnelle und zuverlässige Übertragung riesiger Datenmengen, was optische Verbindungen zu einer überzeugenden Option macht.

TE Connectivitys VITA 66.5 robuste optische Backplane-Verbindungen gewinnen in der Luft- und Raumfahrt an Bedeutung mit Unterstützung für Datenraten von bis zu 25 Gbps pro Kanal. Der VITA 66.5-Standard stellt sicher, dass sie robust genug sind, um den harten Bedingungen in Luft- und Raumfahrtanwendungen standzuhalten, einschließlich erheblicher Temperaturschwankungen, mechanischer Belastungen und der Exposition gegenüber extremer Vibration. 

4. Quantensensoren für verbesserte Navigation und Zeitmessung

Quantensensoren nutzen Quantenphänomene – wie Überlagerung und Verschränkung – um eine Präzision zu erreichen, die weit über die traditioneller GPS- oder Trägheitssysteme hinausgeht. Beispielsweise können Quantenbeschleunigungsmesser sehr geringe Bewegungs- und Orientierungsänderungen mit extremer Präzision erkennen, was eine zuverlässigere Tiefraumnavigation ermöglicht, bei der konventionelle Systeme versagen würden. Quantensensoren werden wahrscheinlich eine wesentliche Komponente für die Zukunft der Tiefraumerkundung werden. 

Infleqtions ColdquantaLabs Quantenkern-Technologieplattform unterstützt die Entwicklung einer Reihe von Quantengeräten, einschließlich hochpräziser Atomuhren und Beschleunigungsmesser. Diese Plattform bietet die wesentlichen Werkzeuge und die Infrastruktur, die für die Schaffung von Navigationssystemen der nächsten Generation benötigt werden, und ebnet den Weg für bahnbrechende Genauigkeit bei der Raumforschung, militärischen Operationen und fortschrittlichen Navigationssystemen.

5. Neuromorphe Rechenchips für autonome Drohnen

Neuromorphe Rechenchips sind darauf ausgelegt, die Architektur des menschlichen Gehirns nachzuahmen. Diese Architektur ermöglicht es neuromorphen Chips, Informationen parallel und mit hoher Effizienz zu verarbeiten, was sie besonders vorteilhaft für autonome Systeme wie Drohnen macht. Diese Chips zeichnen sich bei der Mustererkennung, Entscheidungsfindung und Echtzeitverarbeitung aus, allesamt kritische Fähigkeiten für Drohnen und andere autonome Fahrzeuge, die sich selbst navigieren und dynamisch auf ihre Umgebung reagieren müssen.

Neuromorphe Chips führen komplexe Berechnungen durch, während sie deutlich weniger Energie verbrauchen im Vergleich zu traditionellen Prozessoren. Dies ist besonders wertvoll für batteriebetriebene Drohnen, bei denen die Energieeffizienz direkt die Flugzeit und autonome Funktionalität beeinflusst. Da die Designer von Drohnen-KI-Systemen beginnen, diese neuen Chips zu nutzen, wird das Potenzial für die Schaffung vollständig autonomer und hochintelligenter Drohnen zunehmend realisierbar.

Intels Loihi 2 neuromorpher Chip ist ein gutes Beispiel für diese Technologie. Obwohl nicht speziell für die Luft- und Raumfahrt entwickelt, besitzt der Loihi 2 Chip Eigenschaften, die ihn zu einem wahrscheinlichen Kandidaten für autonome Drohnensysteme der Zukunft machen. Während neuromorphe Chips wie Loihi 2 noch in Forschung und Entwicklung für Luft- und Raumfahrtanwendungen stecken, wird ihr Potenzial als bahnbrechend für autonome Systeme weitgehend anerkannt.

6. Ultraleichte Verkabelung aus Kohlenstoffnanoröhren für Flugzeuge

Kohlenstoffnanoröhren-Verkabelung hat das Potenzial, das Gewicht von Flugzeugen erheblich zu reduzieren – was die Kraftstoffeffizienz und die Nutzlastkapazität verbessert – und gleichzeitig die elektrische und thermische Leitfähigkeit zu erhöhen. Die Herausforderung? Die Technologie befindet sich größtenteils noch in der Entwicklungsphase. Die Integration von Kohlenstoffnanoröhren-Verkabelung in bestehende Designprozesse und die Gewährleistung langfristiger Zuverlässigkeit bleiben gewaltige Herausforderungen.

Ein Pionier auf diesem Gebiet, Nanocomp Technologies (Teil der Huntsman Corporation), produziert Miralon Kohlenstoffnanoröhren-Blätter und -Garne. Diese Materialien könnten bald die traditionelle Kupferverkabelung ersetzen und Gewichtseinsparungen von bis zu 70% liefern.

Die Gestaltung des Himmels der Zukunft

Die elektronischen Komponenten, die die Innovation in der Luft- und Raumfahrt antreiben, entwickeln sich rasch weiter und bieten spannende Möglichkeiten für Designer und Ingenieure. Diese Fortschritte – von GaN-auf-SiC-Verstärkern bis hin zu Quantensensoren – ermöglichen leichtere, effizientere und leistungsfähigere Luft- und Raumfahrtsysteme. Da sich die Branche in Richtung elektrischer Antrieb, autonomer Flug und erweiterter Weltraumerkundung bewegt, wird die Beherrschung dieser Technologien entscheidend sein.

Wir alle müssen uns bemühen, persönliche Agilität zu praktizieren, indem wir kontinuierlich lernen und uns an diese neuen Technologien anpassen. Neugier, Fleiß und Kreativität sind die Schlüssel zum Erfolg. Indem wir diese Trends und die Komponenten, die sie ermöglichen, annehmen, können Luft- und Raumfahrtfachleute die nächste Generation von Flugzeugen und Raumfahrzeugen schaffen, die unsere Zukunft im Himmel und darüber hinaus gestalten werden.