I velivoli militari moderni sono sistemi altamente integrati. I sensori, i computer di missione, l’avionica, i moduli e i sistemi periferici generano ed elaborano enormi quantità di dati e, al contempo, necessitano di un’alimentazione elettrica affidabile.
Mentre in fase di sviluppo si discute spesso di larghezza di banda, protocolli e strategie di ridondanza, c’è un aspetto che spesso viene preso in considerazione solo in un secondo momento: la tecnologia di connessione stessa.
Una domanda fondamentale è: perché in molti progetti il contatto ottico o elettrico viene ancora considerato un semplice dettaglio funzionale, nonostante in condizioni operative reali sia determinante per l’affidabilità dell’intero sistema? Soprattutto nelle applicazioni in cui la sicurezza è fondamentale, si riscontra ripetutamente che il fattore limitante non è il mezzo di trasmissione in sé, bensì il punto di contatto.
Le sfide tecniche dell’aviazione militare
Nell’aviazione militare i sistemi di collegamento sono costantemente sottoposti a sollecitazioni meccaniche e termiche, a influenze ambientali e a rischi di contaminazione. Tutte condizioni che si sovrappongono tra loro.
Queste forze provocano micromovimenti all’interno dei connettori. Proprio nei punti di contatto, tali movimenti relativi possono modificare la resistività di contatto o destabilizzare le condizioni di accoppiamento ottico. Gli sbalzi termici estremi tra il funzionamento a terra, l’altitudine operativa e le diverse zone climatiche di impiego generano invece processi ricorrenti di dilatazione e contrazione.
I diversi materiali presenti nel connettore (corpo, guarnizioni, isolatori, contatti elettrici o interfacce ottiche) presentano coefficienti di dilatazione diversi. Ne conseguono variazioni dei margini di tolleranza che possono avere un impatto negativo, in particolare nel caso di geometrie di contatto di precisione.
Infine, polvere, umidità, aerosol di composti chimici aggressivi, carburanti o fango sono elementi costantemente presenti in ambito militare. Per i sistemi di connessione ciò significa che la protezione contro l’ingresso di tali elementi nelle interfacce non è sufficiente. Ciò che conta è quanto l’area di contatto vera e propria sia sensibile allo sporco e, di conseguenza, quale onere di pulizia/manutenzione richieda. I connettori Odu progettati per l’uso in ambito militare garantiscono la resistenza delle interfacce elettriche e ottiche a tutti questi fattori.
Precisione con limiti intrinseci
Le soluzioni di tipo Physical Contact sono da anni considerate lo standard nelle interfacce di connessione per i sistemi in fibra ottica. Le estremità delle fibre lappate vengono allineate con precisione l’una rispetto all’altra e poi messe a contatto, garantendo eccellenti valori di perdita di inserzione e di ritorno.
Tuttavia, questo meccanismo di accoppiamento usato in ambienti sporchi trova presto dei limiti. Anche i piccoli granelli di polvere possono danneggiare le superfici lucidate o compromettere il passaggio del fascio luminoso da una fibra all’altra. Inoltre, il contatto fisico provoca l’usura delle interfacce per sfregamento, limitando così la durata dei contatti. In pratica, ciò significa che queste interfacce devono essere pulite accuratamente prima di ogni operazione di inserzione, il che comporta alti costi di manutenzione e stabilità delle performance trasmissive a lungo termine difficilmente garantibili.
Qui sorge un’altra questione fondamentale di cui tener conto durante la progettazione di una interfaccia di connessione: a partire da quando un contatto passa dall’essere un elemento passivo a diventare un rischio sistemico? Quando piccole variazioni ambientali, dovute ad esempio alla presenza di sporcizia, all’usura delle superfici o alle tolleranze meccaniche, hanno un impatto sproporzionatamente grande sulla qualità della trasmissione.
Accoppiamento senza contatto
La tecnologia di interfaccia ottica a fascio espanso (“Expanded Beam”) adotta un approccio diverso: grazie alla diffusione del fascio luminoso ottenuta tramite lenti, la sensibilità alle particelle sospese in aria e agli scostamenti di posizione risulta notevolmente ridotta. Inoltre, l’assenza di contatto tra le superfici delle fibre accoppiate rende le stesse non più soggette a sfregamenti e a conseguenti danneggiamenti dovuti a graffi superficiali.
Le soluzioni classiche di interfaccia Expanded Beam sono quindi affidabili dal punto di vista della resilienza alla presenza di agenti contaminanti e alle vibrazioni, ma purtroppo presentano delle performance di trasmissione (indicate dai valori di perdita di inserzione e di ritorno) molto peggiori rispetto a quelli ottenuti con interfacce di tipo Physical Contact. La tecnologia Odu Expanded Beam Performance colma proprio questa lacuna.
Questa tecnologia combina un accoppiamento ottico senza contatto a fascio espanso con eccellenti caratteristiche di trasmissione, assolutamente paragonabili alle interfacce a contatto fisico. Inoltre, grazie a una geometria particolare, l’interfaccia Ebp garantisce anche un’elevatissima densità di integrazione, irraggiungibile con le altre tecnologie. Ogni interfaccia Ebp, larga circa 5mm, connette ben 12 fibre ottiche!
Grazie a un sistema modulare messo a punto da Odu, è poi possibile inserire diverse interfacce Ebp in un unico corpo connettore, arrivando a ottenere una densità record di ben 96 fibre ottiche contenute in un connettore circolare di soli 31 mm di diametro. Con la tecnologia Ebp i valori tipici di trasmissione (perdita di inserzione e di ritorno) si attestano sui livelli finora garantiti dalle soluzioni Physical Contact pur garantendo una robustezza e una durata notevolmente superiori, tipica delle soluzioni Expanded Beam.
Le caratteristiche dell’interfaccia ottica Epb
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Qualificazione in condizioni realistiche
Per le applicazioni militari, la robustezza teorica non è sufficiente.
Di conseguenza, le interfacce Ebp sono state sottoposte da Odu a test mirati in condizioni realistiche:
- prove di vibrazione con accelerazioni elevate (secondo MIL.STD.202-204H Condition G);
- cicli termici con ampia escursione (da -65 a +105 °C) e in presenza di umidità fino al 98%;
- esposizione a polvere (Arizona Dust Test) e fango, con monitoraggio concomitante delle performance trasmissive.
I risultati di tutti questi test sono stati impressionanti per un’interfaccia ottica: le variazioni dei parametri di trasmissione sono rimasti entro limiti più che accettabili, oltre che definiti e ripetibili nel tempo, anche in presenza di elementi di disturbo combinati.
L’importanza della fisica dei contatti
Oltre alla trasmissione dei dati ad alta velocità, un altro fattore critico per il corretto funzionamento dei velivoli militari è l’affidabilità dell’alimentazione elettrica fornita ai sottosistemi. Anche in questo caso, le vibrazioni, gli sbalzi di temperatura e gli elevati cicli di innesto e disinnesto agiscono direttamente sulla zona di contatto.
In queste condizioni, i contatti elettrici tradizionali raggiungono i propri limiti, poiché i pochi punti di contatto tra pin e socket sono sottoposti a sollecitazioni elevate. Il contatto Odu Springtac adotta invece una tecnologia di contatto unica sul mercato: all’interno del contatto femmina sono presenti decine di singole molle in filo sagomato che assicurano una connessione elettrica continua e ridondante.
Già con diametri di contatto molto ridotti, numerose molle indipendenti garantiscono una contattazione perfetta e quindi una trasmissione continua della corrente. Ad esempio, ben 44 molle sagomate sono presenti nel contatto con diametro di soli 6 mm. Springtac è quindi particolarmente indicato per applicazioni in cui i contatti elettrici devono funzionare in modo affidabile per lunghi periodi di tempo, pur essendo sottoposti a sollecitazioni meccaniche costanti.
Analisi del ciclo di vita
Un tema ricorrente nei programmi militari è il Total Cost of Ownership, ossia il costo operativo, durante la sua vita utile, di un prodotto. Le soluzioni di connessione che danno ottimi risultati in laboratorio possono comportare elevati costi di gestione sul campo, ad esempio a causa della eccessiva manutenzione richiesta, o della insufficiente robustezza che ne richiederà la frequente sostituzione.
La domanda non è quindi “Qual è la soluzione che offre le migliori prestazioni in condizioni ideali?” ma, piuttosto: “Quale tecnologia di connessione garantisce sul campo performance stabili, prevedibili e accettabili nel corso degli anni, anche considerando il degrado dovuto all’invecchiamento del prodotto?” Expanded Beam Performance e Springtac sono la risposta, rispettivamente nel mondo delle connessioni ottiche e in quello delle connessioni elettriche.
Le caratteristiche del contatto Springtac
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