Ein hitzebeständiges Sensornetz

Sensoren zur Überwachung und Regelung von Flugtriebwerken sind am nützlichsten, wenn sie nahe des Triebwerkkerns installiert werden, doch die Elektronik kann den dort herrschenden Temperaturen nicht standhalten. Die Lösung könnte in der Nutzung neuer Silicium-auf-Isolator-Technologie (silicon-on-insulator, SOI) bestehen.

Digitale Wirtschaft

Die Elektronik, die das Gehirn der volldigitalen Triebwerksregelung (full authority digital engine control, FADEC) darstellt, ist nicht für den Betrieb bei sehr hohen Temperaturen ausgelegt und befindet sich auf dem Triebwerksgehäuse. Es besteht ein Interesse, die Elektronik mit Sensoren ohne besondere Kühlsysteme nahe des Triebwerkkerns zu befestigen. Durch die Nutzung von Hochtemperaturelektronik würden spezielle Treibstoffpump- und -leitungssysteme sowie komplexe Wärmeableiter entfallen, die anderenfalls erforderlich wären. Die Wissenschaftler untersuchten, wie Leistungsprobleme, die bei hohen Temperaturen mit siliciumbasierter Elektronik bestehen, durch den Einsatz von SOI-Technologie überwunden werden könnten. Durch EU-Finanzierung des Projekts "Development of high temperature survival electronic devices for engine control systems" (HIGHTECS) wurde finanzielle Unterstützung geleistet. Das Team entwickelte eine Hochtemperatur-Elektronikplattform mit Triebwerksensorelementen und der Fähigkeit zur Signalaufbereitung. Analoge Signale von am Triebwerk befestigten Sensoren zu Temperatur, Belastung und Vibration wurden an einen Analog-Digital-Umwandler (ADC) geleitet. Ein digitales Signal mit hoher Integrität würde dann an das FADEC und/oder ein System zur Überwachung des Triebwerkszustandes gesendet werden, um so die Effizienz mit reduzierter Verkabelung und Komplexität zu erhöhen. Ziel war es, Betriebstemperaturen von 200 Grad Celsius mit kurzzeitigen Anstiegen auf 250 Grad Celsius zu ermöglichen und dabei eine Lebensdauer von 50.000 Flugstunden zu erreichen. Die erforderliche Temperaturbeständigkeit und Betriebsspannung für alle elektronischen Bauteile zu erreichen, war eine sehr komplexe Aufgabe. Der ADC, der den Projektmitgliedern zur Verfügung gestellt wurde, war hinsichtlich der Versorgungsspannung sehr empfindlich und erfüllte nicht die für ihn angegebenen Spezifikationen. Die Spannung, die zur Verminderung der Unterbrechungen erforderlich war, lag über der Spannung, die für die anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC) für SOI empfohlen wird. Durch Neuentwurf der ASIC wurde die Leistung der analogen Sensoraufbereitung und der Frequenzmessungskomponenten verbessert, doch die ADC-Ausgabe entsprach noch immer nicht der Versorgungsspannung von 5 V, die für die SOI-Technologie empfohlen wird. Weitere Forschung wird auf die Entwicklung eines ADC gerichtet sein, der bei der Spannung betrieben werden kann, die für die SOI-ASIC erforderlich ist. Mit Langzeit-Lagerversuchen bei 250 Grad Celsius wurde bestätigt, dass die Lebensdauer des SOI-Geräts die angestrebten 50.000 Stunden für die bereitgestellten Flugtemperaturprofile noch überschritt. Durch HIGHTECS wurden wesentliche Fortschritte bei der Entwicklung einer hochtemperaturbeständigen SOI-Triebwerksensorplattform mit integrierter Signalaufbereitung verzeichnet. Eine erfolgreiche Umsetzung wird Gewicht und Komplexität der Triebwerküberwachungs- und -regelsysteme reduzieren und ihre Zuverlässigkeit steigern. Inzwischen eröffnen Methoden für maßgeschneiderte Konstruktionen von ASIC- und Multi-Chip-Modulen sowie Gehäusetechnologie für Hochtemperaturelektronik wichtige neue Möglichkeiten zur Nutzung der Projektergebnisse.

Schlüsselbegriffe

Flugtriebwerk, Silicium-auf-Isolator, hohe Temperatur, Elektrogeräte, Triebwerksregelung

Development of High Temperature Survival Electronic Devices for Engine Control Systems

Ein hitzebeständiges Sensornetz

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