Uçaklarda Fiber Optik Teknolojileri Uygulamalarının İncelenmesi 1. Survey of Applications of Fiber Optic Technologies in Aircrafts

Transkript

1 Uçaklarda Fiber Optik Teknolojileri Uygulamalarının İncelenmesi 1 Survey of Applications of Fiber Optic Technologies in Aircrafts Seyhan Coşkun 1 Gökalp Kahraman 2 Yavuz Öztürk 3 ABSTRACT Because of need of high speed data and message transmission, cupper wires have been replaced with fiber optics in aircrafts as well as have been in every field. In aircrafts, studies have been keeped on using multi mode optical fibers for sensors, sensor networks, communication networks and to transmit control signals to actuators. Optically realization of local area networks for personel communication will be provide important cost advantages in aircrafts. Some fiber optic sensor systems have been used since a time in airplanes. Fiber optic links have been installed to transmit signals from sensors to center processor and to transmit data from center processor to cockpit in F-35 combat aircrafts. Studies have been keeped on using fiber optics in civil aircrafts for indoor illumination due to especially light weightness beside other advantages. Key words: fiber optic, photonic crystal fiber, fiber optic sensor, fiber Bragg grating, gyroscope ÖZET Yüksek hızda bilgi ve haber iletimi gereksinimi yüzünden her alanda olduğu gibi uçaklarda da bakır kablolar yerini optik fiberlere bırakmaktadır. Uçaklarda sensörler, sensör ağları, haberleşme ağları ve eyleyicilere kontrol sinyallerinin iletimi için çok modlu optik fiberlerin kullanımı çalışmaları devam etmektedir. Uçaklarda kişisel haberleşme amaçlı yerel alan ağ sistemlerinin optik olarak gerçekleştirilmesi ağırlık ve hacim olarak önemli ekonomik kazanımlar sağlayacaktır. Bazı fiber optik sensör sistemleri bir süredir uçaklarda kullanılmaktadır. Fiber optik linkler, sensörlerden işlemcilere sinyal iletimi ve işlemcilerden işlenen bilgiyi kokpite taşımak için F-35 savaş uçaklarında kullanılmaktadır. Optik fiberlerin diğer avantajları yanında özellikle hafif olması dolayısıyla uçakların iç aydınlatma sistemlerinde de kullanımı çalışmaları devam etmektedir. Anahtar kelimeler:fiber optik, fotonik kristal fiber, fiber optik sensör, fiber Bragg ızgara, jiroskop Giriş Fiber optik iletim hatlarının bakır kablo iletim hatlarına göre birçok üstünlükleri olduğu bilinmektedir[1-4]. Bant genişliklerinin çok büyük olmasına bağlı olarak bilgi iletim çok yüksektir. Bakır kablolara göre çok daha hafif ve az yer kaplarlar. Bilgi ışık enerjisi ile taşındığı için fiber optik kablolarda elektromanyetik etki ile gürültü karışması sorunu yoktur. Fiber optik hatlarda, elektrik akımı yüzünden ısınma ve elektrik arkı oluşması sorunu yoktur. Bunlara bağlı olarak yangın tehlikesi sorunu da yoktur. Fiber optik hatların kayıpları çok azdır. Hat kesilmeden bilginin çalınması hemen hemen imkânsızdır. Optik fiberler daha az yer kaplarlar. 1 Öğr.Gör., Ege Üniversitesi, seyhan.coskun@.ege.edu.tr 2 Prof. Dr., Ege Üniversitesi, alpkahraman@ieee.org 3 Yrd. Doç. Dr., Ege Üniversitesi, yavuz.oztürk@ege.edu.tr 143

2 Bakır kablolara göre çok daha hafiftirler. Elektrik kabloları yerine optik fiberler kullanımı uçaklarda yaklaşık olarak 10 misli hafifleme sağlayabilmektedir[14]. Avantajları nedeniyle fiber optik hatların çeşitli amaçlarla kullanımı, hava ve uzay araçlarında giderek artmaktadır. Teori Optik fiberler haberleşme alanında yaklaşık olarak 40 yıldır kullanılmaktadır. Lazerlerin bulunmasından sonra geliştirilip haberleşmede kullanılmaya başlanmıştır. Yapı olarak 2 kısımdan oluşmaktadır(şekil-1). Öz ve kılıf kısımları aynı veya farklı malzemelerden olmak üzere cam veya plastikten yapılabilirler. Her iki kısım cam ya da plastik olabilir. Bazı optik fiberlerde ise öz kısmı cam kılıf kısmı ise plastik olabilir. Cam yapıdaki fiberlerde % 100 e yakın derecede saflaştırılmış silika cam kullanılır. Optik fiberler yapı olarak aslında bir dalga kılavuzudur. Optik fiberlerde çok sayıda veya tek bir mod kılavuzlanabilir. Uzun mesafe haberleşmede tek modlu fiberler kullanılır. Kısa mesafede ise daha ucuz ama kayıpları daha fazla olan çok modlu fiberler kullanılır. n 1 ve n 2 sırasıyla öz ve kılıf kısımlarının kırılma indisleri olmak üzere n 2 < n 1 olmak zorundadır. Bu şart sağlanıyor ise toplam iç yansıma gerçekleşir. Aksi halde fiberde öz içerisinde ilerleyen ışık tam yansımayı gerçekleştiremez. Yani öz ve kılıf ara yüzeyindeki her yansımada ışığın enerjisinin bir kısmı kılıf ortamına geçeceği için kayba uğrar. Söz konusu ara yüzeyde ışığın geliş açısı kritik açıdan (θ kr ) büyük olmalıdır. Kritik açıya bağlı olarak, ışık kaynağından (genellikle lazer veya LED kullanılır) ışığın fibere aktırılmasında bir kabul açısı ve kabul konisi tanımlanabilir. Optik fibere gelen ışınların kabul konisi içinde kalanları fiberde ilerleyebilir. Şekil-1: Fiber optik yapısı[4] sin θ kr = n 2 / n 1 sin kabul 2 ( n 1 n 2 2 ) = N.A. : Nümerik açıklık Şekil-2: Optik fiberin kabul açısı ve kabul konisi[22]. Üretim teknolojilerinin yıllar içinde gelişmesi ile optik fiberlerde kayıplar çok düşük seviyelere indirilebilmiştir. Günümüzde tek modlu cam optik fiberlerde 1550 nm dalga boyu için hemen hemen 0,15 db/km zayıflama değeri elde edilebilmektedir[4]. Optik fiberlerdeki kayıpların 2 önemli sebebi soğurulma ve saçılmadır. Yapısındaki yabancı maddeler ve moleküler titreşimler optik fiberde ilerleyen ışığın bir kısmını 144

3 soğururlar. Optik fiberdeki kayıpların yaklaşık % 96 sı Rayleigh saçılma kayıplarıdır. Optik fiberlerin silika cam yapısındaki üretim sırasında oluşan yoğunluk farklılıkları yüzünden ışık saçılmalara uğrar. Uzun mesafe fiber optik hatların önemli bir sorunu daha vardır. Yayılma (dispersion) denilen transmisyon bozulması. Kırılma indisinin dalga boyuna bağlı değişimi yüzünden ortaya çıkar. Yayılma giderici düzeneklerle bu bozulma giderilir. Bilgi ve haber iletiminde kullanımının giderek yaygınlaşması yanında, optik fiberlerin önemli bir kullanım alanı da optik sensör ağlarıdır. Fiber optik sensörlerin en önemlerinden birisi Bragg ızgara sensörleridir. Fiber Bragg ızgara (FBG: fiber Bragg grating), optik fiberin öz kısmının normalde sabit olan kırılma indisinin değerinin kalıcı olarak değiştirilmesiyle yapılır. Bu değişiklik periyodik olarak belli bir uzunlukta (2-20 mm) devam edecek şekilde gerçekleştirilir (Şekil- 3). Bunun için fiber eksenine dik olarak yüksek şiddette özel bir hüzme yapısında mor ötesi lazer ışığı gönderilir. Kalıcı olarak fiberde oluşan kırılma indisine ilişkin bu ızgara yapının çok önemli özellikleri vardır. Optik fiberde ilerleyen ışığın spektrumunun bir kısmı bu ızgara yapıdan geriye doğru yansır. Spektrumun kalan kısmı fiberde ilerlemeye devam eder[5]. Geriye yansıyan spektrumun merkez dalga boyu şu eşitlik ile belirlidir: λ B = 2 n eff Λ Λ : Izgara periyodu. n eff : Etkin kırılma indisi. λ B : Bragg dalga boyu. Şekil-3: Fiber Bragg ızgara yapısı ve spektruma etkisi[6]. FBG sensörler ile sıcaklık, gerilme, basınç, titreşim, ivmelenme ve daha başka dış etkiler hassas olarak algılanıp bir noktada değerlendirilebilir. Fotonik kristal fiberler (PCF: photonic crystal fiber) yaklaşık 20 yıldır üzerinde çalışılan özel yapıda fiberlerdir. 2 boyutta periyodik olarak (fiber kesit yüzeyi) fiber eksenine paralel konumda oluşturulmuş içi boş kanallar içerir. Bu boş kanalların olduğu kısım fiber kılıfını oluşturur. Bu şekilde fiber kılıfı kristal yapı gibi davranmaktadır. Kesit yüzeyine bakıldığında, fiber merkezindeki hava kanalının yok edilmesi ile fiberin öz kısmı oluşturulmuştur (şekil-4). Bu tip fiberler tek malzemeden (silika cam) yapılırlar. Işığın kılavuzlanması klasik fiberlerden farklıdır. Değişmiş indis kılavuzlaması denilen bir yaklaşıma göre ışık fiberde kılavuzlanıp ilerler. Bu tip fiberlerin geometrik yapının değişimine göre farklı özellikleri vardır. Çok geniş bir spektrumda tek modlu iletim özelliği, çok güçlü lineer olmama özelliği, güçlü çift kırılma özelliği gösterebilmeleri, bükülme kayıplarının düşük olması ve çok düşük kayıplarla çalışabilmeleri gibi üstün özellikleri vardır. Hava kanalları çeşitli (katı, sıvı ve gaz) maddelerle doldurularak yüksek duyarlılıklı sensör olarak kullanılabilirler. Öz kısmı hava kanalı olan PCFler de vardır[18]. Bu içi boş 145

4 fiberlerde ışığın kılavuzlanması farklı bir prensibe göre gerçekleşir. Fiberin öz kısmı hava olduğu için tam yansımanın gerçekleşmesi mümkün değildir. Fiber özüne kaynaktan verilen ışık sözde kristal yapıda saçılmalar ve girişim olaylarına maruz kalır. Bazı dalga boylarında kılavuzlanma sağlanır bazılarında sağlanamaz. Bu yüzden bu tip fotonik kristal fiberlere fotonik bant aralıklı fiberler denilir. Şekil-4: Fotonik kristal fiber[19] Uygulamalar F-35 savaş uçağının görev işlemcisinin ( Integrated Core Processor System: ICP) sensörler ile olan veri bağlantıları ve işlemcilerde işlenen bilginin pilot kabinindeki göstergelere iletimi, 2 Gbps hızında bit iletimi sağlayan standart 50/125 μm çok modlu optik fiberler ile yapılmaktadır[9]. Bu şekilde veriler çok hızlı olarak aktarılabilmektedir. Görev sistemleri ağında, aralarında 24 Gbps hızında linkler olan 2 tane 32 portlu anahtarlar kullanılmaktadır. Bazı modül bağlantılarında 64 tane optik fiber bağlantısı olabilecektir. Söz konusu bu fiber optik ağlarda yüksek performans yanında hata tespiti ve hatalı birimin sistemden izole edilebilmesi hedefleri de vardır. Uçakların kanat ve gövdelerine yerleştirilen sensörlerle çeşitli mekanik zorlanmalar sürekli izlenebilmektedir. En önemli fiber optik sensörlerden birisi olan FBG (fiber Bragg grating) sensörlerle gerilme ve basınç çok hassas olarak algılanabilmektedir. Oluşabilecekhasarların tespit edilmesi, yerinin belirlenmesi vetanımlanması için yapısal durum izleme (structural health monitoring: SHM) uygulamaları için kompozit yapılarda gömülü biçimde tesis edilebilen FBG fiber optik sensör ağları uçaklarda özellikle kanatlarda dinamik gerilmeyi gözlemek için oldukça uygundur[10]. Ayrıca gövdeye yerleştirilmiş olan optik fiberler üzerindeki sensörler ile uçağın kalkış ve iniş anındaki yüklenmeler izlenebilmektedir[11]. Bazı uçaklarda tesis edilmiş olan fiber optik sensör ağlarında uçuş süresince ölçümler alınmaktadır. Airbus ın yeni uçakları, uzun dönemli vizyonu kapsamında ağ yapısında FBG optik sensörlerle uçacaktır[28]. Uçakların motorlarının rotor bıçaklarında, kanatlarda ve gövdesinde tesis edilebilecek sıcaklık değişimlerinden etkilenmeyen fotonik kristal fiber (PCF) sensörağları ile yapısal hasarlar oluşturabilecek titreşimler hassas olarak genlik ve frekans olarak tespit edilebilmektedir[12]. PCF interferometrik sensör sistemi ile 2.8 pm/με değerinde yüksek duyarlık elde edilmiştir[12,23].uçaklarda kullanılan komposit yapılar içerisine bu sensör sistemleri gömülü biçimde yerleştirilebilir. Fiber glass ile güçlendirilmiş polimer yapılar içine gömülmüş yüksek çift kırılma indisli PCF ler ile 50 Hz e kadar titreşimler yüksek duyarlık ile alınmıştır[12,24]. Yine başka bir komposit malzeme içine gömülmüş polarizasyon korumalı PCF sensör ile db/mm titreşim duyarlığı elde edilmiştir[12,25]. İnsansız hava araçlarında fiber optik sensör kullanılması ile ilgili NASA nın çalışmaları vardır[26]. Fiber optik sensörlerin yüksek duyarlılıkları ve hafif olmaları dolayısıyle yakıt sarfiyatının az olacağı düşüncesi ile bu çalışma önemsenmektedir. Fiber optik sensörlerin yüksek duyarlılıkları sayesinde 146

5 aktif kanat kontrolü sağlanabilecektir. Fiber optik SHM sistemleri ani küçük hasarların oluşumu, büyüklüğü, yeri ve büyümesinin gerçek zamanlı olarak ve uçuş sırasında izlenmesine olanak sağlarlar[28]. Uçaklardaki diğer birçok algılama düzeneklerinde de fiber optik sensörler kullanılmaktadır. Fiber optik jiroskoplar 20 yıldan fazla zamandır çeşitli hava araçlarında kullanılmaktadır[15-17]. Boyutları, ağırlığı ve gücünün düşük olması; kararlı çalışması ve fiber optik ağa direk entegre olabilmesi özelliği ile diğer tür jiroskop teknolojilerine üstünlüğü vardır(şekil-5). Klasik fiber yerine PCF kullanılırsa bükülme kayıpları az olduğu için fiber bobinleri daha küçük yapılabilecektir ve spektral bozulma daha az olacaktır[16]. Federal Aviation Administration raporuna göre 1983 ten beri havacılıktaki en az 26 ciddi kazanın sebebi elektriki kablolamadan kaynaklanan arıza ve yangınlardır. Lockheed Martin firması tarafından desteklenen bir projede,daha güvenli eleman olacağı için daha önce kullanılan elektriki anahtarlar yerine optik anahtarlar geliştirilmiştir. Böylece optik fiber üzerinden flap, dümen ve uçuş için kritik diğer elemanların kontrolü optik anahtarlar ile yapılacaktır[27]. Uçaklarda uçuş kontrol sistemleri, pilot lövyesi, eyleyici (actuator) kontrol elemanları, uçuş bilgisayarları ve sensörler gibi temel elemanların bilgi akışının sağlanarak pilot kabinine bağlanması sistemlerinde ışık kontrollu uçuş (Fly-by-Light) sistemi kullanılması çalışmaları devam etmektedir[7,8]. Işık kontrollu uçuş sistemlerinin kullanıldığı uçaklarda fiber optik kullanımı uçuş kontrol sistemlerinin performanslarında önemli artışlar getirmiştir. Ayrıca fiber optiklerin kullanıldığı bu tip sistemlerde bakım ve arıza giderme masraflarında önemli düşüşler sağlanmaktadır[8]. Şekil-5: Tipik fiber optik jiroskop[29]. Hava araçları için fiber optik linklerle oluşturulacak haberleşme ağları için çeşitli çalışmalar yapılmaktadır. Avrupa Birliği 7. Çerçeve Programı tarafından desteklenen DAPHNE (Developing Aircraft PHotonic NEtworks ) projesi içinde yer alan çalışmada halka yapısında bir optik ağ (şekil-6) teklif edilmiştir[20]. Hizmet verici (Head-end Server), hizmet düğümlerini merkezi bilgisayara bağlar. Hizmet düğümlerine ise yapısal durum izleme sensörleri ve uçak içi eğlence sistemleri bağlıdır. Bu ağ yapısında şerit fiber optik bağlantılar kullanılır. Hizmet sağlayan haberleşme linkleri saat yönünde iletim sağlarlar. Saat yönünün tersi yönde iletim sağlayan şerit optik fiberler de vardır. Bunlar ağın güvenli çalışması için yedek linklerdir. Ağın anahtarlaması, fiber anahtarlama katmanı, dalga boyu anahtarlama katmanı ve paket anahtarlama katmanı olmak üzere 3 seviyeli hiyerarşik yapıdadır. Bir çalışma grubu tarafından dalga boyu çoğullamalı bir optik yerel alan ağ sistemi teklif edilmiştir. Bu ağda haberleşmenin sağlanması, optik taşıma ve optik çoğullama sistemlerinden meydana gelen optik omurga ağı ile olmaktadır[21]. Optik fiberlerin uçaklardaki aydınlatma sistemlerinde de kullanılması alanında önemli çalışmalar yapılmaktadır. İç aydınlatmada ve dış aydınlatmada, merkezi ışık kaynaklarından alınan ışık optik fiberler ile dağıtılıp gerek duyulan yerlerde aydınlatma sağlayabilir[13]. Özellikle lazer ışığı kullanılırsa parlaklık ve optik fibere kolay aktarılabildiği için avantajlar sağlanacaktır. 147

6 Şekil-6: Halka topolojili optik yerel alan ağ sistemi[20]. Sonuç Optik fiberlerin bakır iletim hatlarına göre bariz üstünlüklerine bağlı olarak, uçaklarda ve diğer hava araçlarında kullanılması ile ilgili çalışmalar ve hazırlıklar artarak devam etmektedir. Bilgilerin yüksek hızda iletimi özellikle askeri uçaklarda kritik derecede önemlidir. Bilgi toplama amaçlı kullanılan algılayıcılar, bilgilerin çekirdek işlemciye iletilmesi, işlemciden verilen komutların bilgi olarak eyleyicilere iletilmesi için bugün önemli ölçüde optik fiberler kullanılmaktadır veya bu konuda standartlaşma çalışmaları devam etmektedir. Mesafe büyük olmadığı için daha ucuz ve bağlantılarının kolay olması dolayısıyla çok modlu optik fiberler kullanılır. Uçak personeli veya yolcuların haberleşme ve eğlence ihtiyaçları için kullanılacak optik fiberler ile bağlı ağlar ile ilgili çalışmalar devam etmektedir. Uçakların iç aydınlatması için merkezi ışık kaynaklarından sağlanan ışıkların dağıtımı için optik fiber hatlar kullanılması çalışmaları devam etmektedir. Kaynaklar 1) Senior, J. M., (2009), Optical Fiber Communications, Principles and Practice, Third edition, Prentice Hall 2) Keiser, G., (2000) Optical Communication Essentials, Mc Graw Hill 3) Özsoy, S., (2001), Fiber Optik, Birsen Yayınevi 4) Saleh, B. E. A., Teich, M.C.,(2007), Fundamentals of Photonics, 2. Ed, Wiley&Sons, New York 5) Coşkun, S.,(2009), Sıcaklık ve EKG Takibi için Fiber Optik Izgara Sensör Ağı Tasarımı, (YüksekLisansTezi), Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir. 6) Coşkun, S., Kahraman, G., (2013), FBG Sensör Ağları ile Uçaklarda Yapısal Durumun Dinamik Olarak İzlenmesi, 2. Ulusal Havacılık Teknolojisi ve Uygulamaları Kongresi, İzmir 7) Garg, A., Linda, R. I., Chowdhury, T., (2014), Application of Fiber Optics in Aircraft Control System & Its Development, 2014 International Conference on Computer Communication and Informatics (ICCCI -2014), Coimbatore, INDIA 8) Işık, Y., Kahvecioğlu, A., (2003), Veri İletim Yöntemleri Ve Optik Veri İletiminin Aviyonik Sistemlerdeki Kullanımı, Havacılık Ve Uzay Teknolojileri Dergisi, Temmuz, Cilt 1, Sayı 2 (91-97) 9) Levis, J., Sutterfield, B., Stevens, R., (2006), Fiber Optic Communication Within The F-35 Mission System, Lockheed Martin, ieee 10) López-Higuera, J. M., Cobo, L. R., Incera, A. Q., Cobo, A., (2011), "Fiber Optic Sensors in Structural Health Monitoring", Journal of Technology, Vol. 29, No. 4 11) Coşkun, S., Kahraman, G., (2012), " Uçaklarda Kanat ve Gövde Yapılarının FBG Sensör Ağları İle İzlenmesi ", 1. Ulusal Fotonik Bilimi ve Sensör Teknolojileri Konferansı, TÜBİTAK UME 12) Pinto, A. M. R., Lopez-Amo, M., (2012) Photonic Crystal Fibers for Sensing Applications, Journal of Sensors, Hindawi Publishing Corporation, Article ID

7 13) Tomasi, G., (2012), Fiber Optic Based Lighting for Aircraft, 14) Zhang, J., An, Y., Berger, M. S., Peucheret, C., Clausen, A. T., (2011), Developing A Generic Optical Avionic Network, 18. International Conference on Telecommunications 15) Pavlath, G. A., (1994), Fiber-optic Gyroscopes, Lasers and Electro-Optics Society Annual Meeting,. LEOS '94 Conference Proceedings. IEEE 16) Edu, I. R., Obreja, R., Grigorie, T. L., (2011 ), Current technologies and trends in the development of gyros used in navigation applications a review, 17) Armenise, M. N., Ciminelli, C., Leonardis, F. D., Diana, R., Passaro, V., Peluso, F., Gyroscope technologies for space applications, 18) Russell, P., (2003), Photonic Crystal Fibers, Science 299, ) Russel, P. Photonic Crystal Fibres, Max-Planck Institute fort he Science of Light, Erlangen, Germany, 20) Zhang, J., An, Y., Ber, M. S., (2011), Developing A Generic Optical Avionic Network, 18th International Conference on Telecommunications, 21) Mazurowski, J., Habiby, S., Stark, J., Drury, D., (2010), Interoperability Within Optical Networks In Aerospace Platforms, Digital Avionics Systems Conference (DASC), 2010 IEEE/AIAA 29th 22) 23) Villatoro, J., Finazzi, V., Minkovich, V. P., Pruneri, V., Badenes, G., (2007), Temperature-insensitive photonic crystal fiber interferometer for absolute strain sensing, Applied Physics Letters, vol. 91, no. 9, Article ID ) Thakur, H. V., Nalawade, S.M., Saxena, Y., Grattan, K. T. V., (2011), All-fiber embedded pm-pcf vibration sensor for structural health monitoring of composite, Sensors and Actuators A, vol. 167, no. 2, pp ) Rajan, G., Ramakrishnan, M., Semenova, Y. et al., (2011), Analysis of Vibration Measurements in a Composite Material Using an Embedded PM-PCF Polarimetric Sensor and an FBG Sensor, IEEE Sensors Journal, vol ) ttps:// html#.vhj_rvntmkp 27) 28) Sante, R. D., Review: Fibre Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Aircraft Composite Structures: Recent Advances and Applications, Sensors 2015, 15, ) 149