Intelligente Sensornetzwerke können Wartungskosten und Ausfallzeiten reduzieren

Luft- und Raumfahrzeuge sind komplexe Fahrzeuge, deren Wartung zeitaufwendige und teure manuelle Inspektionen erfordert. Aber eine Reihe neuer Technologien, wie beispielsweise Sensor-Aktor-Netzwerke, können Structural Health Monitoring (SHM) ermöglichen, eine revolutionäre Methode zur automatischen Bewertung der Integrität von Luft- und Raumfahrt und anderen komplexen Strukturen. Da diese Technologien in der Industrie erhebliche Aufmerksamkeit gewinnen, wurde eine neue internationale Luft- und Raumfahrtgruppe gegründet, um die branchenweite Zusammenarbeit bei der Nutzung und Entwicklung von SHM zu fördern.

"Wir reden über den Aufbau eines Nervensystems für Flugzeuge", sagt Fu-Kuo Chang, Professor für Luft- und Raumfahrt an der Stanford University und Vorsitzender des Structural Health Monitoring - Aerospace Industry Steering Committee (SHM-AISC). "SHM-Technologien können Wartungsfachleuten jederzeit Informationen darüber geben, was in der Flugzeugstruktur vor sich geht, genau wie wir es in unserem eigenen Körper haben."

SHM hat das Potenzial, manuelle Inspektionen zu ersetzen und dadurch Personal- und Flugzeugausfallzeiten für Wartungsarbeiten zu reduzieren.

"SHM wurde als einer der wichtigsten Treiber für Airbus identifiziert, um die Philosophie der 'Intelligent Structure' zu ermöglichen", sagt Holger Speckmann, Focal Point Person für SHM Technology beim europäischen Flugzeughersteller Airbus. „SHM wird zu einer Reduzierung der direkten Wartungskosten, erhöhter Verfügbarkeit und innovativen Designansätzen führen, was unseren Kunden je nach Flottenleistung einen großen Nutzen bringen wird.“

John C. Coles, 787 Support and Services Manager bei Boeing Commercial Airplanes, fügt hinzu:„Wir sehen SHM als eine der aufkommenden Technologien, die den Fluggesellschaften erhebliche Verbesserungen der Betriebseffizienz bringen können Ausmaß sichtbarer Schäden an Bordgeräten, wodurch die Zeit für das Auffinden und den Einsatz von zerstörungsfreien Inspektionsgeräten entfällt und die Zeit für die Planung einer Reparatur verkürzt wird."

Die SHM-AISC
Die SHM-AISC hielt am 7. November 2006 ihre erste Sitzung in Stanford ab, bei der sich die Mitglieder auf eine Satzung einigten und einen Vorstand bestätigten. Chang wurde zum ersten Vorsitzenden gewählt.

Der internationale Vorstand setzt sich aus Vertretern der wichtigsten Luft- und Raumfahrtindustrien weltweit (Airbus, Boeing, EADS, Embraer, Honeywell, BAE Systems), Regulierungsbehörden aus den USA und Europa (FAA/EASA), den Regierungsbehörden (US Air Force , US Army und NASA) sowie Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen (Sandia National Labs, Stanford University).

Das Ziel des SHM-AISC ist es, eine gemeinsame Sichtweise auf den Weg in die Zukunft für die Praxis des Structural Health Monitoring (SHM) und seine Auswirkungen auf das Management der strukturellen Gesundheit zu formulieren. Die Gruppe wird einen Kurs planen, um die Technologie effizient und effektiv in einer Vielzahl von kommerziellen und militärischen Luft- und Raumfahrtanwendungen zu implementieren. Dies soll durch die Entwicklung von Standards, Verfahren, Prozessen und Richtlinien zur Umsetzung und Zertifizierung erreicht werden. Die Mission des SHM-AISC besteht darin, einen Ansatz zur Standardisierung der Integrations- und Zertifizierungsanforderungen für SHM von Luft- und Raumfahrtstrukturen bereitzustellen, der die Systemreifung, Wartung, Supportfähigkeit, Upgrades und Erweiterung umfasst.

In den kommenden Wochen wird das Gremium Arbeitsgruppen einrichten, die sich mit den Detailaufgaben zur Verwirklichung dieser Vision befassen. Weitere einschlägige private und staatliche Organisationen werden eingeladen, in den Arbeitsgruppen mitzuarbeiten. Die erste Arbeitsgruppe – Commercial Aviation – soll Anfang 2007 eingerichtet werden und soll in den nächsten zwei Jahren Normenentwürfe erarbeiten.

Über die SHM-Technologie
SHM ist eine neue Technologie in der Luft- und Raumfahrt, die von Industrie und Regierung zunehmend als potenzielle Methode zur Senkung der Betriebskosten und möglicherweise zur Verbesserung der Sicherheit und Zuverlässigkeit von Luft- und Raumfahrtfahrzeugstrukturen bewertet wird. Der Kern der SHM-Technologie ist die Entwicklung autarker Systeme unter Verwendung eingebauter, verteilter Sensor-Aktor-Netzwerke als Teil von Gesamtstrategien für das Fahrzeuggesundheitsmanagement. Der SHM-Ansatz kann eine kontinuierliche Überwachung, Inspektion und Erkennung von Schäden in Bauwerken mit minimaler menschlicher Beteiligung ermöglichen.

Der Zweck von SHM besteht nicht nur darin, das Vorhandensein und das Ausmaß von baulichen Mängeln zu erkennen, sondern auch die Auswirkungen der baulichen Nutzung zu bestimmen und eine frühzeitige Anzeige von körperlichen Schäden zu geben. Die Frühwarnungen eines SHM-Systems können dann Abhilfestrategien unterstützen, bevor auftretende Strukturschäden die Flugsicherheit beeinträchtigen können. Dieselbe Technologie könnte auch verwendet werden, um das Design zukünftiger Flugzeugstrukturen zu verbessern.

Die NASA begann nach dem Verlust des Shuttles Columbia im Jahr 2002 mit der Implementierung von SHM im Space-Shuttle-Programm, sagt William Prosser, ein leitender Wissenschaftler der NASA.

„Der Aufprallschaden am Wärmeschutzsystem hat die Notwendigkeit von SHM-Systemen an Bord deutlich gemacht“, sagt Prosser. "Als Reaktion darauf wurde auf allen Shuttles ein Wing Leading Edge Impact Detection System installiert und bei jedem Flug überwacht. Ähnliche Systeme werden für die Internationale Raumstation und zukünftige Raumfahrzeuge in Erwägung gezogen."

Die Air Force erwägt auch die Einführung von SHM in einer wiederverwendbaren Trägerrakete, die als Space Operations Vehicle bekannt ist. „Ein automatisiertes System könnte den Zustand der gesamten Struktur innerhalb von Stunden nach einer abgeschlossenen Mission bewerten und die Struktur für den Flug erneut zertifizieren“, sagt Mark M. Derriso, Teamleiter für die Bewertung des strukturellen Zustands des Air Force Research Laboratory Air Vehicles Directorate. Diese optimierte Durchlaufzeit würde wiederum die Startkosten des Fahrzeugs reduzieren.

Während des dritten europäischen Workshops zur strukturellen Gesundheitsüberwachung (in Granada, Spanien, im Juli 2006) äußerten Vertreter der Regierung und der Industrie die Notwendigkeit, branchenweite Richtlinien und Verfahren für die Standardisierung und Implementierung von SHM-Technologien zu entwickeln. Als Reaktion auf diesen Konsens baten die Workshop-Teilnehmer Chang, das SHM-AISC zu erstellen.

„SHM ist eine zeitgemäße Entwicklung, da die Kosten im Zusammenhang mit der zunehmenden Wartung und Überwachung alternder Infrastrukturen unerwartet steigen“, sagt Dennis Roach, ein angesehener technischer Mitarbeiter des von der FAA für die FAA gegründeten NDI-Validierungszentrums für Lufttüchtigkeit Sandia National Labs in Albuquerque, NM „Die Wartung und Reparatur von Flugzeugen macht heute etwa ein Viertel der Betriebskosten einer kommerziellen Flotte aus.“