VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

Transkript

1

2 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ Ing. Jiří Hlinka, Ph.D. Posuzování bezpečnosti a spolehlivosti letadlové techniky v průběhu návrhu a certifikace Dependability and Safety Assessment in Aerospace (Development and Certification Phase) ZKRÁCENÁ VERZE HABILITAČNÍ PRÁCE BRNO 2007

3 KLÍČOVÁ SLOVA Spolehlivost, letadla, bezporuchovost, intenzita poruch, FMEA, blokové diagramy KEYWORDS Dependability, aircraft, reliability, failure rate, FMEA, RBD MÍSTO ULOŽENÍ PRÁCE Oddělení pro vědu a výzkum Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně. Jiří Hlinka, 2007 ISBN ISSN X

4 OBSAH Použité zkratky. 4 Použité značení Úvod a cíle práce Historický úvod do problematiky Celosvětový vývoj Domácí vývoj Současný stav Požadavky předpisů Požadavky předpisů na zajištění spolehlivosti v oblasti letadel Různé přístupy k návrhu mechanických prvků a soustav letadel Požadavky předpisů v oblasti kosmických aplikací Nástroje pro řešení spolehlivosti Vytvoření pracoviště pro řešení spolehlivosti Praktické aplikace Zajištění bezpečnosti a spolehlivosti letadlové techniky Nekonvenční aplikace pro potřeby evropských výzkumných projektů Zajištění bezpečnosti a spolehlivosti kosmické techniky Software pro vyhodnocení dat ze zkoušek a provozních dat Porovnání požadavků na soustavy a mechanické prvky letadel Aplikace interferenční teorie spolehlivosti (odhad bezporuch. ve fázi návrhu) Vyhodnocení parametrů spolehlivosti ze zkoušek Aplikace standardních nástrojů prediktivní analýzy Vyhodnocení provedených analýz Shrnutí Závěr Summary Curriculum Vitae Literatura Publikace autora

5 POUŽITÉ ZKRATKY AC CCA CMA CS EASA ECSS ESA FAA FAR FHA FMEA FMECA FTA GA IEC IFR JAA JAR RCM MSG NASA NLGS LÚ NPDR PRA RBD SSM VFR VUT-FSI VZLÚ ZSA (Advisory Circular) Poradní oběžník (Common Cause Analysis) Analýza společných příčin (Common Mode Analysis) Rozbor společných způsobů (Certifications Specifications) Specifikace pro certifikaci (European Aviation Safety Agency) Evropská agentura pro bezpečnost letectví (European Cooperation for Space Standardization) Evropská aktivita pro spolupráci a standardizaci v kosmických aplikacích (European Space Agency) Evropská kosmická agentura (Federal Aviation Administration) Federální letecký úřad (USA) (Federal Aviation Regulations) Federální letecké předpisy (Functional Hazard Assessment) Rozbor funkčních rizik (obdoba předběžné analýzy rizik ) (Failure Modes and Effects Analysis) Analýza druhů poruchových stavů a jejich důsledků (někdy též: Analýza způsobů a důsledků poruch) (Failure Modes, Effects and Criticality Analysis) Analýza druhů, důsledků a kritičnosti poruchových stavů (někdy též: Analýza způsobů, důsledků a kritičnosti poruch) (Fault Tree Analysis) Analýza stromu poruchových stavů, často značená pouze FT (General Aviation) všeobecné letectví (odpovídá kategorii FAR/JAR-23 s velikostí letadel od malých sportovních letadel až po 19místné letouny) (International Electrotechnical Commission) Mezinárodní elektrotechnická komise (Instrument Flight Rules) Pravidla letu podle přístrojů (Joint Aviation Authorities) Sdružené letecké úřady (Joint Aviation Regulations) Spojené letecké předpisy (Reliability Centered Maintenance) Údržba zaměřená na bezporuchovost (Maintenance Steering Group) Skupina pro řízení údržby (National Aeronautics and Space Administration) Národní úřad pro letectví a kosmonautiku (Normy Letnoj Godnosti Samoljetov) Normy letové způsobilosti letadel Letecký ústav (Nonelectronic Parts Reliability Data) Databáze bezporuchovosti neelektronických prvků (Particular Risk Analysis) Rozbor konkrétních rizik (Reliability Block Diagram Analysis) Blokové schéma bezporuchovosti (State Space Method) Analýza prostoru stavů (Visual Flight Rules) Pravidla letu za viditelnosti Vysoké učení technické, Fakulta strojního inženýrství Výzkumný a zkušební letecký ústav (Zonal Safety Analysis) Rozbor zonální bezpečnosti Pozn.: Použitá terminologie je v souladu s ČSN IEC 50(191) [11] 4

6 POUŽITÉ OZNAČENÍ L MTBF P(A) Q r R Rm S t α (αˆ ) β ( βˆ ) γ λ χ 2 - zatížení (Loads) - střední doba mezi poruchami (Mean Time Between Failures) - pravděpodobnost nastoupení jevu A - pravděpodobnost nastoupení poruchy (probability of failure) - počet poruch - pravděpodobnost bezporuchového provozu (Reliability) - mez pevnosti v tahu - odolnost (Strength) - čas - hodnota (odhad) parametru měřítka Weibullova rozdělení - hodnota (odhad) parametru tvaru Weibullova rozdělení - úroveň konfidence - okamžitá intenzita poruch (Instantaneous Failure Rate) - hodnota rozdělení chí-kvadrát 5

7 1.1. Úvod 1. ÚVOD A CÍLE PRÁCE Rostoucí komplikovanost letadel a jejich vybavení si vynucuje řešení problematiky spolehlivosti. Zvláště rychlý vývoj avionických soustav a jejich použití ve všech kategoriích letadel vedou celosvětově k potřebě rozvoje metod posuzování bezpečnosti a spolehlivosti. Zejména to platí pro oblast malých letadel všeobecného letectví (General Aviation), u kterých nebyly komplikované analýzy spolehlivosti v minulosti běžné. V dnešní době již požadavky na spolehlivost tvoří nedílnou součást leteckých předpisů. Tento trend je možné pozorovat celosvětově. Vzhledem k tomu, že tento typ letounů je typický pro český letecký průmysl, je nutné věnovat se této problematice (s přihlédnutím k omezením a specifickým potřebám této kategorie letadel). Praktické řešení problematiky spolehlivosti u letadel všeobecného letectví navazuje na zkušenosti domácích průmyslových podniků, výzkumných institucí a univerzit s analýzami pro dopravní letouny a vojenské letouny. Avšak díky odlišným požadavkům a vývoji moderních soustav letadel bylo třeba modifikovat a rozšířit dříve běžně používané postupy. Letecký ústav (Fakulty strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně) zachytil trend rozvoje analýz spolehlivosti v oblasti letadel. Na půdě ústavu jsou řešeny praktické aplikace zajištění bezpečnosti a spolehlivosti u letounů navrhovaných podle předpisu CS-23 (resp. FAR-23), ale i v dalších oblastech včetně kosmických aplikací. Vybavení pracoviště umožnilo spolupráci na významných domácích průmyslových projektech, zejména na vývoji malého sportovního letounu VUT100 a malého dopravního letounu EV-55. Aktivity ve spolehlivosti letadlové techniky umožnily i spolupráci na projektu mikroakcelerometru pro kosmické využití. Ačkoliv tato aktivita nepatří mezi základní oblasti zájmu práce, některé závěry byly pro umožnění širšího přehledu o problematice zahrnuty do práce. Možnost porovnání leteckých a kosmických aplikací je v našich podmínkách svým způsobem unikátní Cíle práce Cíle práce byly voleny tak, aby především respektovaly potřeby domácího leteckého průmyslu a zapojení do evropských výzkumných aktivit. Výsledkem je struktura, která pokrývá zabezpečení celé řady problémů souvisejících se zajištěním bezpečnosti a spolehlivosti letadlové techniky. Hlavní cíle lze popsat následovně: Vytvoření pracoviště pro řešení problematiky zabezpečení spolehlivosti letadlové techniky. Vzhledem k aktuální potřebě značně rozsáhlého řešení problematiky spolehlivosti u malých letadel je vybudování zázemí nutně důležitou součástí cílů prací v tomto oboru. Výběr a sumarizace předpisů a souvisejících dokumentů pro oblast letadlové techniky (se zaměřením na letouny všeobecného letectví (General Aviation) typické pro domácí letecký průmysl. Rozpracování metodiky posuzování spolehlivosti soustav letadlové techniky v celém procesu návrhu letadla (se zaměřením na letouny kategorie tzv. všeobecného letectví General Aviation). Důraz bude kladen na proces certifikace letounu. Praktické aplikace vypracovaných postupů na konkrétní případy řešení (podpora domácích průmyslových projektů). Vytvoření obecnějších závěrů o úrovni spolehlivosti jednotlivých prvků letadel poskytujících podklady pro další zlepšování parametrů spolehlivosti u sledovaných aplikací. Tvorba nástrojů pro podporu řešení v této oblasti. 6

8 2. HISTORICKÝ ÚVOD DO PROBLEMATIKY 2.1. Celosvětový vývoj Spolehlivost technických zařízení tvoří v dnešní době samostatný vědní obor. V porovnání s jinými obory jde o poměrně mladou vědní disciplínu. Její rozvoj je často datován do období 2. světové války a do let po jejím skončení. Jako období vzniku tohoto oboru lze také v literatuře nalézt padesátá léta 20. století. Obor jako takový je dnes využíván v mnoha průmyslových odvětvích. V minulosti byly však jako primární oblasti jeho využití uváděny zejména: kosmonautika, letectví, jaderný průmysl a chemický průmysl. Práce se zaměřuje na zajištění bezpečnosti a spolehlivosti v oblasti letadlové techniky (a částečně v oblasti kosmických aplikací). Období před 2. světovou válkou se v letectví vyznačuje deterministickým přístupem ke spolehlivosti. V praxi je propracován systém používající při návrhu předepsané součinitele bezpečnosti stanovené v předpisech na základě předchozích zkušeností či analýz. Tento systém zavádí do konstrukcí určitou dávku spolehlivosti ověřovanou např. v případě pevnostního dimenzování statickými pevnostními zkouškami. Jde však zatím o příliš jednoduchý systém, který navíc nutně vede k předimenzování konstrukce (ve většině případů, ale ne vždy) a nerespektuje degradační procesy vyskytující se v čase. Mezi další nevýhody patří omezený soubor konstrukčních prvků, pro které jsou tyto požadavky na základě zkušeností zpracovány (křídlo, trup, ). Pro letadla své doby bylo možné do značné míry považovat tento systém za vyhovující vzhledem k jednoduchosti těchto letounů (většina letadel měla obdobnou strukturu sestávající z křídla, trupu, ocasních ploch, podvozku, pohonné jednotky a jednoduchého mechanického systému řízení). Relativně malá složitost a různorodost těchto základních prvků letadel umožnila vypracování požadavků pro všechny tyto soustavy. Tento přístup se díky své jednoduchosti částečně udržuje až do dnešních dnů (např. v požadavcích na certifikaci podle různých předpisů včetně FAR a CS). Zejména to platí pro malé letouny, kde je jednoduchost rozhodujícím kritériem. Pokusy o přímé řešení spolehlivosti se v tomto období objevují pouze ojediněle. Nejvýznamnější z nich je práce Pugsleyho z roku 1939 (London's Aeronautical Research Council), ve které se objevil požadavek, aby u všech poruchových stavů končících nehodou nepřekročila pravděpodobnost jejich nastoupení hodnotu za hodinu a hodnotu za hodinu ze strukturálních příčin. To byl jeden z prvních požadavků na bezpečnost letadlové techniky. Po skončení 2. světové války byla metodika návrhu letadel z předchozího období doplněna o únavové zkoušky na základě zkušeností z katastrofických událostí. V oblasti letectví byly popudem zejména známé nehody prvních proudových dopravních letounů dehavilland Comet. I když se zde zavádí vliv degradačních procesů v čase, jde v podstatě o vylepšení metody popsané v kapitole Jistý zlom nastává v souvislosti s rozvojem civilního letectví po 2. světové válce. Vzhledem k rostoucí komplikovanosti nově stavěných letounů se začíná projevovat snaha o nalezení obecně platných zásad, které by bylo možné aplikovat při posuzování úrovně spolehlivosti. Zároveň dochází k rozvoji spolehlivosti i v jiných oblastech. Prvotním stimulem je zejména nástup složitých elektronických systémů ve vojenské oblasti a následné založení skupiny AGREE (Advisory Group on Reliability of Electronic Equipment) v USA. Další oblastí rozvoje spolehlivosti byla oblast atomové energetiky. Obecné požadavky na úroveň spolehlivosti letadel byly v rámci předpisů nejprve zahrnuty v kategorii dopravních letounů, která se vždy projevuje nejsilnějšími tlaky na zvýšení bezpečnosti přepravy. Příkladem může být předpis FAR-25 [ 1 ]. Letouny této kategorie jsou navíc z technického hlediska nejkomplikovanější. S vývojem složitějších avionických soustav, ale také složitějších palivových soustav, hydraulických soustav řízení a dalších se stávalo nemožným postihnout všechny možné typy těchto zařízení v předpisech klasickými postupy (metodika výpočtu zatížení, koeficienty bezpečnosti, ). Tento fakt vedl ke snahám o kvantifikaci požadované míry spolehlivosti letadel a jejich jednotlivých soustav. Na základě podrobného rozboru havárií a jejich příčin byly stanoveny 7

9 hodnoty přípustných pravděpodobností selhání systémů (podle jejich důležitosti) na 1 hodinu letu. Např. podle již zmíněného předpisu FAR-25 by pravděpodobnost vzniku události s katastrofickými důsledky neměla převýšit za 1 hodinu letu (pod pojmem událost mohou být chápány jednotlivá selhání). Tato forma stanovení požadavků na spolehlivost v leteckých předpisech byla dále rozvíjena a v podstatě se udržuje až do dnešních dnů. V oblasti menších letounů došlo k aplikaci obdobného postupu, avšak s určitým časovým odstupem. Důvodem bylo opět zejména zavádění složitých avionických soustav, které umožňovaly lety za zhoršených povětrnostních podmínek. Tyto soustavy pak mají často charakter kritických systémů (zejména právě při zhoršených povětrnostních podmínkách). V této kategorii se požadavky na zajištění určité úrovně spolehlivosti začínají objevovat ve druhé polovině 60. let. Je patrné, že v tomto období je spolehlivost ve své základní podobě využívána zejména ke snížení rizika vzniku katastrofické události. Je to také období vývoje metod posuzování spolehlivosti. Část metod byla přitom vyvinuta nebo poprvé použita přímo leteckým či kosmickým průmyslem a institucemi jako je americká NASA (šlo například o FTA-Bell 1962, FMEA-NASA šedesátá léta [2], [3]). Zejména v kosmickém průmyslu, kde vznikaly nebývale složité a nákladné systémy, bylo třeba alespoň částečně redukovat rizika. Navíc neexistence jakýchkoliv provozních zkušeností ještě znásobovala potřebu důkladné a systematické analýzy těchto systémů včetně spolehlivostní analýzy Domácí vývoj V České republice je v současnosti spolehlivost letadlové techniky řešena zejména ve společnosti Aero Vodochody, a. s. a až do 90. let byla rovněž řešena v LET Kunovice (s pomocí pracovníků Vojenské akademie v Brně). Poměrně nově se řešením této problematiky zabývá rovněž společnost EVEKTOR-Aerotechnik, a. s. Mezi hlavní typy letadel, při jejichž návrhu byly použity analýzy bezpečnosti a spolehlivosti, patří Let L-410UVP-E, L-610, Aero Ae-270, L-159, Evektor VUT100 a nově vyvíjený EV55. V omezené podobě je pro aplikace v letectví také řešena v rámci Výzkumného a zkušebního leteckého ústavu, a. s. (VZLÚ) v Praze a v Ústavu jaderného výzkumu (ÚJV) v Řeži Současný stav Po vypracování postupů zajištění bezpečnosti (historie popsána výše) nabývá na významu aplikace metod analýz spolehlivosti rovněž při posuzování provozních nákladů. Tyto aplikace se objevují i v oblastech ne zcela typických, např. v oblasti vojenských letadel. V praxi se tyto snahy projevují ve schopnosti výrobců garantovat zákazníkům (ať už vojenským nebo civilním) kalkulace nákladů na celý životní cyklus letadla a s tím související parametry (provozuschopnost celého letounu, počty náhradních dílů,...). Oproti předchozímu období je tedy toto období charakteristické zvýšeným využitím analýz spolehlivosti opravitelných systémů. Tento trend bude pravděpodobně dále pokračovat a jeho využívání začne citelněji zasahovat i do kategorií menších letounů. Lze předpokládat i lepší podporu ze strany výrobců jednotlivých komponent, kteří jsou tlačeni k přebírání a dodržování parametrů jakosti (přičemž spolehlivost lze považovat za subvlastnost jakosti) je tedy možné očekávat více výrobků, u kterých budeme znát číselné hodnoty parametrů spolehlivosti. 8

10 3. POŽADAVKY PŘEDPISŮ 3.1. Požadavky předpisů na zajištění spolehlivosti v oblasti letadel Požadavky na spolehlivost se do předpisů pro stavbu a provoz civilních letadel dostávají v 60. letech 20. století. V USA jsou tyto požadavky zahrnuty do předpisů FAR (za jejich udržování a aktualizaci odpovídá FAA). Kvantitativní požadavky na spolehlivost jsou zde navrženy na základě analýz nehod. Jako první byly tyto požadavky zpracovány pro dopravní letouny (předpis FAR-25 [1]), později se dostaly i do oblasti letadel GA (předpis FAR-23 [4]) a vrtulníků (FAR-27 [5] a FAR-29 [6]). V Sovětském svazu se požadavky na spolehlivost dostaly do předpisů NLGS v podobě blízké požadavkům předpisů FAR (včetně kvantitativních požadavků). V současné Ruské federaci platí předpisy AP, které odpovídají předpisům FAR. V Evropě dosud platné předpisy JAR (za jejich udržování a aktualizaci odpovídala JAA) byly kompatibilní s předpisy FAR včetně pasáží věnovaných požadavkům na spolehlivost. V současnosti pak v Evropě probíhá přechod od předpisů JAR na předpisy CS (za které odpovídá agentura EASA), které přebírají požadavky JAR (v práci je již používáno značení CS). Předpisy vytvářené FAA (resp. EASA) zahrnují kromě požadavků aplikovaných v průběhu návrhu a certifikace také požadavky, které souvisejí se zajištěním spolehlivosti v průběhu provozu. Jako standard v této oblasti bývá často citován dokument MSG-3 [7]. V oblasti ultralehkých a velmi lehkých letadel se obvykle přímé požadavky na spolehlivost neudávají. Požadavky na vojenské letouny jsou obsaženy ve vojenských standardech. Tato problematika je mimo rozsah předkládané práce. Obr. 3.1 Z-142C (typický GA letoun) Požadavky na spolehlivost se v předpisech objevují pro soustavy a instalace letadel. Ostatní části letadel jsou řešeny pomocí odlišných požadavků. Požadavky na bezpečnost a spolehlivost jsou v předpisech letové způsobilosti zahrnuty zejména v následujících odstavcích uvedených v tab Detailní rozbor požadavků předpisů je v plném znění práce. Tab. 3.1 Požadavky na bezpečnost a spolehlivost letadlové techniky USA Evropa Předpis Odstavec Související dokument Poznámka FAR AC Normal, Utility, Aerobatic and Commuter Category Aircraft FAR AC Transport Category Aircraft FAR AC 27-1B Normal Category Rotorcraft FAR AC 29-2C Transport Category Rotorcraft CS Normal, Utility, Aerobatic and Commuter Category Aeroplanes CS AMJ Large Aeroplanes CS Small Rotorcraft CS Large Rotorcraft 9

11 3.2. Různé přístupy k návrhu mechanických prvků a soustav letadel V současnosti je při návrhu letadel používána směs přímých (deterministických) požadavků a spolehlivostních požadavků. Základní prvky konstrukce letounu (např. konstrukce křídla, trupu, ocasních ploch, ) jsou navrhovány na základě přímých požadavků předpisů. V takovém případě předpis předepíše postupy pro výpočet (včetně koeficientů bezpečnosti). Následně jsou tyto prvky podrobovány sérii statických a únavových zkoušek, které mají za úkol ověřit správnost návrhu před vlastním povolením provozu. Na základě historických zkušeností pak považujeme takto navržené prvky za dostatečně spolehlivé. Úroveň spolehlivosti těchto prvků se nekvantifikuje (neprovádějí se žádné odhady úrovně spolehlivosti). Tento systém návrhu umožňuje výrazně zjednodušit a zlevnit proces návrhu a certifikace letadel. Soustavy a instalace letadel jsou podrobovány analýzám spolehlivosti, které mají za úkol zajistit dostatečnou míru bezpečnosti. U těchto prvků již není možné aplikovat přímé požadavky vzhledem k velké variabilitě v provedení a provozních parametrech. Požadavky na spolehlivost soustav a instalací jsou součástí předpisů. V provozu je pak sledován vývoj ukazatelů spolehlivosti jednotlivých prvků a soustav. Zpřesněné ukazatele spolehlivosti z provozu jsou pak analyzovány a porovnávány s návrhovými odhady. V této souvislosti nutně vyvstává otázka skutečné úrovně spolehlivosti těchto prvků. Kvantitativní vyjádření úrovně spolehlivosti se u těchto prvků neprovádí. Jediným vodítkem jsou analýzy historických dat týkajících se nehodovosti, které provádějí jednotlivé letecké úřady. Na jejich základě jsou zapracovávány změny do předpisů a posuzuje se konzistence předpisů. Výsledky těchto analýz naznačují, že požadavky na úroveň spolehlivosti soustav a instalací mírně převyšují úroveň spolehlivosti mechanických prvků konstrukce letadel. Struktura požadavků na mechanické prvky nemusí vždy nutně zaručovat vysokou úroveň jejich spolehlivosti. Existuje tedy prostor pro hledání postupů vhodných k posouzení reálně vestavěné úrovně spolehlivosti u nových letounů zaváděných do provozu. Zejména v oblasti letadel GA není tato problematika propracovaná. Zmiňovanému tématu se bude věnovat kapitola Požadavky předpisů v oblasti kosmických aplikací K důsledné aplikaci analýz spolehlivosti v oblasti kosmických aplikací nutí konstruktéry jak velká finanční náročnost těchto systémů, tak i nutnost jít až na hranici možností materiálů a technologií. V takovém případě je nutné používat co nejpřesnější vstupy a připustit i určitou přesně vykalkulovanou míru rizika. Některé ze základních metod používaných při analýzách spolehlivosti vznikly pro potřeby kosmického programu (např. FMEA). V práci jsou demonstrovány postupy na základě požadavků Evropské kosmické agentury (ESA). Jako příklad požadavků na kosmickou techniku mohou být uvedeny dokumenty vydané ECSS (European Cooperation for Space Standardization), a to: ECSS-Q-40B Space Product Assurance Safety [8]. ECSS-Q-30B Space Product Assurance: Dependability [9]. ECSS-Q-30-02A Space Product Assurance Failure Modes, Effects and Criticality Analysis [10]. Dokumenty popisují požadavky a postupy zabezpečení požadované úrovně spolehlivosti kosmických prostředků. 10

12 4. NÁSTROJE PRO ŘEŠENÍ SPOLEHLIVOSTI Nástroje pro řešení úloh ze spolehlivosti lze rozdělit na obecné matematické nástroje a úzce zaměřené analýzy pro zajištění bezpečnosti a spolehlivosti technických systémů. Obecné matematické nástroje zahrnují definice základních matematických pojmů, pravidla pro operace s jevy, Booleovu algebru, pravděpodobnostní počet a teorii náhodných proměnných. Tyto nástroje tvoří základy pro aplikaci pokročilých prediktivních analýz spolehlivosti. Rovněž umožňují přijatelným způsobem popsat stochastické chování reálných technických systémů. Vybrané analýzy pro zajištění bezpečnosti a spolehlivosti jsou detailně rozepsány v plném textu práce. Důraz byl kladen zejména prediktivní analýzy neopravovaných systémů, které jsou kritické pro zajištění bezpečnosti letadel. Zahrnuty byly: Rozbor funkčních rizik (FHA Functional Hazard Assessment). Analýza druhů poruchových stavů a jejich důsledků (FMEA Failure Modes and Effects Analysis). Analýza druhů, důsledků a kritičnosti poruchových stavů (FMECA Failure Modes, Effects and Criticality Analysis). Blokové diagramy bezporuchovosti (RBD Reliability Block Diagrams). Stromy poruchových stavů (FTA Fault Tree Analysis). Analýza prostorů stavů (SSM State Space Method). Analýza společných příčin (CCA Common Cause Analysis) včetně příslušejících nástrojů: - Rozbor zonální bezpečnosti (ZSA Zonal Safety Analysis); - Rozbor konkrétních rizik (PRA Particular Risk Analysis); - Rozbor společných způsobů (CMA Common Mode Analysis). Terminologie použitá v práci je založená na normách ČSN IEC 50(191) [11]. Na prediktivní analýzy navazuje vyhodnocení provozních dat a dat ze zkoušek (všude tam, kde nejsou dostatečně věrohodná vstupní data nebo je třeba ověřit v průběhu provozu výrobku odhady provedené ve fázi návrhu). Existuje celá řada matematických nástrojů a postupů vyhodnocení dat. Jejich souhrn přesahuje možnosti práce a je i mimo primární zaměření práce. Částečně je problematika řešena v kapitole 7 Softwarový nástroj pro vyhodnocení dat ze zkoušek a provozních dat. Dále byly metody vyhodnocení datových souborů použity v kapitole 8 Porovnání požadavků na soustavy a mechanické prvky letadel. 11

13 5. VYTVOŘENÍ PRACOVIŠTĚ PRO ŘEŠENÍ SPOLEHLIVOSTI Historické počátky výuky spolehlivosti jako samostatné disciplíny na Leteckém ústavu FSI VUT v Brně položili externí specialisté z Vojenské akademie v Brně (prof. Holub a prof. Vintr). V této době sloužila výuka spolehlivosti především jako teoretická báze pro výchovu mladých odborníků. V současné podobě již jde o zavedený obor úzce navázaný na letecký průmysl (k rozvoji vedly mimo jiné rovněž rostoucí požadavky ze strany leteckého průmyslu na použití složitých moderních soustav i v letadlech nižších kategorií). Na Leteckém ústavu FSI VUT v Brně se již v době mého doktorského studia podařilo vytvořit zázemí pro řešení této problematiky. Významnou pomocí při tvorbě zázemí byla účast na řešení grantu Centrum leteckého a kosmického výzkumu (centra, které sdružuje hlavní instituce zabývající se výzkumem v ČR). Rozvoj této oblasti na Leteckém ústavu (LÚ) poté dále pokračoval. V současnosti je již LÚ pevně zapojen do řešení problematiky bezpečnosti a spolehlivosti ve většině nosných projektů leteckého průmyslu. Kapitola 6 uvádí přehled hlavních výstupů prací prováděných zejména pro tyto projekty (prezentované výstupy jsou pouze částí aktivit v rámci spolupráce s průmyslem). Pevné zakotvení oblasti spolehlivosti na Leteckém ústavu dokazují i 2 doktorská témata vypsaná pro tuto oblast. Šlo o témata: 1) METODY ANALÝZY SPOLEHLIVOSTNÍCH DAT Z PROVOZU A ZKOUŠEK LETADEL, v oboru Konstrukční a procesní inženýrství. 2) SPOLEHLIVOST PŘÍSTROJOVÉHO VYBAVENÍ LETADEL, v oboru Konstrukční a procesní inženýrství. Dalším doktorským tématem, které se prolíná s oblastí spolehlivosti, jsou Metody stanovení rozsahu a periodicity údržby letadel/letadlových celků. V rámci tohoto tématu jsou aplikovány zásady údržby zaměřené na bezporuchovost (RCM) opět s praktickými výstupy ve spolupráci s průmyslem. Pro zajištění odpovídajícího zázemí se podařily nákupy softwarových nástrojů, databází spolehlivosti a literatury z oblasti spolehlivosti. Výběr prostředků, které jsou v současnosti k dispozici na pracovištích Leteckého ústavu, je uveden v tab Za omezenou dobu trvání si pracoviště našlo uplatnění zejména ve spolupráci s průmyslem. Tato spolupráce probíhala k oboustranné spokojenosti a vyústila v požadavky na další spolupráci ze strany průmyslu. Souhrn praktických aplikací prováděných ve spolupráci s průmyslem je uvedený v kapitole 6. Mimo spolupráce na vývoji nových soustav byly prostředky pracoviště využity rovněž při analýzách pro účely vyšetřování leteckých nehod. Zázemí rovněž umožnilo účast na projektech EU v oblasti spolehlivosti letadlové techniky (viz kapitola 6.1.4). 12

14 Tab. 5.1 Výběr prostředků pro řešení problematiky spolehlivosti Software pro vyhodnocení zkoušek spolehlivosti / provozních dat Reliasoft Weibull++ 6 Reliasoft RGA 6 Zkoušky spolehlivosti (vlastní software LÚ) Software pro analýzy spolehlivosti / odhady parametrů spolehlivosti RAC PRISM RAC NPRD-95C (RAC Automated Databook) RAC FMD-97 (RAC Automated Databook) RELEX Prediction Module + Part libraries NSWC MechRel (odhady bezporuchovosti mechanických prvků) Reliasoft BlockSim6.2 FTI (řešení pomocí RBD a FTA) RELEX Markov (State Space Method/Markovovy řetězce) Databáze bezporuchovosti prvků, standardy pro odhad úrovně spolehlivosti prvků - MIL-HDBK-217F Reliability Prediction of Electronic Equipment, US Department of Defense, Washington DC 20301, 2/1991, 205 str. - RAC PRISM v1.5, Reliability Analysis Center, US Department of Defense, Rome New York, NSWC 98/LE1 Handbook of Reliability Prediction Procedures for Mechanical Equipment, Naval Surface Warfare Center, US Department of Defense, 5/1992, 264 str. - NPRD-95C Non-Electronic Parts Reliability Database, IIT Research Institute Reliability Analysis Center, Rome, New York, FMD-97 Failure Mode / Mechanism Distributions, IIT Research Institute Reliability Analysis Center, Rome, New York, NONOP-1 Nonoperating Reliability Databook, IIT Research Institute Reliability Analysis Center, Rome, New York, RELEX Part Libraries, (elektronické prvky od AMD, Analog Devices, AVX, Bourns, Cypress, Dallas Semiconductor, Fairchild, Harris Semiconductor, Hitachi, Infineon, Intel, International Rectifier, Kemet, KOA Speer, Microsemi, Motorola, Murata, National Semiconductor, Panasonic, Philips, ST Microelectronics, Texas Instruments, Toshiba, Vishay, Xilinx) parts - RELEX Telcordia SR-332 (Bellcore) - Chinese GJB/Z 299B: Reliability Prediction Model For Electronic Equipment, květen 2001 Mimo vyjmenované prostředky byly na Letecký ústav zakoupeny také základní literatura a normy z oboru spolehlivosti, které jsou k dispozici studentům FSI VUT v Brně. V oblasti pedagogické je možné díky tomuto vybavení zajišťovat výuku v oblasti spolehlivosti letadlové techniky a pořádání kurzů. Seznam pedagogických aktivit zajišťovaných s využitím pracoviště: Výuka v předmětu Spolehlivost letadlové techniky v magisterských studijních oborech. Kurzy ECADS zajištění části věnované vybavení letadel. Kurz Moderní výpočtové metody část věnovaná spolehlivosti. Jde o kurz pořádaný pro pracovníky Úřadu pro civilní letectví. Další kurzy pořádané jednorázově pro domácí i zahraniční studenty. Vybavení pracoviště umožnilo i rozběh vlastních výzkumných aktivit směřovaných do vyhodnocení a porovnání úrovně spolehlivosti mechanických částí konstrukcí letadel vůči požadavkům na bezporuchovost soustav letadel. V tomto případě jde pouze o počátek (rozběh) další výzkumné činnosti v této oblasti. To dokazují i řešená témata disertačních prací studentů doktorského studia. 13

15 6. PRAKTICKÉ APLIKACE 6.1. Zajištění bezp. a spolehlivosti letadlové techniky Způsob zpracování a rozsah analýz spolehlivosti pro účely návrhu a certifikace jsou do značné míry dány požadavky patřičných předpisů (v tomto případě bude pozornost zaměřena na malé letouny navrhované podle předpisu FAR-23, resp. CS-23). V kategorii letadel GA (General Aviation) jsme svědky zavádění neustále nových a komplikovanějších avionických soustav pro provoz za ztížených povětrnostních podmínek a v noci. Kromě toho se nové soustavy vyznačují větší mírou integrace s důrazem kladeným na nízké pracovní zatížení posádky. Tam, kde byly dříve obvyklé pouze základní přístroje pro lety VFR (Visual Flight Rules), jsou dnes stále častější systémy, které umožňují lety IFR (Instrument Flight Rules) se zobrazením dat na multifunkčních displejích. Takové soustavy byly dříve obvyklé pouze u vyšších kategorií letadel (např. dopravních letounů typu Airbus či Boeing). V současnosti se však stále častěji objevují i u malých sportovních letounů kategorie GA. Jejich selhání již má závažné důsledky na bezpečnost letu. Z uvedených důvodů je často nutné přistoupit k provádění analýz spolehlivosti s ohledem na zajištění bezpečnosti provozu navrhovaných letadel. 14 Obr. 6.1 Příklad rostoucí složitosti soustav malých letadel - letoun VUT100 Cobra a jeho pokročilá avionická soustava

16 V kategorii menších letadel (mimo dopravní letouny) je řešení problematiky spolehlivosti do značné míry nové. Při aplikaci na tyto kategorie rovněž není možné jednoduše převzít metody vypracované původně pro velké letouny. Praktické analýzy bezpečnosti a spolehlivosti soustav letadel řešené (za účasti autora) na Leteckém ústavu zahrnují zejména: Hodnocení bezpečnosti a spolehlivosti systému elektrického napájení letounu VUT100 [20]. Hodnocení bezpečnosti a spolehlivosti systému elektrického napájení letounu VUT100 s jedním alternátorem [21]. Hodnocení bezpečnosti a spolehlivosti systému elektrického napájení letounu VUT100 se dvěma alternátory [22]. Hodnocení bezpečnosti a spolehlivosti Pitot-statického systému letounu VUT100 [23]. Hodnocení bezpečnosti a spolehlivosti systému ovládání pohonné jednotky letounu VUT100 [24]. Hodnocení bezpečnosti a spolehlivosti avionického elektronického systému letounu VUT100 [25]. Předběžné posouzení bezpečnosti a spolehlivosti systému ovládání vztlakových klapek letounu EV-55 [26]. Předběžné posouzení bezpečnosti a spolehlivosti elektrické soustavy letounu EV-55 [27]. Analýza spolehlivosti zajištění dílů letounu Straton D-8 MobyDick [28]. 15

17 6.2. Nekonvenční aplikace pro potřeby evropských výzkumných projektů Od vstupu ČR do Evropské unie se rovněž otevřel prostor pro účast českých partnerů v projektech EU. Letecký ústav FSI VUT v Brně se aktivně účastní několika projektů v oblasti letectví. Účast v těchto projektech přináší rovněž požadavky na využití postupů zajištění bezpečnosti a spolehlivosti v nekonvenčních aplikacích. Příkladem v současnosti běžících projektů mohou být ENFICA-FC a CESAR. ENFICA-FC ( Environmentally Friendly Inter City Aircraft Powered by Fuel Cells ) Projekt zaměřený na zástavbu vodíkových palivových článků do malého sportovního letounu. V tomto případě byl pro zástavbu vybrán letoun Rapid200 (dříve KP-2U). Mimo účasti na samotných strukturálních modifikacích letounu, zástavbě a nutných zkouškách je v tomto případě pochopitelně třeba věnovat velkou pozornost také otázkám bezpečnosti a zporuchovosti nekonvenčního pohonu. Vodíkové palivové články chemickou cestou přeměňují vodík na elektrickou energii použitou pro pohon letounu (pomocí elektromotoru). Vodík je při tom skladován na palubě letounu v tlakové nádobě. CESAR ( Cost Effective Small AiRcraft ) Projekt zaměřený na vývoj moderních návrhových postupů pro tzv. letouny všeobecného letectví (General Aviation GA). Součástí je i vývoj diagnostických zařízení pro sledování stavu vybraných soustav a strukturálních komponent. Pro tento účel se jeví jako přínosné provést rozbor intenzit poruch vybraných komponent a vyhodnotit přínos sledování jednotlivých diagnostických parametrů Zajištění bezpečnosti a spolehlivosti kosmické techniky V bývalém Československu existoval a nyní v České republice pokračuje vedle leteckého výzkumu i omezený kosmický výzkum (např. družice Magion apod.). V současné době se pozornost zaměřuje na vývoj mikroakcelerometrů pro kosmické použití. V rámci Centra leteckého a kosmického výzkumu Letecký ústav rovněž řešil analýzy bezpečnosti/bezporuchovosti mikroakcelerometru pro kosmické použití. Souběh řešení spolehlivosti leteckých a kosmických prostředků poskytuje unikátní příležitost k porovnání 2 neobyčejně zajímavých oblastí. V práci jsou prezentovány použité postupy a některé obecné závěry, které umožňují porovnat dosahované úrovně zajištění spolehlivosti v těchto 2 oblastech. Z řešených problémů je zřejmé, že zatímco letectví se pohybuje v oblasti přijatelné z hlediska běžných rizik vyplývajících z každodenních lidských činností, v případě kosmického programu jsou rizika podstatně vyšší. Nicméně v obou oborech je možné aplikovat obdobné postupy pro zajištění bezpečnosti a spolehlivosti (FMEA, RBD atd.). Rovněž struktura požadavků předpisů a nařízení je obdobná a čitelná pro odborníky z obou oblastí. V případě kosmických aplikací lze však vždy očekávat omezené vstupní informace a větší tlak na provádění zkoušek. 16

18 7. SOFTWARE PRO VYHODNOCENÍ DAT ZE ZKOUŠEK A PROVOZNÍCH DAT Software: Zkoušky spolehlivosti Autor: Ing. Jiří Hlinka, Ph.D. Datum vzniku: 2004 Velikost: 7 MB (počet řádků zdrojového kódu: > ) Operační systém: Windows 95, Windows 98, Windows 2000, Windows XP Programovací prostředí: Borland Delphi V rámci aktivit Leteckého ústavu a Centra pro letecký a kosmický výzkum jsem vytvořil softwarovou aplikaci pro vyhodnocení dat získaných z provozu nebo zkoušek spolehlivosti. Cílem bylo poskytnout jednoduchý nástroj pro analýzu datových souborů s využitím uznávaných standardů a ouborů s extrémně malým rozsahem dat. Aplikace umožňuje odhady s využitím postupů uvedených v ČSN IEC [12]. Tyto postupy doplňuje o analýzu vývoje parametrů bezporuchovosti metodou AMSAA (U.S. Army Materiel Systems Analysis Activity) a možnost vyhodnocování souborů s extrémně malým rozsahem. Aplikace má jednoduché grafické rozhraní, které slouží k zadávání vstupních dat a zobrazení výstupů. V předkládané podobě jde o první verzi aplikace určené k ověření použitých postupů a dalšímu rozvoji. Obr. 7.1 Zadávací okno aplikace Vstupní data jsou zadávána podle zvoleného typu souboru (plánu zkoušky) a vybraného rozdělení pravděpodobnosti. Typy souborů, které aplikace umožňuje řešit, jsou uvedeny v tab Aplikace umožňuje: 1. Zadání vstupních dat v grafickém rozhraní nebo pomocí textového souboru. 2. Analýzu datových souborů s exponenciálním, Weibullovým a normálním rozdělením pravděpodobnosti pro různé plány zkoušek (viz tab. 7.1). 3. Provedení základních odhadů parametrů spolehlivosti u souborů s extrémně malým rozsahem (v tomto případě jde pouze o orientační odhady, které je třeba používat promyšleně). 4. U souborů s exponenciálním rozdělením pravděpodobnosti provádět analýzu vývoje parametrů bezporuchovosti AMSSA. 5. Rychlou kontrolu a analýzu výsledků v jednoduchém grafickém rozhraní. 17

19 Tab. 7.1 Možnosti aplikace Rozdělení pravděpodobnosti Exponenciální (Vhodné pro elektronické prvky a složité vysocespolehlivé systémy) Weibullovo (Používá se tam, kde se projevuje degradace vlastností s časem - např. únavové opotřebení) Normální (Vhodné pro velmi složité systémy bez převládajícího mechanismu poškození) Min. počet Plán zkoušky zadaných prvků [n,u,n] necenzurované soubory 1 [n,u,r] zkoušky n prvků bez náhrady 1 po poruše ukončené po r-té poruše [n,u,t] zkoušky n prvků bez náhrady 2 po poruše ukončené po čase T [n,r,r] zkoušky n prvků s náhradou po 2 poruše ukončené po r-té poruše [n,r,t] zkoušky n prvků s náhradou po 2 poruše ukončené po čase T [n,m,r] zkoušky n prvků s opravou po 2 poruše ukončené po r-té poruše [n,m,t] zkoušky n prvků s opravou po 2 poruše ukončené po čase T [n,u,n] necenzurované soubory 1 [n,u,r] zkoušky n prvků bez náhrady 2 po poruše ukončené po r-té poruše [n,u,t] zkoušky n prvků bez náhrady 2 po poruše ukončené po čase T [n,u,n] necenzurované soubory 2 [n,u,r] zkoušky n prvků bez náhrady 2 po poruše ukončené po r-té poruše [n,u,t] zkoušky n prvků bez náhrady 2 po poruše ukončené po čase T Výstupy - odhad základních parametrů rozdělení (včetně intervalů konfidence) - histogram relativních četností - průběh distribuční funkce - průběh funkce hustoty pravděp. - průběh funkce intenzity poruch - odhad pohotovosti - analýza AMSAA (včetně grafických výstupů) - odhad základních parametrů rozdělení (včetně intervalů konfidence) - histogram relativních četností - průběh distribuční funkce - průběh funkce hustoty pravděp. - průběh funkce intenzity poruch - Weibull Probability Plot - odhad základních parametrů rozdělení (včetně intervalů konfidence) - histogram relativních četností - průběh distribuční funkce - průběh funkce hustoty pravděp. - průběh funkce intenzity poruch - Normal Probability Plot Ukázky grafického rozhraní aplikace a některých typů výstupů jsou na obr. 7.1 a 7.2. (a) (b) (c) Obr. 7.3 Grafické výstupy souborů bez rozdělení do více intervalů (a) Weibullův pravděpod. papír, (b) Hustota pravděpodobnosti, (c) Histogram relativních četností, (d) Funkce pohotovosti (d) 18

20 8. POROVNÁNÍ POŽADAVKŮ NA SOUSTAVY A MECHANICKÉ PRVKY LETADEL Cílem práce v oblasti porovnání požadavků na soustavy a mechanické prvky letadel je lepší pochopení dosahované úrovně spolehlivosti mechanických komponent navrhovaných zavedenými postupy. To umožňuje udržet si nadhled při zajištění bezporuchovosti soustav. V kapitolách 2 a 3 byl podrobněji rozebrán historický vývoj a současný stav v oblasti návrhu a certifikace letadel (zejména s ohledem na předpisy FAR, které byly v tomto oboru hybnou silou). Z tohoto shrnutí vyplývá, že požadavky na spolehlivost jsou vypracovány pro soustavy a instalace letadel. Mechanické prvky konstrukce letadel, jako např. konstrukce křídla či trupu, jsou navrhovány podle deterministických požadavků (viz kapitola 3.2). To znamená, že předpis předepíše postupy pro výpočet těchto částí. Konstruktér pak podle těchto postupů stanoví zatížení, které působí na daný prvek. Poté toto provozní zatížení vynásobí (zvýší) koeficientem bezpečnosti a na výsledné početní zatížení dimenzuje konstrukci. Obdobně řeší únavové chování navrhované konstrukce. Následně jsou tyto prvky podrobovány sérii statických a únavových zkoušek, které mají za úkol ověřit správnost návrhu před vlastním povolením provozu. Při aplikaci uvedených postupů automaticky vzniká otázka: Jaká je skutečná úroveň spolehlivosti u takto navrhovaných prvků konstrukce? Je tato úroveň spolehlivosti srovnatelná se soustavami a instalacemi (u kterých předpis udává konkrétní požadavky na požadovanou úroveň spolehlivosti)? V minulosti byly tyto otázky řešeny analýzou nehodovosti u letadel různých kategorií. Závěrem bylo konstatování, že požadovaná úroveň spolehlivosti soustav a instalací byla nastavena tak, aby byla mírně vyšší, než je obvyklé u ostatních prvků. Dodržení postupů návrhu mechanických prvků konstrukce letadla však nemusí vždy zaručovat vysokou úroveň spolehlivosti těchto prvků. Důkazem je neustálý vývoj požadavků předpisů, který odráží provozní zkušenosti. Navíc tyto postupy vedou nutně k většímu či menšímu předimenzování konstrukce. V práci jsou blíže rozebírány následující přístupy k odhadu parametrů spolehlivosti: 8.1. Aplikace interferenční teorie spolehlivosti (odhad bezporuchovosti ve fázi návrhu) Vyhodnocení parametrů spolehlivosti ze zkoušek mechanických prvků prováděných v průběhu návrhu a certifikace (reálná úroveň spolehlivosti nově navržených letadel) Aplikace standardních nástrojů prediktivní analýzy (obdobné postupy jako v kapitole 6). Účelem této kapitoly jsou obecnější závěry o možnostech analýzy spolehlivosti mechanických prvků a o úrovni spolehlivosti mechanických prvků letadel. Závěry by měly sloužit jako základ pro rozhodování o dalším směřování v této oblasti v rámci LÚ. 19

21 8.1. Aplikace interferenční teorie spolehlivosti Interferenční teorie spolehlivosti umožňuje odhad bezporuchovosti (resp. pravděpodobnosti poruchy) u mechanických prvků na základě stochastických vlastností odolnosti materiálu a zatížení. V oučasné době existují dva hlavní modely interferenční teorie spolehlivosti: - statický (bez uvažování degradace odolnosti materiálu v čase); - dynamický (s uvažováním degradace odolnosti materiálu v čase) Statický model interference Možnosti modelu byly zkoumány na praktické aplikaci pro nosník křídla malého letounu. Výstupem řešení je statistický model chování nosníku křídla, viz obr Díky rozptylu vlastností materiálu (odolnosti) a rozptylu velikostí zatížení dochází v místě jejich překrytí k interferenci. Velikost této oblasti souvisí s pravděpodobností selhání prvku. Rozptyl odolnosti materiálu byl určen na základě zkoušek 90 vzorků daného materiálu (výsledky byly konfrontovány s daty výrobce materiálu). Zatížení bylo stanoveno na základě letových měření spekter zatížení letounů dané kategorie. Hustota pravděpodobnosti f(x 0,05 0,045 0,04 0,035 0,03 0,025 0,02 0,015 0,01 0,005 0 Zatížení Odolnost Napětí (MPa) Obr. 8.1 Statický model interference pro nosník křídla Při použití tohoto modelu je možné vyjádřit pravděpodobnost setrvání v bezporuchovém stavu následujícím vztahem (viz lit. [2]): ( S > L) = P[ ( S ) > 0] R = P L (8.1) Výsledná hodnota pravděpodobnosti selhání (vztažené na jednu letovou hodinu), která odpovídá praktické aplikaci pro situaci na obrázku 8.1, je: 5 Q = 1,5 10 Z výsledné hodnoty je vidět, že pravděpodobnost takové poruchy je velmi malá. Pro takovéto extrémně malé hodnoty není vyhovující ani přesnost modelu, tzn., že takové výsledky postrádají dostatečnou věrohodnost (přesnost se pohybuje spíše v řádech v okrajových oblastech je problematická platnost předpokladu o normálním rozdělení). Zajímavější bude rozšíření modelu i na degradační procesy v čase. 20

22 8.1.2 Dynamický model interference Podstata dynamického modelu je zřejmá z obr. 8.2, který rozšiřuje obr. 8.1 o časovou osu. Pro vstupy do interferenční teorie je třeba vytvořit model degradačního chování odolnosti materiálu v čase (byl uvažován únavový degradační proces). Řešení dynamického modelu interference v čase zahrnuje konstrukci Wöhlerovy křivky, aplikaci Minerova pravidla atd. Svým charakterem se tedy podobá únavovému vyhodnocení (v letectví aplikováno od 50. let minulého století). Toto únavové vyhodnocení pak slouží jako vstup do interferenční teorie. Použité postupy udává lit. [2]. Z obrázku 8.2 vyplývá, že oblast interference se s časem zvětšuje. Obr. 8.2 Dynamický model interference V tabulce 8.3 jsou zobrazeny odhady pravděpodobností poruchy (vztažené na letovou hodinu) v průběhu života letounu určené na základě popsaného modelu (pro výše zmíněný nosník křídla malého sportovního letounu). Podrobné řešení je popsáno v plném textu práce. Tab. 8.3 Výstupy z aplikace interferenční teorie spolehlivosti Pravděpodobnost poruchy (na 1 letovou hodinu) Pozn.: předpoklady: Počet nalétaných hodin , , , , ,155 - počet cyklů odpovídá počtu letových hodin - v průběhu života se rozptyl odolnosti ani namáhání nemění (problematické) I přes některé zjednodušení (prezentovaný model nebere v úvahu pravidelné prohlídky, ) lze vyvodit závěry o použitelnosti interferenční teorie spolehlivosti. 21

23 8.1.3 Závěry aplikace interferenční teorie Pro aplikaci interferenční teorie spolehlivosti byl jako typický prvek vybrán nosník křídla ultralehkého letounu. Na základě dostupných dat bylo možné provést odhad pravděpodobnosti selhání s použitím statického modelu interference odolnosti a namáhání (neuvažují se degradační procesy v materiálech konstrukce) a posléze i s použitím dynamického modelu interference odolnosti a namáhání (zahrnuje únavové degradační procesy v materiálech konstrukce). Z výsledků vyplývá, že vzhledem k extrémně nízkým přípustným hodnotám pravděpodobnosti selhání v letectví není vhodné použití interferenční teorie k dimenzování prvků (popř. odhadu parametrů spolehlivosti již navržených prvků) u klasických letadel s lidskou posádkou. Jako možné použití se však jeví stanovení intervalů údržby (je zde možnost prodloužení těchto intervalů na základě analýzy), které může potenciálně vést ke snížení provozních nákladů. Další možnost uplatnění je v oblastech, kde není třeba uvažovat degradaci v čase a selhání přímo neohrožuje lidské životy. Mezi takové oblasti mohou patřit kosmické nosiče družic nebo vojenské řízené střely. U těchto aplikací jsme často ochotni připustit vyšší míru rizika selhání výměnou za nižší hmotnost konstrukce. 22

24 8.2. Vyhodnocení parametrů spolehlivosti ze zkoušek Vyhodnocení parametrů spolehlivosti ze zkoušek mechanických prvků prováděných v průběhu návrhu a certifikace je jednou z možných cest, které mohou poskytnout více informací o těchto prvcích. Zkusme si položit otázku: Jaké hodnoty bezporuchovosti je výrobce letounu nucen prokázat provedením předepsaných zkoušek v průběhu certifikace letounu? Požadavky předpisu zejména na únavové zkoušky kritických částí letounu poskytují určitý základní materiál, kterého je možné se zachytit pro vyhodnocení bezporuchovosti daného prvku letounu Provedené únavové zkoušky V rámci Leteckého ústavu FSI VUT v Brně byly v letech 2002 a 2003 prováděny zkoušky vzorků části křídla podle požadavků předpisu JAR-VLA (max. vzletová hmotnost 750 kg) a motorového lože podle požadavků předpisu FAR-23. V obou případech bylo nutné aplikovat postupy pro vyhodnocení souborů s extrémně malým rozsahem hodnot. Za předpokladu, že lze přijmout některá zjednodušení, je možné vyhodnocení třemi způsoby. Zjednodušující předpoklady: 1. Převládající mechanismus poruchy bude únavová porucha (všechny ostatní mechanismy poruchy budou řádově méně pravděpodobné např. koroze, opotřebení, ). 2. Nejsou zahrnuty vlivy související s prováděním preventivních prohlídek a výměn jednotlivých prvků. Na základě rozboru používaných hodnot v oboru spolehlivosti byla při vyhodnocení stanovena úroveň konfidence (úrovně věrohodnosti výsledků) na 90 %. Při výpočtu konfidenčních intervalů bylo často využíváno rozdělení χ 2 (chí-kvadrát). Využití toho rozdělení pro určení konfidenčního intervalu bylo popsáno v lit. [13], [14] a obhajováno pro exponenciální rozdělení v [15]. Využití tohoto rozdělení upravuje i norma ČSN-IEC [12]. Únavové zkoušky vzorků křídla Vyhodnocení bylo provedeno třemi různými způsoby: 8.2.1a Vyhodnocení s uvažováním exponenciálního rozdělení podle ČSN IEC Odhad střední doby do poruchy pro vyhodnocovaný soubor je s 90% konfidencí 36017,7h µ , 7h (bodový odhad má hodnotu 85431,5h). Odpovídající rozsah 6 5 hodnot intenzit poruch pak je 2,08 10 λ 2,78 10 h -1 (bodový odhad má hodnotu 1, h -1 ) b Vyhodnocení s uvažováním Weibullova rozdělení s odhadem parametrů podle ČSN IEC Bodové odhady s využitím ČSN IEC poskytly parametr měřítka ˆ α =& h, parametr tvaru ˆ β = 1, 6 a odhad střední doby života E( x) = 93000h. Z ČSN bylo možné získat konfidenční intervaly (na úrovni spolehlivosti 90 %): ˆα =< 38575,6;285037, 4 > ˆβ =< 0,468;2, 58 > 23

25 8.2.1c S uvažováním Weibullova rozdělení s volbou parametru β Tento způsob vyhodnocení je převzat podle lit. [14]. Ta doporučuje volbu β pro mechanické prvky (soustavy) s převážně únavovým mechanismem poruchy v rozpětí β = 2 2,5. Vychází přitom z historických zkušeností s chováním materiálů. Jak již bylo řečeno, vychází tento způsob ze zjednodušení Weibullova rozdělení volbou parametru tvaru β. Tento postup opouští klasický matematický přístup k vyhodnocování statistických údajů a zavádí přístup, který by bylo možné nazvat jako inženýrský. Pokud navíc přihlédneme k výsledkům studie [16] (které tento předpoklad nevylučují), je možné zvolit β = 2. Pro sledovaný datový soubor se odhad parametru α s 90% konfidencí pohybuje v intervalu 58768,2h α , 6h (bodový odhad má hodnotu ,3h), odhad střední hodnoty je v intervalu 52082h µ , 8h (bodový odhad má hodnotu h). Porovnání výsledků z jednotlivých bodů je na obr Obr. 8.3 Intenzity poruch vzorků křídla 3,50E-05 3,00E-05 2,50E-05 intenzita poruch podle bodu 8.2.1a intenzita poruch podle bodu 8.2.1b Intenzita poruch podle bodu 8.2.1c l [1/h] 2,00E-05 1,50E-05 1,00E-05 5,00E-06 0,00E t[h] Je možné si všimnout, že s přibývajícím časem se odhady s použitím exponenciálního rozdělení mohou stát velmi optimistickými. Z tohoto důvodu není použití tohoto rozdělení pro popis mechanických prvků ideální (v tomto případě dosahují intenzity poruch podle Weibullova rozdělení hodnoty λ podle exponenciálního rozdělení po letových hodinách to je výrazně více než hodnoty běžných náletů malých sportovních letadel v průběhu životnosti). V praxi se přesto často používá pro nedostatek jiných dat (odhady založené na exponenciálním rozdělení jsou také často součástí spolehlivostních databází prvků). Rovněž vliv údržby bude v praxi chování reálných konstrukcí posouvat spíše k exponenciálnímu rozdělení. Únavová zkouška motorového lože Mezi další únavové zkoušky se vztahem k letounům všeobecného letectví prováděné na LÚ FSI VUT v Brně patřila únavová zkouška motorového lože letounu certifikovaného podle předpisu FAR- 23. Na základě požadavků předpisu požadoval výrobce únavovou zkoušku v době trvání ekvivalentu čtyřnásobku letových hodin oproti předpokládané životnosti letounu. Zkouška se prováděla na jediném kusu motorového lože. Pro motorové lože již bylo provedeno vyhodnocení pouze s uvažováním Weibullova rozdělení s odhadem parametru β. Opět bylo zvoleno β=2. Dále byla uvažována doba provozu letových hodin (požadavek na zkoušku byla tedy simulace ekvivalentu letových hodin). 24