حسگرهای هوشمند: تغییر روش‌های تعمیر و نگهداری

[1] و کلان داده[2] را به تازگی آغاز کرده‌ است. از این‌رو در آینده‌ای نزدیک شاهد ساخت هواپیماهایی با داده‌های بیشتر، حسگرهای هوشمند و سیستم‌های نظارتی جدید خواهیم بود. با افزایش تعداد حسگرهای در سطح هواپیما، سازندگان و صاحبان‌ هواپیما نظارت بهتر و دانش بیشتری از نحوه عملکرد اجزای آن خواهند داشت. امروزه این رویکردهای جدید برای بخش‌هایی از هواپیما مانند موتورها که آسیب‌پذیری بیشتری داشته آغاز شده است و به زودی شاهد نفوذ آن‌ها در سایر تجهیزات هواپیما و سپس بدنه نیز خواهیم بود.

افزودن حسگرهای هوشمند به تجهیزات هواپیما ایده جالبی برای جمع‌آوری اطلاعات وضعیت عملکرد آن‌ها است، اما ساخت چنین حسگرهایی با چالش‌هایی همراه است. طبق گفته آقای جیمز اوینگ مهندس ابزار دقیق، شرکت استرلاین در حال ساخت حسگرهایی برای اجزای مختلف هواپیما از جمله موتورها است که از لحاظ محیطی بیشترین آسیب را به حسگر وارد می‌کنند.

تولیدکنندگان تجهیزات اصلی موتور هواپیما برای افزایش بهره‌وری سوخت، فشار و درجه حرارت را افزایش می‌دهند. بنابراین شرکت‌های سازنده حسگر مانند استرلاین باید از محل نصب حسگرها اطمینان حاصل کنند، زیرا حسگرهایی که در قسمت‌های داغ موتور هستند آسیب بیشتری می‌بینند و به دلیل اینکه از مواد اولیه جدید خارجی و آلیاژهای گران‌ قیمت ساخته می‌شوند، آسیب‌ به آن‌ها بسیار هزینه‌بر خواهد بود.

با تغییر فناوری در مدل‌های جدید هواپیما، موتورها نیاز به حسگرهایی خواهند داشت که علاوه‌ بر بالا بودن کارایی و ایمنی، از معماری‌های جدید در سیستم کنترل دیجیتالی با اختیار کامل موتور ([3]FADEC) پشتیبانی کنند. آقای اوینگ پیش‌بینی می‌کند حسگرهای جدید موتور «دقت بیشتر، انحراف کمتر و عمر طولانی‌تر» داشته باشند. سازندگان موتور خواستار استفاده از حسگرهایی هستند که از مفهوم «نصب و فراموشی[4]» پیروی کنند؛ این مفهوم در دنیای الکترونیک به این معناست که مشتری پس از خرید و نصب حسگر، برای راه‌اندازی، روشن کردن، هدف‌یابی و تشخیص نیاز به عنصر و فعالیت دیگری نداشته و حسگر تمامی این فعالیت‌ها را به طور خودکار انجام دهد. به عبارت دیگر پس از نصب، مشتری حتی می‌تواند محل نصب آن را نیز فراموش کند. ساخت چنین حسگرهایی به سازندگان موتور کمک می‌کند تا بدون نیاز به تغییرات زیادی آن‌ها را به تعداد زیاد در محصولات خود استفاده کنند.

کاهش انحراف به معنای کاهش برخی از تمایلات حسگرها برای تنزل کارایی آن در طول زمان است. در واقع تغییرات فیزیکی ایجاد شده در طول زمان، باعث می‌شود کارایی حسگر کاهش یافته و مقادیر اندازه‌گیری شده توسط آن با مقادیر حقیقی تفاوت داشته باشد. به دلیل عدم دسترسی آسان به بسیاری از بخش‌های هواپیما و بخصوص موتورها، استفاده از حسگرهایی که از لحاظ فیزیکی تغییرات بسیار اندکی داشته باشند، ضروری خواهد بود. این تغییرات باید به حدی کم باشد که در طول مدت چند سال، میزان انحراف در خروجی حسگر قابل چشم‌پوشی باشد. عملکرد قابل اطمینان حسگرها اجازه می‌دهد موتورها تحت شرایط بسیار کارآمدتری عمل کنند، بدون اینکه خدمه تعمیر و نگهداری هواپیما از بروز خرابی کشف نشده بترسند.

حسگرها می‌توانند طیف وسیعی از پارامترهای موتور را نظارت کنند.

امروزه برخی از حسگرها که در بخش‌های داغ هواپیما نصب شده‌اند، لازم است در بازه‌های زمانی 5 یا 6 سال تعویض ‌شوند. هزینه‌های انجام چنین اصلاحاتی به ویژه برای موتورها به حدی بالاست که باعث می‌شود شرکت‌های هواپیمایی در سراسر جهان تمایل به طولانی شدن دوره چرخه‌های جایگزینی یا حذف کامل آن داشته باشند.

حسگرهای آینده

برای نظارت بر سیستم‌ها و تجهیزات هواپیماهای امروزی، حسگرهای سیمی رایج به کار گرفته می‌شود. اتصالات سیمی در این حسگرها علاوه بر افزودن حجم و وزن اضافی به هواپیما، خود نیز ممکن است دچار خرابی و اشکال شوند. در این صورت ممکن است بهره‌وری سیستم نظارتی نیز کاهش یابد. حسگرهای بی‌سیم راهکاری قابل توجه برای مقابله با این چالش هستند.

در حال حاضر حسگرهای بی‌سیم عمدتا برای آزمایش موتورهای در حال توسعه استفاده می‌شوند، یعنی زمانیکه نیاز به دریافت اطلاعات از تعداد زیادی نقطه باشد. در آینده به منظور کاهش وزن و فضای استفاده شده برای سیم‌کشی، حسگرها ممکن است داده را به صورت بی‌سیم حتی در شرایطی که موتورها عملیاتی و روشن هستند، منتقل کنند. حسگرهای بی‌سیم نیاز به انرژی زیاد یا منابع تامین انرژی محلی دارند. موتورها لرزش‌های قدرتمندی تولید می‌کنند و چالش این است که این ارتعاشات به انرژی قابل استفاده برای حسگرها تبدیل شود.

یکی دیگر از تغییرات ممکن استفاده از FADECهای توزیع شده است، به طوریکه حسگرها نیاز به اتصالات کوتاه‌تری خواهند داشت. رولز رویس در نظر دارد FADEC را به بخش‌های جداگانه تقسیم کند که در نهایت حجم سیم‌کشی مورد نیاز برای اتصال حسگرها کاهش پیدا کند.

آقای اوینگ انتظار دارد در آینده از حسگرها برای کاربردهای جدید استفاده شود. به عنوان مثال برای بررسی کارایی موتور، حسگرها می‌توانند فاصله بین تیغه‌های توربین را اندازه‌گیری کنند. در واقع شکاف (فاصله) بین نوک تیغه‌های موتور و قاب، میزان نشت هوا (تلفات هوا) و در نتیجه کارایی موتور را مشخص می‌کند. از دیگر کاربردهای حسگرها در موتور هواپیما می‌توان به اندازه‌گیری زمان چرخش تیغه‌های موتور اشاره کرد. تغییر در سرعت چرخش یا ارتعاش می‌تواند نشانه برخورد یک پرنده با موتور یا آسیب‌های جسم خارجی که باعث ایجاد خطر برای ایمنی هواپیما می‌شوند، باشد. همچنین آقای اوینگ معتقد است برای افزایش اعتماد به انرژی الکتریکی در هواپیماها، نیاز به حسگرهایی برای نظارت بر سلامت باتری‌ها خواهد بود.

پیش‌بینی می‌شود فناوری‌های جدید مانند حسگر‌ نوری یا حسگر موج‌های آکوستیک سطحی (SAW[5]) بتوانند پارامترهای جدیدی را برای نظارت، ارائه کنند. پدیده بال‌لرزه (flutter) یکی از عوامل ایجاد خرابی است که در هواگردهای امروزی به دلیل انعطاف‌پذیری بیشتر بال‌ها، به طور متناوب شاهد آن هستیم. استفاده از حسگرهای لرزشی می‌تواند میزان تاثیر این پدیده‌ را اندازه‌گیری کرده و مقادیر را برای سیستم نظارت بر سلامت هواپیما ارسال کند. در سال‌های دور، از کرنش‌سنج‌ها (strain gauges) برای اندازه‌گیری تاثیر این پدیده استفاده ‌می‌شد، اما در سال‌های اخیر حسگرهای MEMS به دلیل دقت بهتر و اندازه کمتر جایگزین آن‌ها شدند. اخیرا ناسا در یک پروژه اقدام به بررسی استفاده از حسگرهای SAW برای اندازه‌گیری تاثیر پدیده بال‌لرزه بر هواپیماها کرده است. اندازه کوچک، وزن کم و مصرف توان اندک می‌تواند محرک‌های مناسبی برای جلب توجه سازندگان هواپیما به منظور استفاده از این نوع حسگرها باشد. این در حالی است که به گفته محققان امکان ساخت ارزان قیمت حسگرهای SAW به صورت بی‌سیم در قالب یک شبکه غیر فعال روی سطح بال‌های هواپیما وجود دارد.

با گسترش مفهوم «هواپیماهای بیشتر الکتریکی» نیاز به حسگرهای جدید برای نظارت بر عملکرد سیستم‌های هواپیما بیشتر احساس خواهد شد. محققان معتقدند سیستم‌های نظارتی آینده ترکیبی از حسگرهای قدیمی، حسگرهای هوشمند و بی‌سیم و همچنین فناوری‌های جدید در این زمینه خواهد بود.

برای مثال شرکت مگیت در همکاری با شرکت‌های ایرباس و تکسترون روی طراحی یک سیستم‌ نظارتی بی‌سیم بر فشار لاستیک کار می‌کنند. این سیستم می‌تواند داده را تا 50 متر به صورت بی‌سیم منتقل کند. بنابراین مکانیک‌ها مجبور نیستند که در حالت خزیده یا روی چهار دست و پا در زمان نشستن هواپیما فشار لاستیک‌ها را بررسی کنند.

حسگرهای هواپیما

یکی از اهداف اصلی نظارت بر سلامت، نظارت بر ساختار و بدنه هواپیما است. تشخیص به موقع خرابی‌ها در سطوح بدنه هواپیما می‌تواند از بروز بسیاری حوادث پیشگیری کند. حسگر نظارت بر تفاضل خلاء[6] (CVM) یکی از حسگرهای تعبیه شده در دسته‌بندی حسگرهای نظارت بر سلامت ساختار (SHM[7]) است. حسگرهای SHM برای نظارت پیوسته و خودکار بر نقص‌های فیزیکی ساختاری به منظور اطمینان از یکپارچگی ساختار یک محصول استفاده می‌شوند. در واقع حسگرهای SHM می‌توانند آسیب یا خسارت‌های وارده به ساختار ناشی از فرسایش، فرسودگی، آسیب ضربه و خوردگی را پیدا کنند. این حسگرها در صنایع هواپیما، خودرو، سازه‌های غیرنظامی و دریایی کاربرد دارند.

از مدت‌ها پیش تست‌های غیرمخرب به عنوان یکی از قابل اعتمادترین روش‌ها برای تایید یکپارچگی بدنه و سطوح هواپیما مورد استفاده قرار می‌گیرد. اما بکارگیری این روش مستلزم دسترسی به سطوح مورد نظر است که در برخی موارد موجب غیرعملیاتی شدن هواپیما برای مدت طولانی می‌شود. مزیت اصلی حسگرهای SHM صرفه‌جویی در مدت زمان لازم برای تعمیر و نگهداری است، به این دلیل که نقص‌ها خیلی راحت تشخیص داده می‌شوند و نیاز به کار انسانی به حداقل می‌رسد. علاوه بر این آن‌ها می‌توانند بر نقایص ساختار بدنه هواپیما در مکان‌های غیرقابل دسترس یا دشوار نظارت کنند. حسگرهای SHM در انواع مختلف و با فناوری‌های متفاوتی ساخته می‌شوند که هر یک برای کاربردی خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد.

حسگر CVM یک فناوری نظارت بر شکاف و ترک در سطوح محسوب می‌شود که اولین‌ بار توسط شرکت SMSystems توسعه و به بازار عرضه شده است و عمدتا در صنعت هوانوردی به کار گرفته می‌شود. در مقایسه با دیگر حسگرهای SHM، این حسگر در سادگی، کارایی و دقت فوق‌العاده است. علاوه بر این حسگر CVM می‌تواند شکاف‌های سطحی را نیز تشخیص دهد و طول آن‌ها را اندازه‌گیری کند. این در حالیست که در حال حاضر تنها بازرسی‌های جریان گردابی می‌تواند شکاف‌های سطحی را تشخیص دهد.

شکل زیر یک دید کلی از مفهوم عملکرد CVM نشان می‌دهد. بخش اصلی حسگر، شامل یک لایه (صفحه) است که به سطح مورد نظر می‌چسبد. لایه حسگر شامل تعداد زیادی لوله کوچک است که برخی از آن‌ها حاوی خلاء است (در شکل با رنگ قرمز نشان داده شده است) و به صورت متناوب با لوله‌هایی که حاوی فشار هوای اتمسفر هستند (در شکل با رنگ آبی نشان داده شده است) در کنار هم قرار گرفته‌اند.

نمای کلی از حسگر CVM

در این فناوری یک منبع برای کنترل و اعمال خلاء به لوله‌های مربوطه استفاده می‌شود. یک دستگاه اندازه‌گیری جریان فشار تفاضلی، مقدار فشار بین لوله‌ها را اندازه‌گیری می‌کند. اگر شکافی (ترکی) در ساختار ایجاد شده باشد، هوا از طریق گذر از جو به لوله‌های خلاء جریان می‌یابد که این توسط فشارسنج اندازه گرفته می‌شود. پس از آن، این اطلاعات برای پردازش به سیستم‌های کنترل و مدیریت نرم‌افزار ارسال می‌شود. در نهایت اطلاعات در رابطه با موقعیت و اندازه شکاف به صورت بصری برای افراد خدماتی ارائه می‌شود. در این روش شکاف‌های بسیار کوچک می‌توانند شناسایی شوند زیرا فاصله معمولی کانال‌ها 250 میکرومتر و حتی می‌تواند تا 100 میکرومتر باشد.

شکل زیر عملکرد حسگر را در یک ساختار سالم و یک بخش آسیب دیده نشان می‌دهد. در این روش حسگر می‌تواند بروز یک خرابی (شکاف، خوردگی یا ترک) را به صورت بلادرنگ به سیستم SHM گزارش دهد.

الف) عملکرد CVM در سطح سالم. ب) عملکرد CVM در بخش آسیب دیده

انواع مختلفی از حسگرهای CVM وجود دارد که روی هر دو ساختار فلزی و کامپوزیتی کاربرد دارند. آن‌ها می‌توانند در دو گروه دسته‌بندی شوند:

• حسگرهای پلیمری الاستومری چسبناک.
• حسگرهایی که بخشی از مولفه‌های آن آزمایش می‌شوند.

حسگرهای پلیمر الاستومری قادر به انطباق با سطح‌های منحنی، پیچیده و فشرده با توجه به انعطاف‌پذیری بالا و قابلیت ارتجاعی هستند. این نوع از CVM به عنوان یک محصول استاندارد ارائه می‌شود که به راحتی در سطوح بزرگتر نصب می‌شود. حسگرهای دسته دوم دارای انواع مختلفی از پیکربندی، تنوع در مواد، شکل، اندازه و غیره است که می‌تواند روی قطعات پیچیده‌تر اعمال شود. این دسته شامل راه‌حل‌های بسیار سفارشی با استفاده از فناوری‌های پیشرفته مانند مدل‌سازی است.

اخیرا یک شرکت هواپیمایی آمریکایی صفحه‌های حسگر CVM را روی هفت بوئینگ 737 نصب کرد.  از این صفحات برای 120 بازرسی (معاینه) استفاده شد و متخصصان مربوطه نتیجه بررسی‌ها را ارزیابی کردند. در حال حاضر عملکرد قابل قبول حسگرها روی قسمت‌هایی از بال این نوع هواپیما تایید شده است.

طبق گزارش‌ها شرکت SMSystems در تلاش است مسئولین شرکت بوئینگ را مجاب به استفاده از روش CVM به عنوان یک راهکار استاندارد در بازرسی هواپیماهای این شرکت کند. پیش‌بینی می‌شود با بهره‌گیری از حسگر CVM، حدود 150 هزار دلار سود از دست رفته برای هر هواپیما طی یک بررسی سنگین و سریع صرفه‌جویی شود.

در حال حاضر روش و فرایندی که حسگر CVM برای بازرسی پیشنهاد می‌دهد، نیاز به دستورالعمل‌های هواپیما و بیانیه‌های رسمی از سوی مراجع قانونی دارد. مسئولین شرکت SMSystems ادعا دارند که فناوری CVM در بلند مدت برای بازرسی‌های معمول به‌کار گرفته و در نهایت ممکن است برای نظارت بر سلامت ساختار در حین پرواز نیز استفاده شود.

نمونه دیگری از حسگرهای در حال توسعه در سیستم دنبال‌کننده تعادل پروانه موتور هواپیما دیده می‌شود. این سیستم که با همکاری شرکت‌های ATR و Meggitt در حال طراحی است، به طور مداوم لرزش‌های موتور هواپیما را دنبال می‌کند. در نتیجه شرکت‌های هواپیمایی می‌توانند به جای داشتن برنامه‌های نظارتی زمان‌بندی شده در هنگام روی زمین بودن هواپیما، گزارش‌های عملکرد و رفتار موتور را به طور پیوسته و خودکار و حتی در هنگام پرواز دریافت کنند. مسئولین ATR امیدوارند با نهایی شدن فرایند تولید این سیستم، آن را به عنوان یک ارتقاء به صاحبان هواپیماهای شرکت خود ارائه دهند.

در حال حاضر شرکت ATR در یک پروژه دیگر روی تست حسگرهای بی‌سیم موتورهای هواپیما کار می‌کند. مهندسان این شرکت پروژه مذکور را از دو سال قبل آغاز کرده و هم‌اکنون در حل تست‌های پروازی هستند. در طرح آن‌ها حسگرهای بی‌سیم داخل موتور نصب می‌شود و داده‌ ابتدا در سطح محفظه موتور جمع‌آوری شده و سپس به سیستم نظارت مرکزی ارسال می‌شود.

هر چند موتور هواپیما و تجهیزات ارابه فرود بیشترین خرابی را در هواپیما دارند، اما استفاده از حسگرهای بی‌سیم تا هنگام بلوغ کامل‌ آن‌ها در این بخش‌ها، از لحاظ ایمنی قابل قبول نیست. بنابراین در حال حاضر می‌توان از این حسگرها در بخش‌هایی با سطح ایمنی کمتر استفاده کرد. مدیر شرکت سیستم‌های هوایی UTC در این باره می‌گوید: «اکنون سبد محصولات شرکت ما شامل حسگرهای بی‌سیم برای سیستم‌هایی همچون تشخیص دود، چراغ‌های اضطراری، فشار هوای کابین و سیستم‌های سطوح کنترلی هواپیما است. مشتری‌ها می‌توانند با اطمینان هر یک از این محصولات را برای انواع مختلفی از هواپیماها استفاده کنند. در هواپیماهای بزرگ امروزی وزن سیم‌کشی‌ها حدود 11- 13 هزار پوند است که با بهره‌گیری از فناوری‌های بی‌سیم، این عدد می‌تواند تا 3/3-4 هزار پوند برسد.»

جمع‌بندی

هوشمندسازی و افزایش تعداد حسگرها از یک سو و بالا رفتن توان پردازشی سخت‌افزار و استفاده از راهکارهای نرم‌افزارهای از سوی دیگر آینده سیستم‌های نظارت بر سلامت هواپیما را روشن کرده‌اند. فناوری‌های جدید در تشخیص و پیش‌بینی خطاهای احتمالی، هزینه‌های تعمیر و نگهداری هواپیماها را به طور قابل ملاحظه‌ای کاهش خواهند داد. از سوی دیگر فناوری‌هایی مانند حسگرهای بی‌سیم و رویکرد حرکت به سوی مفهوم «نصب و فراموشی» باعث کاهش وزن و پیچیدگی سیستم‌های نظارتی در تجهیزات حساسی مانند موتورهای هواپیما می‌شود.

هوشمندسازی حسگرها و فناوری حسگرهای بی‌سیم موجب کاهش قابل توجه هزینه‌های تعمیر و نگهداری هواپیما و افزایش بهره‌وری سیستم‌های نظارتی می‌شوند.

[1] یکی از استراتژی‌های نگهداری و تعمیرات است که بر مبنای آن در بازه‌های زمانی معین تعدادی از پارامترهای تجهیرات اندازه‌گیری می‌شوند و بر اساس این داده‌ها برای تعمیر یا تعویض قطعات و تجهیزات تصمیم‌گیری می‌شود.

[2] دارایی‌های داده‌ای بسیار انبوه، پرشتاب و گوناگون که نیاز به روش‌های پردازشی تازه‌ای دارند تا تصمیم‌گیری، بینش تازه و بهینگی پردازش پیشرفته را فراهم کنند.

[3] یک سیستم کامپیوتری و الکترونیکی است که به عنوان یک مرکز فرماندهی تمام جنبه‌های عملکرد یک موتور هواپیما را کنترل می‌کند و اطلاعات مورد نظر موتور را برای مانیتور کردن و نظارت فراهم می‌کند.

[4] fit and forget

[5] Surface Acoustic Wave

[6] Comparative Vacuum Monitoring

[7] Structural Health Monitoring