Drahtlose Sensoren für eine effizientere Flugzeugwartung
Im Rahmen von FLITE-WISE wurden drahtlose Sensoren entwickelt, die die ständige Überwachung der europäischen Flugzeuge erleichtern sollen. Das neue System, mit dem sowohl Kosten als auch Gewicht gesenkt werden sollen, wird innerhalb der nächsten drei Jahre auf den Markt gebracht. In der EU-28 sind im Jahr 2013 rund 842 Millionen Passagiere geflogen. Bei solch schwindelerregenden Zahlen ist es kaum überraschend, dass die Sicherheit der Flugzeuge ständig überwacht wird. Die Regeln hierfür werden basierend auf den neuesten Technologien und wissenschaftlichen Erkenntnissen immer wieder überprüft und verbessert. Fliegen ist deshalb eines der sichersten, wenn nicht die sicherste verfügbare Transportform. Natürlich bedeutet dies auch die kostspielige und zeitaufwendige Überwachung des Zustandes der Flugzeuge. Die Wartung macht normalerweise 10% bis 20% der Betriebskosten für ein Flugzeug aus und die Verwendung von verdrahteten Sensoren für Motoren, Flugwerke, Strukturen, Getriebe und andere Schlüsselkomponenten treibt die Kosten hierbei in die Höhe. Das von der EU unterstützte Projekt FLITE-WISE (FLite Instrumentation TEst WIreless SEnsor) suchte nach Alternativen für den teuren Einsatz von verdrahteten Sensoren in Form eines drahtlosen Sensornetzes WSN (Wireless sensor network), das auf intelligenten Sensoren basiert, die über eine Funkschnittstelle miteinander kommunizieren. Das Projekt war Teil der gemeinsamen Technologieinitiativen unter Clean Sky (einer öffentlich-privaten Partnerschaft zwischen der Europäischen Kommission und der Luftfahrtindustrie zur Reduzierung der Umweltauswirkungen des Luftverkehrs) und wurde im Dezember abgeschlossen. Jean-Dominique Decotignie koordinierte das Projekt im Auftrag des Center for Electronics and Microtechnology (CSEM) in der Schweiz. In diesem exklusiven Interview für research*eu erklärt er die technischen Fortschritte von FLITE-WISE und den daraus resultierende Mehrwert für die Branche. Was waren die Hauptziele des Projekts? FLITE-WISE entwickelte ein drahtloses Sensorsystem für Dauerflugtestmessungen in der Luft, an das akustische und Drucksensoren (und später auch andere Sensortypen) angeschlossen werden können, und übertrug dies auf zwei Anwendungsfälle. Einerseits kam es für einen voll integrierten drahtlosen Sensorknoten zur akustischen Messung entlang des Flugzeugrumpfs zum Einsatz. Dieser kreisförmige, flexible Patch kann auf der Flugzeughaut angebracht werden und besteht aus einem Sensorknoten, der so konstruiert ist, dass er den harten Umgebungsbedingungen bei Testflügen standhalten kann. Bei einer maximalen Dicke von unter 3 mm enthält er einen akustischen Sensor und eine Kommunikationseinheit sowie genügend Speicher und Energie für 12 Stunden Dauereinsatz. Es wird mit ultradünnen Batterien betrieben, die mittels induktiver Kopplung drahtlos aufgeladen werden können. Dadurch kann er Frequenzen von bis zu 50 kHz mit einem maximalen Zeitstempelfehler zwischen zwei Knoten unter 50 μs erfassen. Im zweiten Anwendungsfall geht es um einen rotierenden Einsatz bei der Entwicklung und Erprobung einer neuen Generation von gegenläufigen offenen Rotortriebwerken mit einer Umweltleistung, die deutlich höher liegt als die von herkömmlichen Mantelstromtriebwerken. Hier hat es das Projekt bis zur Demonstrationsphase geschafft. Der Sensorknoten ist hinsichtlich der Energieversorgung völlig autonom, denn er verfügt über eine speziell entwickelte induktive Energiegewinnungseinheit. Er ist in der Lage, Daten von acht Sensoren mit einer Synchronisationsgenauigkeit von unter 0,05 Grad bezogen auf die Propellerstellung zu erfassen. Was sind die wichtigsten Einschränkungen bei den aktuellen verdrahteten Sensoren? Verdrahtete Sensoren werden derzeit zur Überwachung des Zustands unter anderem von Triebwerken, Strukturen und Getriebe verwendet. Das Design der Sensorplatzierung und ihre Bereitstellung und Installation sind umständlich und damit kostenintensiv. Darüber hinaus braucht man für die Installation solcher Sensoren viel Zeit, was ein großes Hindernisse für temporäre Installationen darstellt. Schließlich ist es in einigen Fällen, beispielsweise bei beweglichen Teilen wie den Triebwerken, sehr schwierig, Drahtsensoren anzubringen. Sie behaupten, dass man durch Drahtlossensoren die Kosten senken kann. Wie funktioniert das? Ein drahtloses Sensornetzwerk, d.h. intelligente Sensoren mit Funkschnittstellen, verspricht enorme Vorteile für den Betrieb. Weniger Kosten für den Verdrahtungsaufwand, geringeres Gewicht (durch die fehlende Verkabelung stark reduziert) und mehr Flexibilität bei der Bereitstellung von Flugzeugen ohne die Notwendigkeit, das Layout der Datenverkabelung neu zu gestalten, sind sicherlich einige der wichtigsten Argumente für Programme wie Smart Fixed Wing Aircraft unter Clean Sky. Welchen Mehrwert bringt Ihre Technik für die Luftfahrtindustrie, diesmal in Bezug auf Effizienz? Außer der oben erwähnten Reduzierung von Kosten und Gewicht ermöglicht uns diese Technologie, die Sensoren nahezu überall an einem Flugzeug zu installieren und dadurch verschiedene Phänomene (Hitze, Stress usw.) direkt an der Quelle zu erfassen. Dies kann zu Verbesserungen bei der Prüfung und Wartung von Flugzeugen führen. Was waren die Hauptschwierigkeiten während des Projekts und wie haben Sie sie gelöst? Die wichtigsten Herausforderung des Projektes lagen in den folgenden Dingen: eine Energiegewinnung und Elektronik, die sehr hohen Beschleunigungen und extremen (niedrigen und hohen) Temperaturen widerstehen kann, ein Kommunikationssystem, das widerstandsfähig gegen Funkstörungen und Jamming ist und extrem wenig Energie verbraucht, ein sehr kompaktes und schlankes Design mit vollständig drahtlosen Operationen, einschließlich der Aufladung für eine Platzierung an der Außenhaut sowie eine genaue Synchronisation der Sensormessungen von den verschiedenen Knoten. All dies konnten wir über einen sorgfältig abgestimmten Engineering-Ansatz erreichen und dank des multidisziplinären Teams mit dem Imperial College als Spezialist für Energiegewinnung und -speicherung, SERMA Ingénierie im Bereich der Luftfahrtelektronik und CSEM für Niedrigenergieelektronik, Drahtlosprotokolle und drahtlose Energieversorgung. Die Energiegewinnung erforderte ein neues Design auf der Grundlage magnetischer Induktion. Das Kommunikationsprotokoll wurde verbessert, um den Verbrauch durch die fortlaufende Anpassung an die Flugzeugbetriebsphase weiter zu reduzieren. Der reduzierte Verbrauch zusammen mit optimierten Energiespeichern und stark integrierter Elektronik waren der Schlüssel zur Verkleinerung. Schließlich erforderte die Synchronisation eine sehr gründliche Auswahl der Komponenten und eine optimale Einbettung. Wann soll Ihre Technologie kommerzialisiert werden? In der Luft- und Raumfahrt rechnet man mit Entwicklungs- und Zulassungszyklen von fünf bis zehn Jahren, weshalb wir die Technologie in 2 oder 3 Jahren auf den Markt bringen werden. Was sind die nächsten Schritte des Projekts und haben Sie irgendwelche Pläne für die Zeit danach? Die Technologie muss mit Hilfe von Airbus Operation die Flugtests bestehen, und zwar noch im Jahr 2015. Die Prototypen werden dann für die Serienfertigung bereitgestellt. Die Technologie wird außerdem weiterentwickelt werden, um die Leistungen in Bezug auf Abtastrate und Bandbreite und den Schutz vor Jamming zu verbessern.
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Schweiz