صنایع هوافضا و هوانوردی
قابلیت اطمینان در پروژه طراحی هواپیما
نویسنده:دارلی رودریگز ویرا، محمد لاربی ربایایا، میلنا چانگ چین
مترجم: رضا خزاعی دانشجوی کارشناسی ارشد قدرت هوایی
مقدمه
در سال 2001 تخمین زده شد که صنعت هوانوردی روزانه 5 فروند هواپیمای جدید یا 33500 هواپیمای غیرنظامی جدید را طی 20 سال تحویل خواهد داد. در مجموع 80 درصد از این هواپیماها توسط دو غول هوانوردی ساخته شده یا خواهند شد: ایرباس و بوئینگ. یکی از چالش های عمده پیش روی صنعت هوانوردی کاهش حداکثر زمان چرخه طراحی و تولید یک هواپیما با توجه به سه جنبه مهم سرعت تحویل به مشتریان، کیفیت و ایمنی و هزینه است.
در مدیریت پروژه هواپیما، قابلیت اطمینان و قابلیت نگهداری برای اطمینان از ایمنی سیستم، برای بهینه سازی فرآیند ساخت و برای بهبود عملیات مونتاژ/جداسازی در زمانی که اقدامات تعمیر و نگهداری مورد نیاز است، اساسی است. گنجاندن چنین الزاماتی به حداقل رساندن هزینه های چرخه عمر کمک می کند، طول عمر باقیمانده هواپیما را افزایش می دهد و در نتیجه رضایت مشتری را افزایش می دهد. قابلیت اطمینان در تمام مراحل چرخه عمر یک هواپیما بسیار مهم است.
در مهندسی هواپیما، قابلیت اطمینان و قابلیت نگهداری (RM) الزامات طراحی سیستم هستند که تأثیرات قابل توجهی بر ایمنی سیستم هواپیما و طول عمر آن دارند. علاوه بر این، شیوه های خوب برای RM هم بر توانایی هواپیما برای انجام ماموریت مورد نظر و هم بر موفقیت کلی ماموریت تأثیر می گذارد.
ویژگی های پروژه طراحی هواپیما
چرخه عمر معمولی یک پروژه هواپیما شامل مراحل جداگانه است، از تحقیق، توسعه، تولید و بهره برداری تا بازنشستگی و وارهایی (شکل 1).
مدیریت تنها یک پروژه هواپیما، کار بسیار پیچیده ای است که نیازمند سرمایه گذاری چند میلیارد دلاری و مدت زمان تحویل است که می تواند تا شش سال از راه اندازی تا اولین تحویل باشد.
ساخت هواپیما فرآیندی پرهزینه و همچنین زمان بر و پرخطر است. در واقع، از آنجایی که این سه محدودیت با استفاده از فناوری‌های پیشرفته مرتبط است، باید به‌طور دقیق برنامه‌ریزی شود تا از پرداخت غرامت برای تأخیر به خریداران، که گاهی در حدود قیمت چندین هواپیما است، توسط سازندگان جلوگیری شود. هواپیماهای جدید برای برآورده ساختن نیازها و اهداف مشخص شده مانند کاربری های تجاری، نظامی و خصوصی طراحی شده اند. مشتری در فرآیند طراحی برای توصیف الزامات یک هواپیمای جدید، معمولاً در قالب سندی به نام درخواست پیشنهاد (RFP ) نقشی اساسی دارد.
در مدیریت پروژه هواپیما، طراحی ذاتاً تکراری است و اغلب زمانی که مفروضات قبلی نامعتبر است، نیاز به بازگشت به مرحله اولیه دارد طراحان یک صفحه گسترده مبتنی بر الگوریتم طراحی گام به گام دنبال می کنند. الگوریتم طراحی فهرستی از وظایف است که دقیقاً به عنوان یک برنامه کلاسیک اجرای پروژه به ترتیبی خاص مرتب شده اندکه گویی یک برنامه کامپیوتری است.
طول عمر یک هواپیما
یک سوالی که مرتبا مطرح می شود این است که تا چه زمانی یک هواپیما می تواند خطرناک تلقی شود و باید بازنشسته شود؟ اگر ببینیم هواپیمایی که قرار است به هوا برود در دهه 80 تولید شده است، باید نگران باشیم؟ پاسخ منفی خواهد بود زیرا سن هواپیما چیزی در مورد سن تجهیزات موجود در هواپیما که ایمنی آن را تضمین می کند به ما نمی گوید. در واقع، تمام سیستم‌های اجزای هواپیما، از رادار گرفته تا موتورها، قابل تغییر و به‌روزرسانی هستند.
سن هواپیما بر حسب سال محاسبه نمی شود بلکه بر اساس تعداد سیکل ها محاسبه می شودکه در آن یک چرخه مربوط به یک برخاست و یک فرود است. یک هواپیما برای دستیابی به چندین چرخه و مقاومت در برابر عناصر بیرونی مانند خوردگی یا خستگی سازه در اثر فرود و آشفتگی طراحی شده است. با گذشت زمان، عملیات آنها به طور فزاینده ای پرهزینه می شود. علاوه بر این، به روز کردن سیستم های آنها ضروری است. این هزینه توضیح می دهد که چرا برخی از هواپیماها پیش از موعد بازنشسته می شوند. در نهایت، اگر یک هواپیما به طور منظم به روز شود، می تواند بیش از 40 سال پرواز کند. نگه داشتن لوازم قدیمی و سرویس دهی به آنها از نظر اقتصادی منطقی نیست. ارزش خرید یک هواپیمای جدید را دارد تا اینکه یک هواپیمای قدیمی را برای مدت طولانی نگهداری کنید.
این ایده بسیار مثمرثمر است زیرا شرکت برای جلوگیری از هزینه‌های نگهداری که بازدارنده است، تجدید ناوگان راترجیح می‌دهد.چیزی که طول عمر هواپیما را تعیین می کند، توانایی قطعات آن در مقاومت در برابر عناصر کوتاه مدت خارجی (خوردگی) در برابر بارها (فرود سخت، توربولانس شدید و غیره) و بارگیری های معمولی مکرر (خستگی) است.
کاربرد روش های قابلیت اطمینان برای پروژه های هواپیما
مهمترین جنبه پروژه تکوین هواپیما، تضمین ایمنی سیستم است. هواپیماها به گونه ای طراحی شده اند که هیچ یک از وقوع خرابی های سیستمی یا ساختاری نمی تواند عواقب فاجعه باری داشته باشد. ایمنی هوانوردی شامل نظریه، بررسی و طبقه‌بندی وقوع خرابی‌های پرواز و پیشگیری از آنها از طریق مقررات، هشدارها و آموزش است. با افزایش زیاد خسارات ناشی از سوانح مرگبار هواپیما، دولت و آژانس‌های بین‌المللی دستورالعمل‌ها، پروتکل‌های ایمني رویه‌ها، برآوردهای قابلیت اطمینان و استراتژی‌های تعمیر و نگهداری را ارائه کرده‌اند که باعث کاهش قابل توجه خطاها، وقوع خرابی‌ها و سقوط هواپیما شده است. به طور خلاصه، بیش از هر زمان دیگری، ما به ریسک خطر صفر برای مسافران هوایی نزدیک شده‌ایم و قابلیت اطمینان در هوانوردی غیرنظامی به امتیاز بالایی (% 999999/99) رسیده است.
طراحی برای قابلیت اطمینان در صنعت هواپیما
اگر در مرحله طراحی به قابلیت اطمینان توجه شود، هزینه نهایی محصول بالا نمی رود. اگر در حین مهندسی مشکل قابلیت اطمینان تشخیص داده شود، قیمت تمام شده محصول 10 برابر می شود. اگر مشکل در مرحله تولید آشکار شود، هزینه محصول 100 برابر یا بیشتر افزایش می یابد. اغلب دلیل اصلی این است که چرا پایبندی به یک برنامه طراحی دقیق برای تضمین قابلیت اطمینان هواپیما بسیار مهم است.
قابلیت اطمینان موضوعی است که در مرحله طراحی مورد توجه قرار می گیرد، به طوری که اگر تمام مشخصات به دقت بررسی شوند،مهندسان می توانند یک محصول عالی به دست آورند و در نتیجه احتمال بالایی ایجاد کنند که قابلیت اطمینان بعدی در مرحله بهره برداری به حداکثر برسد. علاوه بر این، DFR می تواند تاثیر مثبت یا منفی بر هزینه کل چرخه عمر هواپیما داشته باشد. دوره عمل DFR در همان مراحل اولیه شروع می شود، از طراحی تا مرحله مفهومی، و باید در هر جنبه ای از این فرآیندگنجانده شود. مراحل اصلی یک برنامه DFR شامل شش مرحله است: شناسایی، طراحی، تحلیل، تأیید، تصدیق، پایش و کنترل (شکل 2).
مهندسی قابلیت اطمینان برای تجهیزات الکترونیکی، مانند تجهیزات اویونیک، به فنون قوی برای تحلیل پیش بینی قابلیت اطمینان نیاز دارد. چندین استاندارد و ابزار برای پیش بینی نرخ وقوع خرابی چنین تجهیزاتی وجود دارد. با این حال، MIL-HDBK-217، که استاندارد MIL-STD-217 را به تفصیل بیان می کند، توسط وزارت دفاع برای کاربردهای نظامی و هوافضا توسعه داده شد و به عنوان یک روش پیش بینی قابلیت اطمینان استفاده می شود این یک استاندارد بسیار شناخته شده در صنایع نظامی و تجاری است. همچنین به احتمال زیاد پذیرفته شده‌ترین روش پیش‌بینی قابلیت اطمینان تجربی در سطح بین‌المللی است. استاندارد MIL-HDBK-217 از دو بخش تشکیل شده است: روش شمارش قطعه و روش تنش قطعه.
MIL-STD-1553 از گذرگاه‌های داده استفاده می‌کند، که به زیرسیستم‌های الکترونیکی پیچیده اجازه می‌دهد تا با یکدیگر و کامپیوتر پرواز درون‌برد تعامل داشته باشند.
نقش قابلیت اطمینان در هوانوردی
فنون مهندسی قابلیت اطمینان برای توصیف توانایی یک سیستم برای انجام ماموریت خود در شرایط مشخص شده برای یک دوره زمانی معین توسعه یافته اند. مشاهدات تجربی در نظر می گیرند که رسم نرخ وقوع خرابی معمولاً منحنی به نام منحنی وان حمام را ارائه می دهد (شکل 3). در مهندسی چرخه عمر هواپیما، تخصص مهندسی قابلیت اطمینان تقریباً در تمام مراحل، از طراحی تا رهاسازی و حتی پس از خروج برای جداسازی قطعات و بازیابی اجزای قابل استفاده مجدد، وجود دارد.در مهندسی هواپیما، تابع قابلیت اطمینان ارتباط نزدیکی با مهندسی ایمنی و ایمنی سیستم دارد.
متغیرهای مهمMTBF، MTTF و MTTR
MTBF میانگین زمان بین وقوع خرابی ها برای یک محصول قابل تعمیر، زمان پیش بینی شده بین وقوع خرابی ها درحین کار است و MTTF (Mean Time To Failure) برای محصولات غیر قابل تعمیر است. در مهندسی هواپیما، بسیاری از تغییرات MTBF، مانند میانگین زمان بین خرابی سیستم (MTBSA)، میانگین زمان بین خرابی های بحرانی (MTBCF) و میانگین زمان بین تعویض واحد (MTBUR) استفاده می شود. میانگین زمان برای تعمیر (MTTR) زمان مورد نیاز برای تعمیر یا جایگزینی ساده یک قطعه خراب است. در یک سیستم عملیاتی، تعمیر به طور کلی به معنای تحمل هزینه های گزاف است، به ویژه زمانی که قطعات یدکی در دسترس نیستند. برای جلوگیری از چنین وضعیتی، بهتر است قطعه خراب شده را با یک مورد جدید جایگزین کنید و اقدامات تعمیر و نگهداری را روی مورد حذف شده انجام دهید.چنین مورد حذف شده می تواند بار دیگر برای جایگزینی یک قطعه خراب شده دوباره استفاده شود.این راه حل می تواند در دسترس بودن هواپیما را افزایش دهد و هزینه های ناشی از بی حرکتی را به حداقل برساند. از روی نمودار در شکل 4، MTBF، MTTF و MTTR را می توان به راحتی تعیین کرد.
قابلیت نگهداری Maintainability
قابلیت نگهداری به عنوان احتمال واقعی انجام یک فرآیند تعمیر و نگهداری کارآمد در یک بازه زمانی مناسب توصیه شده در سطح مورد انتظار از اطمینان با داشتن نیروی کار ارائه شده، سطوح مهارت، تجهیزات مرتبط با آزمون، اطلاعات تخصصی، اطلاعات عملیاتی و تعمیر در نظر گرفته می شود.به طور خلاصه، قابلیت نگهداری، صراحت و سرعت واقعی تعمیر یک واحد را در شرایط عملکردی پس از یک نقص تعیین می کند.
این به طور کلی شبیه ارزیابی قابلیت اطمینان محصول است، با این استثنا که عنصر تصادفی خاص مورد نگرانی در ارزیابی قابلیت نگهداری، زمان تعمیر خواهد بود در مقابل زمان تا وقوع خرابی. برای ارائه یک مثال، وقتی اعلام می‌شود که یک قلم معین دارای 90% قابلیت نگهداری با در نظر گرفتن یک بازه زمانی یک ساعته است، به این معنی است که به سادگی 90% احتمال دارد که قلم خاص در عرض یک ساعت بازیابی شود.
آمادگی Availability
در مهندسی قابلیت اطمینان هواپیما، اندازه گیری مفهوم آمادگی بسیار مهم است. در سیستم‌های حیاتی، مانند سیستم‌های صنعت هواپیما، دسته‌های مختلفی از دسترسی را می‌توان تعریف کرد. که از آن در دسترس بودن عملیاتی مشترک (معیار عملکرد سیستم) در مفاهیم مرتبط با Hقاز طریق در دسترس بودن سیستم. آمادگی احتمال این است که یک قلم انتخاب شده در همه زمان ها عملکرد رضایت بخشی داشته باشد. سه نوع شاخص آمادگی را می توان به شرح زیر توصیف کرد:
- آمادگی لحظه ایA(t)، احتمال این است که یک واحد در زمان t به اندازه کافی کار می کند و مشابه قابلیت اطمینان در هنگام در نظر گرفتن واحدهای غیر قابل تعمیر و آمادگی حالت پایدار است.
- آمادگی ثابت، نسبت میانگین زمان کار در یک افق نامتناهی است.
- میانگین آمادگی، در بازه ای از دامنه واقعی تعریف می شود و به عنوان AV(t) نشان داده می شود. به عنوان نسبت زمانی مورد انتظار زمانی که سیستم در بازه زمانی (0,T) در حال کار است، تعریف می شود.
نگهداری Maintenance
تعمیر و نگهداری مجموعه عملیاتی است که برای حفظ یا بازگرداندن یک دارایی به یک شرایط مشخص به کار می رود تا بتواند خدمات خاصی را ارائه دهد.عملکردهای تعمیر و نگهداری شامل عیب یابی و اقدامات تعمیر، تنظیم، بازنگری، نظارت و تأیید تجهیزات سخت افزاری است.دو روش مکمل برای سازماندهی اقدامات نگهداری وجود دارد.
- نگهداری اصلاحی
- نگهداری تسکین دهنده
- نگهداری درمانی
تعمیر و نگهداری پیشگیرانه، که شامل کار بر روی تجهیزات قبل از وقوع خرابی در تلاش برای جلوگیری از خرابی است. نگهداری پیشگیرانه به موارد زیر تقسیم می شود:
- نگهداری سیستماتیک
- نگهداری مشروط
- نگهداری پیش بینی کننده
سه دسته اصلی عملیات تعمیر و نگهداری وجود دارد که برای اطمینان از در خدمت ماندن هواپیما استفاده می شود که به آنها MRO می گویند: نگهداری، تعمیر و تعمیرات اساسی
- نگهداری: نگهداری پیشگیرانه است و طبق برنامه های سرویس در دوره های زمانی مشخص انجام می شود.
- تعمیر: عملیات اصلاحی با توجه به داده ها و علائم نظارت بر وضعیت انجام می شود و مشاهدات انجام شده توسط خلبان/ خدمه برای تشخیص خطا در نظر گرفته می شود.
- تعمیرات اساسی: اورهال بررسی دقیق تمامی اجزا و زیرسیستم ها است و ترکیبی از نگهداری پیشگیرانه، اصلاحی و پیش بینی کننده است. تعمیرات اساسی در یک مرکز صنعتی انجام می شود.
چند روش برای تعیین شاخص های قابلیت اطمینان
- نموداربلوک قابلیت اطمینان RBD
طراحی قابلیت اطمینان با توسعه یک مدل آغاز می شود.نمایش گرافیکی مدل را نمودار بلوکی (RBD) می نامند پس از ترسیم نمودار، و زمانی که قابلیت اطمینان هر یک از عناصر سیستم مشخص شد، می توان قابلیت اطمینان کل سیستم را تعیین کرد.
- مدوقوع خرابی و تحلیل اثرات FMEA
FMEA یک روش پیش بینی است که برای تحلیل قابلیت اطمینان یک سیستم استفاده می شود این روش به شناسایی وقوع خرابی‌های احتمالی که پیامدهای آن بر عملکرد صحیح سیستم تأثیر می‌گذارد کمک می‌کند و به تخمین ریسک‌های مرتبط با وقوع این خرابی‌ها کمک می‌کند تا اقدامات اصلاحی در طول مراحل طراحی، اجرا یا بهره‌برداری انجام شود.
- تحلیل درخت خرابی FTA
تحلیل درخت خرابی (FTA) یک تکنیک ارزیابی نقص است که از طریق آن یک رویداد سیستم ناخواسته با استفاده از منطق بولی برای ترکیب تعدادی از رویدادهای سطح پایین‌تر بررسی می شود.
- ارزیابی ریسک احتمالی PRA
تکنیک ارزیابی ریسک احتمالی (PRA) در سال 1970 ارائه شد و به سرعت به یک منبع چرخه حیات برای کمک به طراحی، ساخت و فرآیندها تبدیل شد.
