Aktuální vydání

celé číslo

07

2021

Automatizace řízení dopravy a infrastruktury, nabíjecí stanice, autonomní vozidla

celé číslo

Adaptronický systém včasného varování v konstrukcích letadel

Požadavky kladené na struktury moder­ních strojů a staveb neustále rostou a běžné mechatronické systémy již často narážejí na hranice svých technických možností. V ta­kových případech nachází uplatnění nový interdisciplinární obor s názvem adaptroni­ka (kombinace slov adaptovat elektroni­ka). Adaptronika je obor zabývající se studi­em, vytvářením a využívá­ním aktivních inteligentních materiálů (smart materials), které dokážou své vlastnosti rychle a flexibilně adaptovat, tj. přizpůsobit situaci a mění­cím se provozním podmín­kám. Adaptivního chování se dosahuje integrací nových snímacích a akčních funk­cí do aktivních struktur a je­jich optimálním systémovým propojením vhodným řídi­cím systémem.
 
Při použití adaptroniky, o níž se často hovoří jako o klíčové technice 21. stole­tí [1], lze vyrobit a bez újmy na spolehlivosti provozovat moderní mechanické struk­tury lehčí a kompaktnější, s menšími vibracemi a hlu­kem a stabilnějším tvarem, popř. také s integrovanými funkcemi trvale sledující­mi stav struktur. Výsledkem jsou úspora surovin, men­ší zatížení životního prostře­dí hlukem a emisemi, menší provozní náklady a rovněž zdokonalení funkce, zvýše­ní výkonnosti a prodlouže­ní doby provozního živo­ta struktur. Odborníci proto očekávají, že aktivní zásahy do chování struktur budou stále důležitější a žádanější.
 
Systematicky se využití adaptroniky a in­teligentních materiálů v technické praxi vě­nuje Fraunhoferova aliance pro adaptroniku (Fraunhofer-Allianz Adaptronik – FAA), v níž na konkrétních projektech úzce spo­lupracuje jedenáct Fraunhoferových ústa­vů spolu se svými partnery z vysokých škol a průmyslu. Některé zajímavé výsledky své činnosti představili členové FAA na veletrhu Sensor+Test 2011 v Norimberku [2]. Mimo jiné zde názorně ukázali, jak lze při použi­tí adaptronických metod sledovat mechanic­ké struktury a včas odhalit únavu materiálu, sníženou nosnost dílu či lokalizovat jiná po­škození, i skrytá.
 
Velký zájem byl zejména o použití meto­dy s názvem Structural Health Monitoring (SHM) ke sledování stavu mechanických struktur v letecké technice [3], demonstro­vaném na příkladu vyšetřování části trupu letadla. Metodu vyvinuli odborníci Fraunhoferova ústavu pro provozní odolnost a spolehlivost systémů LBF (Institut für Be­triebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit) v Darmstadtu. Úkolem je zde průběžně sle­dovat důležité prvky či uzly konstrukce leta­dla a včas odhalit jejich případná poškoze­ní, a to i skrytá, jako jsou trhliny, deformace apod. Zajímavý veletržní exponát se skládal ze tří částí: z demonstračního panelu trupu le­tadla, elektronické jednotky SHM a přenos­ného počítače (notebooku).
 
Demonstrační panel reprezentuje díl vnějšího potahu trupu letadla. Je vyroben z plastu vyztuženého uhlíkovými vlákny a nese na svém povrchu speciální elektro­mechanické (piezokeramické) dvojčinné měniče, které mohou pracovat jako snímače i jako akční členy (obr. 1). Kompaktní elektronická řídicí jednotka SHM (obr. 2), schopná provozu v síti takovýchto jednotek, napájí a řídí elektromechanické měniče tak, že ve funkci akčních členů vysílají do vyšet­řované struktury vhodné (akustické) signály a ve funkci snímačů zjišťují, jaká je odezva struktur. Přenosný počítač zobrazuje údaje, které jednotka SHM z demonstračního pa­nelu sejmula a dále podle speciálně navrže­ných algoritmů zpracovala.
 
Bezpečnost je v letecké dopravě vždy na prvním místě. Proto odborníci z FAA navr­hují využít metodu SHM k vybudování integrovaného „nervového systému“ zahrnující­ho všechny důležité mechanické prvky a uzly konstrukcí letadel. Konečným cílem je vy­tvořit jakýsi speciální „adaptronický systém včasného varování“, který bude během celé doby provozu letadla trvale sledovat všechny kritické části konstrukce (trup, křídla, ocasní plochy) a dokáže včas rozpoznat únavu mate­riálu nebo první znaky poškození, takže bude možné vadné díly vyměnit dříve, než způsobí vážný problém nebo katastrofu. To nejenom přispěje ke zvýšení bezpečnosti letecké do­pravy, ale současně také umožní zkrátit dobu a snížit náklady potřebné na údržbu letadel. Letecké společnosti si od zavedení techniky SHM slibují zkrácení doby nutné na údržbu dopravních letadel až o 40 %.
 
Možnosti využití adaptronických tech­nik jsou velmi všestranné a jejich přednos­ti stále častěji využívány nejen ve strojíren­ství, v automobilovém a leteckém průmyslu, v optice a v lékařské technice, ale např. i ve stavebnictví. Odborníci z Fraunhoferovy ali­ance pro adaptroniku se na tom svými od­bornými znalostmi a know-how podílejí vý­znamnou měrou.
 
Literatura:
[1] Adaptronik ist Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Presseinformation FAA, 4. dubna 2011.
[2] Adaptronisches Frühwarnsystem überwacht Strukturen und detektiert Schäden an einem Flugzeugrumpf. Presseinformation FAA, 7. června 2011.
[3] BOLLER, CH.: Adaptronic Systems for Aero­space Applications. Automatisierungstechnik, 2006, roč. 54, č. 6, s. 276–283.
Ing. Karel Kabeš
 
Obr. 1. Část trupu letadla s elektromechanickými měniči fungujícími jako snímače i akční členy (foto: Fraunhofer LBF)
Obr. 2. Řídicí jednotka SHM (foto: Fraunhofer LBF)