Structural Health Monitoring

System verändert Struktur

„Wartung bei Bedarf“ – „Maintenance on Condition“ heißt eines der großen Ziele der Flugzeugbauer. Ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg dort hin ist das „Structural Health Monitoring (SHM)“. SHM bringt der Struktur des Flugzeugs das „Fühlen“ bei. Es verringert wartungsbedingte Liegezeiten und es wird das Design künftiger Flugzeuge maßgeblich beeinflussen.

Die Einen beschäftigen sich mit abstrakter Elektronik, die Anderen mit handfesten Bauteilen. Systemingenieure denken in Funktionen, Konstrukteure in Strukturen – Arbeitsweisen und Entwicklungsphilosophien, wie sie unterschiedlicher kaum sein könnten. Zwei verschiedene Welten. Bisher. In nicht allzu ferner Zukunft werden Struktur und System nicht nur zusammenwachsen, im Extremfall werden sie regelrecht miteinander verschmelzen. Die Struktur wird über ein System seine Befindlichkeiten mitteilen. Das System wird die Struktur verändern. Die Zauberformel dafür verbirgt sich hinter drei Buchstaben: SHM – Structural Health Monitoring. SHM steht für die „automatische Überwachung von Schäden, Spannungen, Dehnungen, Umweltbedingungen und Flugparametern mit Hilfe permanent applizierter beziehungsweise integrierter Sensorsysteme zur Gewährleistung der strukturellen Integrität“. Mit SHM bekommt tote Materie ein Nervensystem, beginnt zu „fühlen“, kann Verletzungen an ein „Gehirn“ melden, welches diese Daten nicht nur speichert, sondern auch interpretiert und darauf reagiert. SHM-Systeme arbeiten dabei sowohl aktiv als auch passiv: Passive Systeme werden von der Struktur angeregt, aktive regen die Struktur an und messen anschließend die Strukturantwort.

Was am Boden schon erfolgreich eingesetzt wird, um beispielsweise die Halteseile von Hängebrücken zu überwachen, ist auf dem besten Wege, bald auch den Luftraum zu erobern. Airbus-Ingenieure beschäftigen sich seit den 1990ern intensiv mit der Schlüsseltechnologie SHM – um die strukturelle Integrität bestehender und die zukünftiger Flugzeugmodelle zu verbessern, um Gewicht einzusparen und Standzeiten zu verringern. Auf den Material-Prüfständen der großen Flugzeughersteller sind SHM-Technologien zum Teil schon im Einsatz. Eine davon ist das Comparative Vacuum Monitoring (CVM). Es spielte bei den Zulassungstests für den Verbundwerkstoff GLARE (GLAss-fibre REinforced aluminium) eine wichtige Rolle. GLARE besteht aus drei Lagen Aluminiumblech, die durch glasfaserverstärktes Epoxyharz verbunden sind. Die von Airbus entwickelte Sandwichstruktur wird unter anderem beim A380 eingesetzt – seine oberen Rumpfschalen sind daraus gefertigt. Wie jeder neue Werkstoff wurde auch GLARE auf Herz und Nieren geprüft, ehe er mit dem Segen der Behörden in ein Flugzeug eingebaut werden durfte. Und wie bei jedem anderen Verbundwerkstoff war bei GLARE die strukturelle Integrität des Werkstoffs in sich ein wichtiger Punkt: Wie stabil („Bonding“) sind die einzelnen Schichten miteinander verbunden? Blättert eine Schicht auf, kommt es zu flächigen, horizontalen Rissen innerhalb der Schicht („Delamination“)? Gibt es Einschlüsse? Und last but not least: Wie belastbar sind Nietlöcher? Gehen von ihnen Ermüdungsrisse aus? Einige dieser Fragen ließen sich mit CVM in einem Bruchteil der Zeit beantworten, die konventionelle Prüfverfahren dafür benötigt hätten. Unter anderem, weil die CVM-Sensoren fest mit dem Material verbunden waren. Jede Messung war exakt reproduzierbar. Aufwändige Sensor-Montagen und -Demontagen mussten nur einmal durchgeführt werden, was vor allem an schwer zugänglichen Strukturteilen viel Zeit einsparte.

Für die Rissprüfungen an den Nietstellen wurden die CVM-Sensoren vor dem Vernieten in die Überlappungsnaht eingebracht. Sie detektierten hier Risse in einer Größenordnung von ein bis zwei Millimetern; Risse, die mit anderen Prüfverfahren kaum zu finden sind. Die CVM-Sensoren arbeiten mit Differenzdruck. In den 125 Millimeter dünnen Sensoren befinden sich feine Kanäle, welche abwechselnd mit Luft befüllt beziehungsweise vakuumiert sind. Sobald durch Risse oder andere Fehler im Material Verbindungen zwischen diesen Kanälen entstehen, verändern sich an dieser Stelle die Druckverhältnisse im Sensor. Mehrere Flugzeughersteller setzen CVM mittlerweile standardmäßig für Materialtests am Boden ein. Bevor SHM-Sensoren jedoch ihren Dienst am fliegenden Gerät versehen dürfen, müssen sie selbst auf den Prüfstand: Um ihre Widerstandsfähigkeit zu testen, ihre Zuverlässigkeit beim Aufspüren von Schäden (POD, Probability of Detection), die Zuverlässigkeit ihrer Verbindung mit dem Material oder um praktische Abläufe wie ihre Wartung im Service-Betrieb zu erproben. Üblicherweise verwenden die Airbus-Ingenieure dafür ihre A320 MSN001 als fliegenden Technologieträger.

Eine ganz besondere Gelegenheit bot sich zusätzlich beim FullScaleFatigue-Test der A380 in Dresden. Hier werden seit September 2005 mechanische Belastungen der Struktur simuliert, die bis zum Ende der Testreihe 47 500 Flügen entsprechen sollen. Während konventionelle Dehnmessstreifen (DMS) die Belastungen der Flugzeugstruktur überwachen, testen die SHM-Entwickler weit über 100 SHM-Sensoren auf ihre Zuverlässigkeit und ihre Funktionalität. Außerdem prüften sie deren Haftung am Objekt: Die Sensoren werden bislang meist aufgeklebt, um sie formschlüssig mit der Struktur zu verbinden Allerdings sind Klebeverbindungen wie Sensoren nicht nur mechanischen Belastungen ausgesetzt, wie sie in Dresden getestet wurden. Sie müssen zudem Feuchtigkeit vertragen, Temperaturschwankungen von bis zu 160 Grad Celsius überstehen und auch sonst ein Quentchen mehr aushalten als die zu überwachende Struktur – über ein ganzes Flugzeugleben von 30 Jahren.

Um die Sensorik gegen unerwünschte Einflüsse von außen abzuschirmen, wird sie häufig mit einer Schutzschicht versehen. Schutzschicht wie Klebeverbindung können entfallen, wenn der SHM-Sensor in die Struktur eingebettet ist. Dann schützt die Struktur den Sensor und auch die Gefahr, dass sich der Sensor von seinem Messbereich löst, besteht nicht mehr. Das Einbetten bietet sich vor allem bei Faserwerkstoffen an: Mit kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen (CFK), Glasfaserwerkstoffen (GFK) oder keramischen Faserverbundwerkstoffen lassen sich Piezofasern oder faseroptische Sensoren (FOS) regelrecht verschmelzen. Die Sensoren in die Struktur einzubetten birgt allerdings zwei gravierende praktische Probleme. Zum einen: Muss ein Teil dieser Struktur ausgetauscht werden, weil er verschlissen oder beschädigt ist, geht damit die Sensorik verloren. Zum anderen lässt sich die Sensorik innerhalb der Struktur schlecht warten, kaum reparieren und schon gar nicht austauschen. An zufrieden stellenden Lösungen für diese Probleme arbeiten die Entwicklungsingenieure derzeit mit Hochdruck.

Ob aufgeklebt oder eingebettet: Viele SHM-Technologien beruhen auf Prinzipien die sich ihre Sporen bei der Inspektion oder Wartung von Flugzeugen längst verdient haben – etwa Ultraschall oder Wirbelstrom. Der große Unterschied zu den bisherigen zerstörungsfreien Prüfverfahren besteht darin, dass die Sensoren künftig an der Struktur verbleiben. Egal, ob die Sensoren online arbeiten, das heißt Belastungen der Struktur während des Fluges messen, oder ob sie erst bei Wartungen oder Inspektionen an Auswertungseinheiten angeschlossen beziehungsweise sensoreigene Speichereinheiten ausgelesen werden.

Einmal installiert lassen sich mit den in-situ angebrachten Sensoren selbst Flugzeugbereiche einfach überwachen, die für menschliche Inspektoren gefährlich oder schwer zugänglich sind. Seien es Tanks, Triebwerke – oder Landeklappen. Landeklappen werden bislang visuell inspiziert, mit Hilfe von Boroskopen: Der Wartungstechniker führt eine kleine, bewegliche Optik in die Landeklappe ein und sucht die Struktur nach Rissen ab. Seine Möglichkeiten bei dieser Art der Inspektion sind jedoch begrenzt. Er kann weder mit dem Licht spielen und Schatteneffekte nutzen, noch kann er Schmutz auf der Oberfläche entfernen.

Kleinste Risse oder Korrosionsstellen auf diese Art zu entdecken ist schwierig. Ein SHM-Sensor vor Ort dagegen würde solche Mängel wesentlich schneller finden und die Inspektionszeiten erheblich verkürzen. Komplett ersetzen soll Structural Health Monitoring die bestehenden, zerstörungsfreien Wartungs- und Inspektionsroutinen jedoch nicht. Schon deshalb, weil bei jedem Makonventionellen Check nicht nur der im Maintenance Manual vorgeschriebene Bereich genau untersucht wird. Die Wartungstechniker werfen in der Regel immer auch einen kritischen Blick auf die Umgebung des eigentlichen Inspektionsbereichs.

SHM wird wertvolle Zusatzinformationen liefern. Es wird viele Inspektionsroutinen beschleunigen. Und es wird die Beurteilung von Schäden erleichtern: etwa die von Beulen oder Kratzern an Türen oder Türrahmen, welche Laderampen oder Flurfahrzeuge trotz aller Vorsicht immer wieder verursachen. Allein im Türbereich ließen sich durch den Einsatz von SHM bis zu 50 Prozent der aufgewendeten Zeit für die Schadensbeurteilung einsparen.

Wie hoch das Einsparpotenzial bei Verkehrsmaschinen insgesamt ist, lässt sich schwerer einschätzen. Zumal Checks hier nicht nur die Struktur betreffen, sondern auch die Kabine oder die elektronischen Systeme. Anders sieht es bei militärischen Flugzeugen aus. Dort spielt der Komfort der Passagiere eine eher untergeordnete Rolle. Das Hauptaugenmerk gilt Systemen und Strukturen, die zudem wesentlich extremeren Belastungen ausgesetzt sind als die ziviler Flugzeuge. Eine Studie hat ergeben, dass sich die Wartungszeiten für ein modernes Kampfflugzeug durch den konsequenten Einsatz von SHM um mehr als 40 Prozent reduzieren ließen. Von deutlich verringerten Liegezeiten und Wartungskosten durch SHM könnten die Airlines möglicherweise schon in naher Zukunft profitieren. Langfristig ist SHM der Hebel, der konservative Ansätze im Flugzeug-Design ins Rollen bringt. Es eröffnet völlig neue Einsichten in die Belastung bestimmter Strukturbereiche während der einzelnen Betriebsphasen Rollen, Start, Flug und Landung, oder in Extremsituationen wie einer harten Landung (hard landing). Die neuen Erkenntnisse über das Verhalten bestimmter Strukturelemente werden dazu beitragen, Strukturen zu optimieren und künftige Flugzeugmodelle leichter zu machen.

Unbeschadet der Sicherheit, und auch wenn viele Strukturverantwortliche hier nach wie vor von Zweifeln geplagt fragen: „Wie kann ich mich bei der Auslegung meiner Struktur auf eine Sensorik verlassen?“ „Wer so denkt, darf eigentlich gar nicht in ein Flugzeug einsteigen,“ kontern Systemingenieure dann in der Regel, „sobald ein Flugzeug nicht mehr segelt, sondern aktiv gesteuert wird, ist es im Flug mindestens so sehr vom System abhängig wie von der Struktur.“ Das fängt bei Sensoren an, die Flughöhe oder Sinkrate bestimmen und hört mit der Geschwindigkeitsmessung oder der Überwachung des Kabinenklimas längst nicht auf.

Ähnliche Zweifel wie so mancher Konstrukteur oder Strukturmechaniker hegen auch viele Verantwortliche in den Luftfahrtbehörden. Das relativ junge SHM muss sich sein Vertrauen erst noch verdienen. Auf Systemseite muss es hohen Anforderungen an Haltbarkeit und Funktionsfähigkeit genügen, auf der Strukturseite die strengen Zulassungsbedingungen für zerstörungsfreie Prüfung erfüllen. Dazu gehört eine Fehlerfindungswahrscheinlichkeit (POD) von 90/95. Das heißt, es muss alle Fehler mit 90-prozentiger Zuverlässigkeit bei einem Vertrauensniveau von 95 Prozent finden. Dieser Nachweis ist schon heute für alle zerstörungsfreien Prüfverfahren Pflicht.

Auch wenn die Befürworter sicher sind, dass SHM alle Anforderungen restlos erfüllen wird – das komplett vernetzte, sprich „fühlende“ Flugzeug wird es so bald nicht geben. Hauptgrund ist der hohe Qualifizierungsaufwand für SHM-Systeme. Airbus plant deshalb die Einführung von SHM-Systemen in vier Stufen beziehungsweise über vier Generationen, wobei „Generation Null“, der Einsatz bei Strukturtests am Boden, bereits Stand der Technik ist. Als Nächstes sollen Offline-Sensoren in Wartungsroutinen eingearbeitet werden. Haben sie dort ihre Zuverlässigkeit bewiesen, werden sie durch Online-Sensoren und komplette On-Board- Systeme ergänzt. Erst in „Generation Drei“ werden die SHM-Systeme vollständig in die vorhandenen Bord-Systeme integriert. Bis es so weit ist, gilt es auch noch einige Hürden jenseits der Sensorik zu überwinden. So muss beispielsweise sichergestellt sein, dass sich der Wartungsaufwand für die SHMSysteme selbst in engen Grenzen hält. Ein weiterer Punkt ist die Auswertung der Sensor- Daten. Schießlich sollen die SHM-Systeme nicht nur Daten sammeln, sondern diese auch selbstständig interpretieren.

Ein Vorläufer eines SHM-Systems ist in den beiden Langstrecken-Riesen A380 und A340-600 installiert: der Tail Strike Indicator (TSI). Wegen des vergleichsweise großen Anstellwinkels bei Start oder Landung kommt es bei extrem langen Flugzeugen immer wieder vor, dass der hintere Rumpf die Runway berührt. An dieser besonders gefährdeten Stelle ist der TSI angebracht. Die leicht vorstehende Box enthält unter anderem zwei unabhängige Kupferschleifen. Werden diese Schleifen durch Abrieb beschädigt, wird der Stromkreis unterbrochen und der Pilot erhält eine entsprechende Meldung, sobald er eine sichere Flugphase erreicht hat.

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