Biztonságtechnika a repülésben és az űrutazásban

2020. január 30., csütörtök, 06:00

Címkék: Keller légiipar légiközlekedés mérés méréstechnika nyomástávadó piezoelektromos szelep piezoelektromosság repülőgép repülőgépipar űrhajó űripar űrkutatás űrprogram

A repülőgép a világ egyik legbiztonságosabb közlekedési eszköze, ami nagymértékben a pilóták kiváló képzésének, valamint a kifinomult fedélzeti és a földi technológiának köszönhető. Ez még inkább érvényes az űrutazásra. A KELLER AG für Druckmesstechnik nyomástávadói jelentős szerepet vállalnak a biztonságtechnika magas szinten tartásában.

Biztonságos repülés

Sok embernek támadnak kellemetlen érzései, amikor felszállnak egy repülőgépre, szemben azzal, amikor autóba ülnek, jóllehet ez utóbbi jelentősen nagyobb valószínűséggel jár balesettel. A német légiközlekedési vállalatok szövetségének (BDL) és a Repülésbiztonsági Hálózat (ASN) adatai szerint 2017-ben összesen 4 milliárd utast szállítottak légi úton, ebből tíz polgári repülési balesetben 79 haláleset történt. 2017-ben annak a kockázata, hogy valaki egy kereskedelmi repülés során az életét veszti, rekordalacsony szintre esett.

A BDL szerint a légitársaságok napjainkban 13-szor annyi utast szállítanak, mint 1970-ben. A növekvő szám ellenére az 1970-es években 1 : 264 000 volt a statisztikai valószínűsége egy repülőgép-balesetben bekövetkező halálesetnek, ami 2017-re 1 : 92 750 000-re változott. Ez azt jelenti, hogy napjainkban a légi járatok 350-szer biztonságosabbak, mint amilyenek az 1970-es években voltak. Ezek a nyilvántartások nem veszik figyelembe a katonai gépekkel és a kisebb repülőgépekkel bekövetkezett baleseteket, ahol a fedélzeten kevesebb mint 14 utas helyezkedik el. A biztonság növekedése a repülési technológia, a repülőtéri infrastruktúra és a légiforgalmi irányítás fejlődésének köszönhető. Manapság a repülőgépek jellemzően kevésbé érzékenyek az interferenciára. A siker a beszállítók és termékeik gondos kiválasztásával és szigorú átvilágításával is magyarázható.

KELLER nyomásmérők a repüléstechnikában

A KELLER 1997 óta szállít nyomásérzékelőket a légijármű-park minden szektora számára. A fő alkalmazási területek:

  • Fülkenyomás-szabályozás
  • Hidraulikus elosztók és szűrők
  • Szelepvezérlés
  • Üzemanyag-szivattyúk
  • Tankolórendszerek
  • Légkondicionáló rendszerek
  • Szellőzés
  • Vészhelyzeti oxigénellátás a pilóták számára

Amint az az alábbi ábrán látható, egy repülőgépben tíz különféle nyomástávadót használnak. A repülőgép típusától függően a KELLER vagy minden alkalmazási területet lefed, vagy csak ezek bizonyos részeit. A konkrét alkalmazások leírása titoktartási kötelezettség alá tartozik. Az alábbiakban három repülőgéptípust mutatunk be, amelyekben ezek az alkalmazások nagymértékben különböznek egymástól. Ez rávilágít arra, hogy a nyomásmérési technológiára vonatkozó igények igen széles skálán mozognak.

„A KELLER nyomásmérő technológiája több százezer repült óra alatt bizonyította megbízhatóságát. A kabinnyomás-érzékelők felé például 200 000 és 400 000 óra közötti hibamentes működési idő az elvárás. A legtöbb esetben a terepi adatok nehezen érhetők el. Néhány évvel ezelőtt azonban a KELLER egyik legnagyobb ügyfele megerősítette, hogy egy év alatt több mint egymillió órás MTBF-et (a meghibásodások között átlagosan eltelt idő) sikerült kimutatni – erre az adatra minden KELLER-alkalmazott büszke lehet.”

Jürg Dobler, a KELLER AG für Druckmesstechnik ügyvezetésének tagja

Airbus A380

A négymotoros, szélestörzsű A380 repülőgép két teljes hosszúságú utastérrel és maximum 853 utaskapacitással rendelkezik, így a polgári repülésben használt legnagyobb gépnek számít. Maximális repülési távolsága 15 200 km, utazósebessége pedig körülbelül 900 km/óra. A megfelelő hőmérsékletet két kompakt légkondicionáló rendszer biztosítja. Ezeknek a teljesítménye mintegy 450 kW. Amikor a rendszerek teljes kapacitással működnek, az utastér levegőjét hárompercenként teljes mértékben kicserélik. A kereskedelmi repülőgépek többségével ellentétben az A380 csak két hidraulikus körrel rendelkezik. A harmadik hidraulikus kört lokális elektro-hidraulikus hajtóművekkel váltották ki. Ez súlymegtakarítást eredményez, mivel kevesebb kábelt és szelepet tartalmaz. A szárnyakban és a felvonóegységben elhelyezett üzemanyagtartályok a tartószerkezet részét képezik. A tartályok ellenőrzött ürítésével a repülőgép súlypontja a repülés teljes ideje alatt automatikusan beállítható, ezáltal optimalizálva a repülőgép szerkezetének terhelését. A rendszer automatikusan felügyeli az üzemanyag utántöltését, illetve leszívását.

„Jelenleg mintegy 40 000 KELLER nyomásérzékelő van a levegőben, ebből körülbelül 30 000 szolgál a kabinnyomás szabályozására. A kabinnyomás pontos szabályozása egyértelmű előny az utasok kényelme érdekében, különösen fel- és leszálláskor. Jelenleg gyakorlatilag az Airbus teljes légiflottája, a brazil Embraer, a Boeing „Dreamliner” repülőgépei és különféle magánrepülőgépek repülnek a KELLER nyomásmérési technológiájával.”

Dr. Günther Kaden, a KELLER AG für Druckmesstechnik légiipari szenzorok tanácsadója

Airbus A400M

Az Airbus A400M típus váltja fel vagy egészíti ki hét európai NATO-ország légierőinek nagymértékben elavult szállítórepülőgép-flottáját. A négymotoros gép turbómotorral és akadálymentesített rámpával rendelkezik, ezenkívül rövid, burkolatlan kifutópályákról is képes felszállni. Noha az A400M már széles körben használatban van, műszaki fejlesztése még nem fejeződött be.

Boeing 787

Az úgynevezett „Dreamliner” egy ikermotoros, hosszú távú repülésre tervezett gép akár 300 utas számára. Az első „ikerfolyosós”, szélestörzsű repülőgép törzse elsősorban szénszállal erősített műanyagból (CFRP) készült. A súlycsökkentésnek, az újonnan kifejlesztett motoroknak és a továbbfejlesztett aerodinamikának köszönhetően 20%-os üzemanyag-megtakarítás érhető el, és a repülés is lényegesen csendesebb lett. A könnyűszerkezetes kialakítás ellenére a „Dreamliner” stílus az utastérre vonatkozó zajhatárokat is teljesíti. A motorok különlegessége, hogy a légkondicionáló rendszerbe nem engedik vissza a csapolt levegőt, így a motorolaj sem szennyezi a kabin levegőjét. Mindegyik motor két, egyenként 250 kVA teljesítményű indítógenerátorral rendelkezik, a motorok indításához és áramfejlesztéshez. A légkondicionáló rendszer elektromosan is működtethető. A 787 alapkivitelben úgynevezett inertáló rendszerrel is rendelkezik, ami egy speciális szűrőrendszer segítségével extrahálja a nitrogént a levegőből, és a tartályokba vezeti azt. Ez olyan alacsony szintre csökkenti az oxigénarányt, hogy tűz még szikraképződés esetén sem üthet ki.

Biztonságos űrutazás

A Nemzetközi Űrállomás (ISS) – fedélzetén az ESA Columbus laboratóriumával – körülbelül 400 km átlagmagasságon kering a Föld körül mintegy 28 800 km/óra sebességgel, így mindössze 90 perc alatt kerüli meg bolygónkat. Az űrhajósok számára az napi 16 napkeltét és napnyugtát jelent. Az ISS projekt sikerre viteléhez számos űrügynökség – az amerikai NASA, az orosz Roskosmos, az európai ESA, a kanadai CSA és a japán JAXA – egyesítette erőit.

Az ISS fedélzetén először 2000 novemberében tartózkodtak űrhajósok huzamosabb ideig. A moduláris felépítésű űrállomás 110 × 100 × 30 m méretű, és kb. 450 tonna súlyú. Az egyes moduláris alkotóelemeket rakéták és űrrepülőgépek állították pályára, és az űrben szerelték össze azokat. Az európai Columbus moduláris kutatólaboratóriumot 2008 februárjában szerelte be a 16. hosszú távú személyzet. A Columbus laboratórium az ESA legnagyobb hozzájárulásának számít a Nemzetközi Űrállomáshoz.

2009 májusa óta átlagosan hat űrhajós tartózkodik az ISS-en. A projekt résztvevőivel az űrállomás működése legalább 2024-ig biztosított, de műszaki szempontból a 2028-ig történő üzemeltetés is megvalósítható.

KELLER nyomástávadók az űrutazásban

A légi közlekedésre vonatkozó követelmények még nagyobb mértékben vonatkoznak az űrutazásra. Nem opció a kényszerleszállás, és az alkatrészcsere sem olyan egyszerű, mint a repülőgépek esetében. Néhány évvel ezelőtt egy német légi- és űripari társaság kereste meg a KELLER-t, mert nagyon megbízható abszolút és differenciál nyomástávadókra volt szüksége az ACLS (fejlett zárt hurkú rendszer) számára, amelyet végül az ISS-ben szándékoztak használni.

Az ACLS rendszer arra hivatott, hogy a modul atmoszférájából eltávolítsa a szén-dioxidot, és lelélegezhető oxigént állítson elő zárt körben. A 37 KELLER érzékelőt tartalmazó rendszert 2018 szeptemberében szállította a H-IIB rakéta HTV-7 teherűrhajója az ISS Columbus laboratóriumba.

Alexander Gerst parancsnok az Európai Űrügynökségtől (ESA) sikeresen telepítette az ACLS modult a Nemzetközi Űrállomásra (ISS) 2018. október 24-én

A belélegezhető oxigén előállításához az ACLS egyik alrendszere koncentrálja a CO2-ot a kabin levegőjéből. Az úgynevezett Sabatier-reakció biztosítja, hogy a hidrogén és a szén-dioxid egy katalizált folyamatban reakcióba lépjen, aminek eredménye víz és metán. A kondenzált vizet kiválasztják a gázáramból, és visszavezetik a vízkezelő rendszerbe. Az elektrolizátor hidrogénre és oxigénre bontja a vizet, a metánt pedig kivezetik az állomásról.

Az ACLS modult egy három űrhajósból álló legénység számára fejlesztették ki, és évi 450 kg vízfelhasználást takarít meg. Emellett naponta 3 kg szén-dioxidot távolít el, ezenkívül 2,5 kg oxigént és 1,2 kg vizet állít elő. Ez drámai módon növeli a teljes rendszer hatékonyságát, és csökkenti a Földről érkező utánpótlástól való függést.

Mint ahogy az az űriparban megszokott, az ACLS szenzorkészletét is eleve két példányban gyártották le, így mintakészletet is létrehozhattak fejlesztési és minősítési célokra. Az ebből származó megállapításokat azután a végleges változat kialakításában is figyelembe vették. A mintákat visszahozták a Földre, és azokat továbbra is felhasználják a tesztekben és a szimulációkban, valamint abban, hogy az ISS személyzetét tájékoztassák az ACLS esetleges hibáiról, a javításáról és a karbantartásáról.

Az abszolút és differenciál nyomástávadók szabályozzák az oxigénellátás folyamatait a Nemzetközi Űrállomáson (ISS)

A repülés és az űrutazás kritériumai

A repülésben – akárcsak az űrutazásban – a legmodernebb technológiát használják. Mindkét területen a legfontosabb szempont a maximális megbízhatóság, amit a felhasznált alkatrészeknek mélyrehatóan kell bizonyítaniuk. A repülőgépeket ezenkívül jellemzően 25-30 évig vagy annál is tovább üzemeltetik, így a pótalkatrészeknek hosszú ideig kell rendelkezésre állniuk. A repülőgépgyártók aprólékos karbantartási előírásainak értelmében egy alkatrészt nem szabad egyszerűen egy másik alkatrészre kicserélni, hanem csak ugyanolyan alkatrészt szabad használni ugyanazon beszállítótól. Ezért ebben az esetben nincs értelme szabványosított termékekre hagyatkozni. Minden KELLER alkatrészt az ügyfelek konkrét elvárásainak figyelembevételével fejlesztenek ki, hogy ideális megoldást jelentsenek az adott feladatra. Ez azt jelenti, hogy nincsenek univerzális megoldások, hanem inkább egyedi tervezésű technológiák, amelyeket mindenféle követelményhez alkalmazni lehet. Csak így teljesíthetők a maximális megbízhatóságra vonatkozó követelmények az adott környezeti feltételek mellett.

A pozitív statisztikákkal ellentétben az elmúlt két év néhány eseménye alkalmanként azt a benyomást keltheti, hogy a gazdasági érdekek felülírják a megbízhatóságra vonatkozó követelményeket. A KELLER ellenzi ezt a megközelítést, és azt tartja, hogy legyen minden alkatrész megbízható. Sajnos ez azt jelenti, hogy a hiányos előírások miatt a vizsgálatok kétharmadát utasítják el.

Speciális technológia speciális alkalmazásokhoz

A légi közlekedésben és az űrutazásban az elmúlt évtized során bekövetkezett pozitív fejlemények nem lennének lehetségesek megbízható háttér-technológia nélkül. A KELLER nagy pontosságú és megbízható nyomástávadói 1974 óta vesznek részt a fejlesztésekben.

A piezorezisztív technológia alapjai

A repülésben és az űrutazásban használt nyomástávadók magja egy piezorezisztív szilícium nyomásérzékelő. A tényleges érzékelő egy elasztikus szilíciummembránból készül, amely nyomás hatására deformálódik. A membrán a nyomáskülönbségből fakadóan mindkét oldalra elmozdulhat, ami mechanikai feszültséget okoz a felületen. Annak érdekében, hogy ez a mechanikai feszültség mérhető legyen, az ellenállásokat a membrán periferiális részeire helyezik, ahol ez a feszültség a legnagyobb. Az ellenállások a piezorezisztív hatás miatt sokkal erősebben reagálnak a mechanikai feszültségekre, mint a hagyományos nyúlásmérők, amelyek csak geometriai változásokat követnek. A legnagyobb előny tehát a rendkívül magas érzékenység és a jó nullpontstabilitás. Ez utóbbi a monokristályos szilícium alkalmazásából adódik, amely a fémmel ellentétben nem deformálódik.

A szilíciumcsipeken alapuló piezorezisztív technológia már bizonyított a mindennapi használatban, és egyre szélsőségesebb környezetben is alkalmazzák. Megfelelő alkalmazásának kulcsa tehát nem is annyira a technológia, hanem a piezorezisztív érzékelő csipek „csomagolásának” függvénye. A fémmembránokkal ellentétben a szilíciumszenzor ugyanis nem annyira érzéketlen a közegre, így kezdetben csak száraz, tiszta levegőben vagy nem vezető közegben lehetett használni. A szilikonmembránnal azonban egy intelligens ház és a hozzá tartozó áramkör nagy pontosságú, megbízható nyomásérzékelők létrehozására is alkalmassá vált.

Mivel egyik-másik mérendő közeg összeegyeztethetetlen a szilíciumérzékelővel, a szenzort el kell választani a közegtől. A KELLER számára a vákuumizált térrel szembeni nyomásmérés tűnt a legjobb megoldásnak a repülés és az űrutazás során, mivel így csak az egyik oldalt kell megvédeni a közegtől. A szilikon mérőcellának az üvegen történt elektrosztatikus rögzítése olyan eljárás, amely szinte ingyen biztosítja hátul a szükséges vákuumot. Vákuum nélkül nem működik az elektrosztatikus kötés, amely a hátoldalon lévő üveglap és a szilícium közötti ionvándorláson alapul. Problémát okozott az olajtöltés és a mérendő közegekkel szembeni szigetelés megtervezése is. A piezorezisztív szilícium mérőcellák felépítése során ellenőrizendő sok szempont miatt érthető, hogy egy ilyen szenzor tízszer, százszor drágább, mint egy szilícium mérőcella önmagában.

„Más szavakkal: az ügyfél megvásárolja a csomagolást, és gyakorlatilag ingyen megkapja hozzá a cellákat” – foglalja össze Jürg Dobler.

Magas pontosságuknak és nagy fokú megbízhatóságuknak köszönhetően az olajjal feltöltött piezorezisztív nyomásmérők vezető szerepet játszanak a nyomásmérésben, és e technológia áll a repülés és az űrutazás nyomásmérési alkalmazásainak középpontjában is.

www.keller-druck.com

Keresés
Bejelentkezés / Regisztráció
Média Partnerek