desenvolvimento de ferramentas para aumento da segurança em
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DESENVOLVIMENTO DE FERRAMENTAS PARA AUMENTO DA SEGURANÇA EM ENSAIOS EM VOO Nelson Paiva Oliveira Leite - D. Sc.; Leonardo Maurício de Faria Lopes - Eng.; e Lucas Benedito dos Reis Sousa - M. Sc. Grupo Especial de Ensaios em Voo (GEEV) Palavras Chave: Ensaios em Voo, Tempo Real, Incerteza, Segurança. BIOGRAFIA Leite, N. P. O. Carioca graduou-se pela UGF em Engenharia Eletrônica e obteve os títulos de Mestre e Doutor em Ciências pelo ITA. Em 1981 foi contratado pela antiga Subdivisão de Ensaios em Voo (PAR-V), atual Grupo Especial de Ensaios em Voo (GEEV) no qual ocupa o cargo de Coordenador de Pesquisa e Desenvolvimento. Possui diversos trabalhos publicados em períodicos e anais de congressos Internacionais. Em 2009 ministrou curso no Congresso Europeu de Telemetria (ETC) em Hamburgo. É coordenador do projeto FINEP-TLM. Possui as medalhas Santos Dumont e Ensaios em Voo. Em 1998 recebeu o prêmio Menção Honrosa da SAE Brasil. Lopes, L. M. F. Nasceu em Brasília - DF, em 23 de Agosto de 1977. É formado em Engenharia Aeronáutica pelo ITA em 2001. Em 2002, formou-se Engenheiro de Ensaios em Voo pela Divisão de Ensaios em Voo do IAE, hoje GEEV, onde atou e atua como Engenheiro de Ensaios no desenvolvimento, modificação e certificação de várias aeronaves e sistemas, no desenvolvimento de aplicativos de controle, visualização e redução de dados voltados para a atividade de ensaio e como instrutor convidado no Curso de Ensaios em Voo. Atualmente é o Chefe da Subseção de Sistemas da Seção de Engenharia de Ensaios do GEEV. Souza, L. B. R. Nasceu em Santa Branca - SP. Em 1989 formou-se como Engenheiro Eletrônico pela Universidade do Vale do Paraíba. Em 20052, recebeu o título de Mestre em Ciências pelo ITA. Em 1982 foi contratado como técnico eletrônico pela antiga Subdivisão de Ensaios em Voo (PAR-V), atual GEEV. Em 1991 foi reclassificado para o cargo de Engenheiro Jr. Atualmente, como Tecnologista Sênior, ocupa os cargos de Chefe da Subdivisão de Calibração e de Assessor da Qualidade no GEEV. Seus interêsses incluem Telemetria, Instrumentação Eletrônica e Calibração. Possui as medalhas Santos Dumont e Ensaios em Voo. RESUMO Ensaio em voo é um dos principais pilares que sustentam o desenvolvimento do Poder Aeroespacial de um País. No Brasil esta atividade foi introduzida pela Subdivisão de Ensaios em Voo (PAR-V) do antigo Instituto de Pesquisa e Desenvolvimento (IPD) que atualmente é o Grupo Especial de Ensaios em Voo (GEEV). Esta atividade está intimamente ligada com segurança. Num lado a segurança operacional de um produto aeronáutico (e.g. Aeronave) depende da confiabilidade e exatidão das informações (e.g. Velocidade de Estol) obtidas durante o processo de desenvolvimento e de certificação deste produto. No outro lado, o desenvolvimento de um novo produto, cujo envelope de voo ainda não foi completamente explorado, depende da execução satisfatória dos voos de ensaios. Para isso deve-se garantir a integridade física do objeto e da tripulação de ensaio. Os fatores mais agravantes deste cenário é o aumento exponencial da complexidade dos produtos aeronáuticos, que requer um número maior e medidas mais exatas e no uso de tecnologias novas, que ainda não estão amadurecidas. O primeiro fator aumenta a complexidade dos sistemas usados nos ensaios em voo e requer o uso de sistemas mais automáticos. O último fator aumenta bastante o risco dos voos experimentais e dos operacionais. Neste contexto o GEEV tem desenvolvido várias ferramentas e soluções inovadoras para uso nas campanhas de ensaios em voo. Das soluções desenvolvidas e em uso pode-se ressaltar o Sistema de Automação do Laboratório de Ensaios em Voo (SALEV); A ferramenta para ensaios de sistemas aeronáuticos com propulsão; e As ferramentas de apoio a decisão para ensaios em voo de Calibração Anemométrica; Desempenho cruzeiro Jato; e Estabilidade Estática Longitudinal. O cerne destas soluções é um aplicativo inovador que adquire as medidas que estão sendo distribuídas nas redes locais das Estações de Telemetria (ET) do GEEV. Com isso aumenta-se a segurança operacional de um voo de ensaio e em consequência a segurança operacional do objeto que esta sendo avaliado. INTRODUÇÃO A campanha de ensaios em voo é uma atividade da Engenharia Aeronáutica que tem por finalidade determinar as reais características de uma aeronave e/ou de um sistema qualquer (e.g. Central Inercial). Assim com esta metodologia que é executada com base no rigor científico, será possível obter um alto grau de conhecimento a respeito deste produto e então validar o projeto. Neste contexto a execução de uma campanha de ensaios deverá atender aos requisitos específicos e particulares de cada caso que são estabelecidos pelo interessado. Sendo assim este processo será composto pelas seguintes fases (Figura 01): • Planejamento, ento, na qual a equipe técnica em conjunto com o interessado irá detalhar todos os requisitos técnicos operacionais deste ensaio. • Preparação, na qual as equipes técnicas irão projetar e integrar na aeronave de ensaio todos os meios necessários para a aquisição aquis das informações sobre as características deste objeto. Tipicamente isso inclui: o Instrumentação de Ensaios em Voo (FTI) que realizas as medições; o A determinação da incerteza de todas as medidas; o O desenvolvimento dos aplicativos de processamento de dados; o A Obtenção de autorização de voo experimental; e o As definições dos voos de ensaios (Ordens de Ensaios e de Voos). • Execução, xecução, na qual são realizados os voos de ensaios para se adquirir informações exatas a respeito do comportamento desta aeronave no seu ambiente real de emprego. Na execução existem duas regras básicas que são: o Trazer a aeronave de volta, que está associado com a Segurança egurança de Voo (SV); e o Trazer informações exatas, que irão suportar a exatidão das análises e consequentemente a segurança operacional. • Análise, na qual são determinadas as reais características do objeto ensaiodo. Ao fim da análise são elaborados relatórios técnicos com as informações necessárias para o cliente. Figura 01 – Fases da campanha de ensaios em voo Como apresentado SV e ensaios em voo estão conectados em dois pontos. Um lado relativo ao voo de ensaio e o outro relativo ao voo operacional. Assim para suportar esta necessidade o GEEV realiza pesquisa aplicada para o desenvolvimento de soluções inovadoras para melhorar a SV de ensaio e para melhorar a exatidão das medidas. AQUISIÇÃO DE DADOS DE D ENSAIOS O elemento principal que sustenta o desenvolvimento, integração e a certificação de um produto aeronáutico é a informação sobre as suas características. Em ensaios em voo para se adqurir estas informações é usado um Sistema de Aquisição de Dados (SAD) embarcado mbarcado que registra todas as informações pertinentes (IRIG, 2007). 2007) Desta forma, é possível recuperar estes dados, numa operação de redução de dados pós voo, oo, e então se determinar o comportamento do objeto avaliado. Esta arquitetura de aquisição, gravação a bordo e reprodução pós voo de dados para análise é extremamente simples e barata (Figura 02).. Porém como são feitos muitos voos de abertura de envelope que possuem médio e alto risco, as operações de aquisição e processamento de dados devem ser trazidas para um ambiente em Tempo-Real. Figura 02 – Arquitetura para aquisição da dados Assim a infraestrutura necessária para a realização dos ensaios em voo deve também incluir um canal para rádio comunicação e uma Estação de Telemetria (ET) para Aquisição e Processamento de Dados em Tempo Real. A utilização da ET em Tempo-Real Tempo atende a tres necessidades básicas: • Se durante um voo de ensaio houver uma falha crítica e a perda da aeronave, a ET terá o registro de todas as informações necessárias para se determinar a causa desta ocorrência. Com isso a equipe de técnica pode aperfeiçoar o projeto to e continuar com o desenvolvimento; desenvolvimento • Para que a condição anterior não ocorra, dados d recebidos em tempo real poderão ser apresentados nas telas dos monitores da ET para que sejam observadas violações dos parâmetros críticos para a SV do ensaio • Estas mesmas telas ou outras ainda mais especializadas poderão ser usadas para verificar v se os pontos de ensaio foram feitos em conformidade com os requisitos. Assim as duas primeiras condições estão muito acopladas com a SV. A terceira aumenta a eficiência do Programa Progra de Ensaio. Entretanto, considerando que alguns voos possuem risco alto ou moderado, o aumento da eficiência tambem melhora as condições de SV. DESENVOLVIMENTO DAS FERRAMENTAS No contexo do ensaio em voo, o princípio básico que norteia a pesquisa aplicada no GEEV é a SV. Assim serão apresentadas duas linhas de pesquisa inovadoras tratadas no âmbito do GEEV, que se encaixa nesta abordagem (i.e SV), que são o desenvolvimento do (as): • Sistema de Automação do Laboratório de Ensaios em Voo (SALEV) que é responsável pela calibração e pela determinação da Incerteza de todos os parâmetros de ensaios em voo (SOUSA, LEITE, WALTER e CUNHA, 2006); e erramentas de apoio a decisão, usadas para garantir a • Ferramentas segurança e validar idar os voos de ensaios em e tempo real e ainda para aumentar a eficiência do programa de ensaio por meio da realização da redução e análise de dados em tempo quasi-real. SALEV O SALEV tem por objetivo determinar o modelo para a minimização do erro de uma medição e a incerteza associada, pois a expressão completa de uma medida (EA, 2002) deverá conter quatro elementos: • O valor medido; • A sua unidade; • A Incerteza associada; e • O Fator de abrangência. Assim a expressão completa de uma medida é condição necessária e suficiente para que seja associado o valor medido (i.e. Valor conhecido) com o seu valor verdadeiro (i.e. Valor desconhecido). Como exemplo ao se declarar que a medida da temperatura de impacto (ti) num ponto de ensaio qualquer foi de ti = 12,45º ± 0,05 05 @ 1σ está implícito (Figura 03) que: • Existem 68,26% % de probabilidade de que o valor verdadeiro desta medida esteja compreendido entre 12,40º a 12,50º; e • O valor que melhor expressa à medida vedadeira é de 12,45º. modelo para minimização dos erros da medida e a incerteza associada. Figura 04 – Arquitetura do SALEV Para as aplicações de medidas diretas (e.g. Pressão estática da aeronave - pb), a incerteza calculada pelo SALEV atende satisfatoriamente os requisitos. Porém em muitos casos a informação buscada é um parâmetro derivado calculado a partir de uma ou mais medidas diretas e de coeficientes determinados de forma experimental. Neste caso cas a incerteza deste parâmetro derivado é uma combinação das incertezas das medidas diretas e dos coeficientes usados. O problema é que esta combinação pode ser do tipo linear ou não-linear. não Como exemplo pode se apresentar o algorítmo (Figura 05) de calculo lo da Velocidade Verdadeira (V ( t), que depende das medidas diretas das Pressão de Pitot (p ( p), de pb, de ti e dos coeficientes calculados pela campanha de ensaios em voo de calibração anemométrica dos erros de posição das tomadas de pressões estática (∆pb) e pitot (∆pp) bem como do fator de recuperação (K) do sensor de ti (ARANTES, 2003). Figura 03 – Expressão correta de uma medida de ti. No processo de medida (i.e. Durante o voo) são determinados o valor medido e a sua unidade. Entretanto o cálculo da incerteza e seu fator de abrangência são realizados pelo SALEV durante o processo de calibração que ocorre na fase de preparação. A solução deste problema poderá obtida por meio da comparação do Parâmetro Medido com o seu Valor de Referência (i.e. Verdadeiro). O SALEV é um sistema projetado em conformidade com a norma ISO 17025 (ISO, 2005).. Este sistema determina de forma automática e em cadeia fechada (Figura ( 04) o Assim a determinação da incerteza de um parâmetro poderá ser resolvida analiticamente por análise estocástica (MAYBECK, 1979) ou experimentalmente pelo SALEV (Figura ( 06) o qual irá controlar simultaneamente multiplos padrões de referência. ref Figura 05 – Diagrama do algoritmo de cálculo de Vt. Segurança do Voo de Ensaio O uso da ET para aquisição e processamento de dados em tempo real permite a monitoração contínua dos parâmetros relacionados com a segurança de um voo do ensaio. Assim caso haja uma violação da condição de segurança: A equipe de terra comanda o fim do ensaio; e A tripulação termina o voo o mais rápido possível e retorna para o aeródromo. aeródromo Com base nos dados obtidos as causas desta violação serão investigadas, determinadas e as providências tomadas para que seja possível reiniciar os voos. • • Figura 06 – Diagrama de calculo da incerteza do parâmetro. Examplo: O parâmetro derivado rampa de subida (γs) é calculado por: γS = VZ (%) Vt Eq. 01 A arquitetura da ET do GEEV (Figura 08) usa processamento distribuido em tres níveis que são: são Aonde: • Vz = é a velocidade de subida da aeronave (knots) • Assim, usando a metodologia apresentada, foi possível calcular a incerteza de γs (∆γs) cujo valor foi de 0,28% @1σ. • Considerando que o relatório do voo de ensaio para certificação de uma aeronave Bi-motor, motor, mostra que γs, na condição de pane monomotor, com o peso máximo de decolagem e mantendo a Vt = 106 kias foi de 0,10% ±0,28% @1s, e ainda que o requisito contido no § 25.121(a), (b) e (c) - subida de motor inoperante noperante (FAA, 2000), estabelece o valor mínimo de 0% para o 1º Segmento, a autoridade certificadora (e.g. IFI ou ANAC) poderá concluir com esta medida que a probabilidade do valor de γs ser maior do que 0% é de apenas 63,95% (Figura 07). • Com isso pode-se se demonstrar que o uso da incerteza propicia o entendimento real do desempenho desta aeronave, já que neste caso existe a probabilidade de 33,05% de que γs seja menor que 0%. Este fato poderia eventualmente comprometer a segurança operacional desta aeronave. É bom lembrar que, a expressão xpressão do valor medido sem incerteza (i.e. 0,1%) poderia induzir a uma conclusão incorreta do desenpenho desta aeronave (i.e. Desempenho satisfatório) já que 0,1% 0%. Figura 08 – Arquitetura da ET do GEEV. Tipicamente a operação destes sistemas é feita em tres etapas (Figura 09): • • • Figura 07 – Desempenho em decolagem monomotor. No sistema de decomutação, no qual as medidas brutas são convertidass para Unidades de Engenharia (EU) e os parametros derivados são calculados; Nas estações de trabalho Linux e computadores compu pessoais (PC) conectados na rede SCRAMNet, nos quais são feitos o processamento e apresentação de dados mais críticos para a segurança do voo; e Nos PC conectados na rede de telemetria TCP-IP, TCP nos quais feitos o processamento e apresentação dos outros dados adquiridos. Antes do voo, no qual são inseridas todas as informações necessárias a configuração da ET para a operação em Tempo Real (e.g. Coeficientes das Curvas de Calibração); Em tempo real, no qual os dados recebidos do canal de telemetria são decomutados, gravados, convertidos para EU e apresentados, e processados para validação do ponto de ensaio. Pós voo, no qual os dados da gravados a bordo são decomutados, convertidos para EU e apresentados, processados para validação do ponto de ensaio, e analisados para elaboração dos relatórios de voo. A operação deste sistema não é muito eficiente, pois tarefas de decomutação e processamento de dados são executados duas vezes em tempo real e pós voo. O motivo é que os dados recebidos pelo canal de telemetria contêm mais ruidos dos que os gravados. Figura 09 – Operações da ET. Mesmo assim, com esta arquitetura é possível realizar o acompanhamento contínuo dos parâmetros que garantem a segurança do voo de ensaio. Para isso pode-se usar: • Telas gráficas que representam pictorialmente os instrumentos de bordo de uma aeronave e os comandos de voo (Figura 10); • Telas com gráficos que representam as amostras históricas e os limites aceitáveis de parâmetros críticos para a SV (Figura 11); ou • Telas combinadas que reunem informações obtidas por diversas fontes de dados (FTI, Radares de Trajetografia, Receptores GNSS, e etc...) e processadas por um algorítmo específico. Figura 11 – Representação Gráfica de um Ensaio de Parafuso. Figura 12 – Tela do Sistema TRACKVIEW. Ferramentas de apoio a decisão A introdução destes aplicativos em Tempo-Real contribui bastante com o aumento da eficácia, porém o maior problema a ser enfrentado é a confiabilidade do canal de comunicação. Figura 10 – Representação Pictorial de um Ensaio de Parafuso. Do conhecimento adquirido do uso de telas combinadas foi feito o desenvolvimento do sistema TRACKVIEW (Figura 12). Este sistema reune todas as informações necessárias para garantir a segurança e o atendimento dos requisitos necessários para o lançamento nas campanhas de ensaios em voo de desenvolvimento, certificação e de qualificação de sistemas bélicos. Esta metodologia inovadora abriu uma nova fronteira para a utilização da ET. Neste caso as informações colhidas são processadas em Tempo-Real por um algoritmo que calcula se o lançamento poderá ser feito em conformidade com os requisitos de cada um dos pontos de ensaios. Esta nova técnica de ensaio aumenta de forma direta a eficiência e de forma indireta a segurança do voo, pois estes voos são intrinsicamente arriscados Algumas técnicas inovadoras permitem melhorar a deficiência do canal, isso inclui a utilização da Diversidade Espacial (JEFFERIS, 2004) e da arquitetura iNet (HODACK, 2008). Neste contexto, o GEEV em conjunto com a EMBRAER e com o apoio da FINEP desenvolveu um projeto inovador para a integração de ferramentas que permitem a execução da redução de dados e do relatório de voo em Tempo Quase-real (Figura 13). Figura 13 – Operação em Tempo Quase-Real. Neste sistema foram incorporadas ferramentas de validação e armazenamento temporário dos pontos de ensaios válidos e para a redução final dos dados. Com esta nova abordagem, o relatório final poderá ser feito de forma automatizada enquanto a aeronave ainda estiver voando, consequentemente, a eficiência das operações da ET será melhorada. O cerne deste desenvolvimento foi a integração de um aplicativo que adquire os parâmetros nas redes locais da ET (i.e. SCRAMNet ou TCP-IP) IP) com um aplicativo de processamento nto matemático de dados (i.e. Roteiro Matlab®) que realiza o tratamento dos dados e a apresentação dos resultados (Figura 14). Esta nova funcionalidade permite a construção de ferramentas de apoio à decisão ajustadas para cada aplicação específica. • • • • Extração e armazenamento temporário dos trechos validados; Análise dos resultados; Geração do relatório de voo; e Armazenamento dos dados para posterior consulta. Como prova de conceito foram integradas ferramentas para ensaios em voo de: • Calibração anemométrica; • Desempenho em cruzeiro jato; e • Estabilidade estática longitudinal. Figura 16 – Tela de Controle de Aquisição dos Dados. A tela principal do aplicativo de processamento de dados é dividida nas seguintes seções (Figura 17): 17) Figura 14 – Aplicativos para Operação em Tempo Quase-Real. Quase O aplicativo de aquisição de dados permite a aquisição dos dados oriundos da Instrumentação da Aeronave e de qualquer outra fonte de informações disponível disponíve nas redes da ET. Isso inclui cameras de alta velocidade; estações de vento; receptores GNSS; e etc... sado antes ou no início do voo. Este aplicativo pode ser usado No primeiro caso (Figura 15),, o usuário poderá criar ou editar um arquivo com todas as informações necessárias a aquisição de dados (e.g. Lista dos parâmetros) para automatização do processo. Nas operações em tempo real, real apóss a configuração deste aplicativo, o usuário poderá controlar o fluxo de dados ou ver o estado atual desta operação (Figura 16). • • • • Tela de controle do aplicativo (Área 1); Tela com gráficos em linha; valor corrente; e janela, parâmetros e estado de validação (i.e. Valido ou Não Valido) de até quatro parâmetros (Área 2); Tela com valores e estado de validação de até seis parâmetros (Área 3);; e Até dois gráficos em tempo quase-real quase com os resultados parciais (i.e. dos pontos de ensaios válidos) do voo de ensaio (Área 4). 4) Figura 16 – Tela de Controle de Aquisição dos Dados. Figura 15 – Tela de Seleção dos Parâmetros. O aplicativo de processamento de dados realiza as seguintes tarefas: • Apresentação ão dos parâmetros em tempo Real; • Validação dos pontos de ensaio; Esta funcionalidade inovadora irá contribuir bastante com a segurança do voo de ensaio já que foram adicionados indicadores de violação das condições de validação dos pontos de ensaios que por natureza são muito mais restritivas que as condições de segurança de voo. Além disto, o aumento da eficiência evita a repetição de voos de ensaios que são muitíssimo caros e às vezes arriscados. Da aplicação desta metodologia na campanha de d ensaio em voo de calibração anemométrica do XIX Curso de Ensaios em Voo (CEV) foi possível gerar o relatório final com os resultados finais do erro da tomada de pressão estática (Figura 17) e do fator de compensação da sonda nda de temperatura tem (Figura 18) imediatamente ediatamente após a aceitação do último ponto de ensaio, enquanto a aeronave ainda estava voando. Esta característica única é objeto de desejo de qualquer qualque centro de ensaios em voo e certamente irá contribuir com a melhora da segurança de voo. de apoio a decisão também irá ampliar o alcance destes aplicativos na mitigação ção do risco do voo de ensaio. Figura 17 – Erro de Estática da Aeronave XAT-26. XAT Figura 19 – Pesquisa e Desenvolvimento e a Segurança de Voo Outro campo que se desponta no futuro próximo para o aumento da segurança de voo é o uso combinado de simuladores, que pode eventualmente mostrar uma possível condição de voo inseguro e das técnicas de projetos de experimentos (DOE), que pode minimizar número de voos de ensaios. Neste contexto o GEEV está buscando parceiros para o desenvolvimento de pesquisa aplicada nesta área de conhecimento. Figura 18 – Fator de Compensação da Aeronave XAT-26. XAT CONCLUSÕES Mesmo aparecendo ser uma afirmativa paradoxal, Ensaios em Voo e Segurança de Voo estão intimamente ligados entre si. Neste contexto este trabalho demonstrou que a segurança operacional de um produto aeronáutico depende da confiabilidade e exatidão das informações obtidas durante o processo de desenvolvimento e de certificação deste produto. No outro lado, o desenvolvimento de um novo produto, cujoo envelope de voo ainda não foi completamente explorado, depende da execução satisfatória dos voos de ensaios e consequentemente da segurança de voo. voo Este trabalho foi focado na apresentação de como os projetos de P&D realizados no ambito do GEEV suportam estes dois lados da segurança de voo (Figura 19). Porém este atividade não termina nunca. Se por um lado o GEEV irá continuar na buscar incessante de d soluções melhores e mais exatas para se determinar as incertezas dos parâmetros de ensaios, principalmente daqueles com relações não-lineares, lineares, a implantação de novas ferramentas AGRADECIMENTOS Os autores deste trabalho gostariamos g de expressar os agradecimentos para: • • • • A FINEP que por meio dos Convênios 01.07.0663.00 (FINEP/TLM) e 01.07.0540.00 01 (FINEP/SINAV), custeiam a atividade de P&D no GEEV; Dr. Ronaldo Cruz e MSc. Fábio Lameiras, que fizeram a revisão do algorítmo de calculo da velocidade indicada (Vi); Os alunos do CEV que realizaram os voos de ensaios dos quais foram tirados os dados apresentados; e Grupo Especial de Ensaios em Voo Vo pelo suporte técnico oferecido. REFERÊNCIAS ARANTES, R. M., “Introdução Introdução a Aerodinâmica Técnicas de Ensaios em Voo – Calibração ração”, Documento nº E-B11, Capítulo 2.3, Grupo Especial de Ensaios em Voo, V 2003. 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