İnsansız hava araçlarındaki servo eyleyiciler için güvenilirlik analizi
Reliability analysis of servo actuators installed in an unmanned air vehicle
Yazar: ALTUĞ TÜFEKÇİOĞLU
Danışman: PROF. DR. MELİKE NİKBAY
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Uçak Mühendisliği = Aircraft Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında güvenilirlik kavramı, temelleri, güvenilirlik analizinin neden ve nasıl yapılması gerektiği anlatılmıştır. Havacılık uygulamaları için genel bir çerçeve çizilmiş, daha sonra insansız hava aracına takılmış bir servo eyleyici için örnek analiz yapılmıştır.
FAA ve EASA'nın yayımladığı havacılık regülasyonları, uçuşa elverişlilik sertifikası için güvenilirlik analizinin yapılmasını şart koşmaktadır. ARP 4754A, ARP 4761 ve askeri standart MIL-STD 1629A gibi tavsiye niteliğindeki diğer belgeler, güvenilirlik analizlerin kapsamını ve nasıl yapılacağını tarif etmektedir. Bağlayıcı regülasyonlar ise bu tavsiye niteliğindeki belgelere atıfta bulunmakta ve bu belgelerin takip edilmesini tavsiye etmektedir.
Bahsi geçen belgelerde yapılması tavsiye edilen İşlev zarar analizi (FHA: functional hazard analysis), uçak güvenliği ön değerlendirmesi (PSSA: preliminary system safety assesment), hata ağacı analizi (FTA: Fault tree analysis), arıza biçimleri, etkileri ve kritiklik analizi (FMECA: failure mode, effects and criticality analysis) gibi yöntemler hakkında genel bilgi verilmiştir.
Analizler, işlev zarar analizi (FHA) ile başlar. Uçağın ana işlevleri belirlenir ve bu işlevlerin kaybedilmesinin güvenlik üzerindeki etkileri incelenir. Güvenlik üzerinde küçük etkileri olan işlev kayıplarının görece yüksek olasılıklı olması kabul edilebilir, ancak birden çok kişinin öldüğü, çoğunda uçağın düşüşü ile sonuçlanan felaket durumuna (catastrophic) neden olacak işlev kayıplarına yol açacak arızaların gerçekleşme olasılığı, 10-9/saat'i aşmamalıdır. Ayrıca arıza olasılığı ne olursa olsun tek bir parçanın arızasından dolayı felaket durumu oluşmamalıdır, yani tekil arızaya (single failure) imkân verilmemelidir. FHA analizi önce uçak için yapılır, daha sonra buradan çıkan sonuçlara göre alt sistemler için tekrar edilir. 
FHA analizlerinden sonra uçak güvenliği ön değerlendirmesi (PSSA) yapılmalıdır. Hata ağacı analizi, PSSA analizinin önemli bir öğesidir ve izin verilen arıza sıklıklarının en alt parçaya kadar indirilmesine izin verir. Bir parçanın arıza olasılığı gibi, arıza durumunda üst sisteme ne etki edeceği de önem teşkil eder.
FHA, PSSA gibi "yukarıdan-aşağı" (top-down) yapıdaki analizler ile uçaktan en alt parçaya kadar inilerek her bir arızanın farklı biçimleri için olasılıklar, arızaların üst sistemlere etkileri, parça arızalar arası ortalama süresi (MTBF: Mean Time Between Failure) gibi isterler belirlenir.
Parçaların veya alt sistemlerin kendi arıza sıklıkları ve arıza biçimleri bağımsız bir çalışma ile kestirilerek; hata ağacındaki ilgili yerlere yerleştirilmeli ve beklentilerin karşılanıp karşılanmadığı, olası arızaların üst sisteme öngörülenden farklı bir olumsuz etkisi olup olmadığı incelenmelidir. En doğru yaklaşım parçaların test edilmesi veya sahadaki kullanımından gelen değerlerin kullanılmasıdır. Ancak henüz geliştirme aşamasında olan, piyasaya sürülmemiş veya yeni sürülmüş parçalar için yeterince saha verisi yoktur, test ise çok maliyetlidir. Bu durumda benzer parçaların arıza sıklıklarından yola çıkılarak hazırlanmış ampirik formüller kullanılır.
Elektronik parçalar için çok sayıda kaynak bulunmasına karşın mekanik parçaların arıza sıklıklarının kestirilmesi için en önemli kaynak, A.B.D. Donanması'nın yayımladığı Donanma Su Üstü Savaş Merkezi Carderock Bölümü'nün yayınladığı Mekanik Parçaların Güvenilirlik Kestirimleri için Prosedürler El Kitabı'dır. (NSWC – Naval Surface Warfare Center Carderock Division, Handbook of Reliability Prediction Procedures for Mechanical Equipment). Söz konusu kitapta yay, conta, filtre, rulman, kayış gibi kullanılan birçok mekanik parça için kestirimlerin nasıl yapılacağı tarif edilir. Çalışmada NSWC'nin yöntemleri ve hesaplama mantığı anlatılmıştır.
Arıza biçimleri aynı kaynakta isim olarak geçse de arıza biçimlerinin oranları bulunmamaktadır. Arıza biçimleri için, Güvenilirlik Analiz Merkezi'nin yayınladığı CRTA-FMECA [28] belgesindeki bilgiler veya RIAC tarafından yayınlanan "Failure Mode/Mechanism Distributions – 2013 (FMD-2013) kullanılmıştır.
Bu tez çalışmasında örnek çalışma olarak bir İnsansız Hava Aracı (İHA) sistemindeki bir servo eyleyici için arıza sıklığı hesaplanmış, arıza biçimleri ve olası üst seviye etkileri tespit edilmiştir. Yapılan çalışmalar, alt sistemin üst sisteme vereceği çıktıları içermektedir. Uçak sistemi seviyesinde yapılması gereken ve tüm uçağı kapsayacak olan FHA, FTA analizlerinin örnekleri, bu tez çalışması kapsamına alınmamıştır. Kullanılan eyleyici tasarımı ve boyutları, askeri alanda kullanılan parçanın gizliliği gözetilerek sadeleştirilmiş ve bir miktar değiştirilmiştir. Dolayısı ile sonuç rakamlar, gerçekte kullanılan örnektekinden farklıdır.

Abstract:
This study is a summary of the reliability concept and the "why and how" to make a reliability analysis for the aviation industry framework according to the regulations, advised applications, and handbooks are put forward.
Airworthiness regulations of both FAA and EASA states that reliability analysis is mandatory. Documents like aircraft recommended practices ARP-4754, ARP-4761 and military standards MIL-STD-1629A describe reliability analysis, including FHA (Functional Hazard Assessment), PSSA (Preliminary System Safety Assessment), FTA (Fault Tree Analysis), FMECA (Failure Mode, Effects and Criticality Analysis).
According to the related documents, a civil aircraft's catastrophic failure, which means many casualties and even the loss of the aircraft, happens one in every million flights. Ten percent of these failures are due to sub-systems. It is assumed that there are one hundred of different sub-system originated catastrophic failures. Hence, one sub-system's catastrophic failure rate shall not be over 10-9/flight hour.
For lower severity level failure conditions, probability of failure might be higher. For hazardous failures, which results with severe damage and few casualties shall have a failure probability of 10-7/flight hour or less. For major class failures, which means significant loss of functionality and small injuries, failure probability must be less than 10-5/flight hour. Similarly, 10-3/flight hour failure rate is the maximum limit for minor failure conditions, which covers slight functionality loss and one or few small injuries. Other accidents which may cause lower level safety reductions do not have a probability target.
First, for a reliability analysis, a Functional Hazard Analysis (FHA) must be done. In this analysis, main airplane functions are determined and possible effects of loss of these functions are evaluated. Failure conditions are categorized, and probability limits are indicated for failures that cause function losses. This is airplane level FHA. Second, system level FHA is performed. Sub systems' effects on function losses are analysed.
After FHA analysis, PSSA analysis (Preliminary System Safety Assessment) should be performed. One or more sub-system or part shall fail for a higher-level function loss. For sub-system, another lower level sub-system or part's failure is required. This top-down analysis shall be done from a function down to each part that may have a higher-level effect. Fault Tree Analysis (FTA), Dependence Diagram (DA), or Markov Analysis (MA) is suggested for this purpose. FTA, DA or MA is an important part of PSSA analysis
Airworthiness regulations also demand that no single failure shall cause a catastrophic failure, even it has a failure rate lower than 10-9/flight hours. FTA, DA or MA analysis is also used in order to investigate and remove single failure conditions. A redundant or back-up part may be added, or this part's failure effect shall be reduced from catastrophic to a lower level.
All top-down analysis are based on single parts' failure rates and failure modes which indicates the probability of a part's failure and possible higher-level effect of this failure. One part's failure mode, which means type of the failure, would have totally different higher-level effects. For instance, on a 4-engine passenger jet, shut-down and fire of a single engine would have very different higher-level effects.  Similarly, if an actuator of the cover for landing gear is stuck open, the result is minor effect on safety with little performance loss. However, if the same actuator is stuck, the result is a bell-landing, which is a hazardous failure. Therefore, not only failure rates of the parts, but also failure mode probabilities are critical.
Every single part's failure rates and failure modes shall be calculated, then these failure modes' higher-level effects shall be put forward. This part of reliability analysis has a bottom-up form.
Best way to find out failure rates and modes is test results and field result. However, it's a very expensive and time-consuming method. For new designs; although tests of prototypes are possible, it is even more expensive and time-consuming and not practical at design phases. Instead historical data and empirical formulas are used as an alternative to test results. Upper system's design criteria, working conditions and assumptions are inputs for empirical formulas.
For electric and electronic components, many references can be used. However, for mechanical parts' failure rates, the only available data is NSWC (Naval Surface Warfare Center)'s Handbook of Reliability Prediction Procedures for Mechanical Equipment. [27].
Failure rates shall be calculated according to the NSWC formulas. Since all similar parts' failure rates like gears or seals will be calculated from one single formula, results will not be very accurate for the particular part. Still, formulas include different environmental effects, load variances, and similar effects on part failure rates are considered
Failure modes of mechanical parts are derived from historical failure modes of existing similar parts. RIAC's Failure Mode Mechanism Distribution 2013 is the reference that includes necessary information for this study. 
Whenever these assumptions are considered inaccurate, test results shall be used.
Top-down analysis like FHA and FTA analysis and bottom-up analysis FMECA (Failure Modes, Effects, and Criticality Analysis) establish reliability analysis.
This study includes an example for bottom-up part of the reliability analysis. An electric servo actuator is analysed. Failure rates of mechanical parts are calculated and failure rates for electrical parts are taken from similar parts.
FHA and PSSA (FTA) analysis are not included in this thesis study.
One electrical servo actuator mounted on an unmanned air vehicle's elevator and rudder is examined. For security reasons, actuator is simplified, and sizes are changed.
There are 31 sub components like gears, bearing, seals, sensors etc. Main mechanical parts' failure rates are calculated according to the NSWC hand book. Simple parts like covers or joints are not calculated but estimated. Similarly, failure rates of electronic devices are not calculated and rough numbers close to real servo's electronic parts are used.
For calculations, all variables like environmental conditions, working conditions, design features, speeds and forces are used on the related formulas.
After failure rates, failure modes of these parts are evaluated. RIAC's failure modes are taken as an input. Unrelated failure modes, according to the design are omitted and modified failure modes are found.
Undesired higher-level effects are estimated and as a result, total probabilities of higher-level effects are summarized. 
As a conclusion, benefits of reliability analysis and further studies are given. Most important point is that all existing documents are based on manned aircraft and safety of occupants is the main focus for these references. For an unmanned aircraft, failure rate targets must be put forward.   A total reliability analysis including FHA, and PSSA is meaningful only after this.