O contínuo crescimento da frota da aviação demanda a necessidade de novos métodos preventivos de análise de fatores de risco de falhas, a fim de reduzir o número de acidentes. Neste contexto, uma possível solução para evitar condições inseguras é a instalação de novos sistemas aeronáuticos. Esta Tese apresenta um método de análise das instalações de sistemas aeronáuticos baseado em um modelo conceitual de fatores humanos e uma aplicação de rede neural artificial, expondo uma visão geral dessas instalações e analisando os fatores de risco envolvidos. Esta é uma nova abordagem preventiva que estabelece uma relação entre as características inseguras observadas durante a instalação desses sistemas e um banco de dados operacional de acidentes, a fim de apresentar um novo método para o desenvolvimento de uma aviação mais segura. Por fim, é exemplificada a aplicação dos parâmetros obtidos pelo método, a fim de evitar condições inseguras durante a operação de um sistema em estudo.

A evolução da tecnologia tem permitido o desenvolvimento de sistemas cada vez mais complexos. Normalmente, estes sistemas são formados por subsistemas conectados entre si. Quando a operação do sistema é crítica em termos de segurança e desempenho o desafio é garantir a dependabilidade deste sistema na ocorrência de uma falha. Dependabilidade é um conceito emergente relacionado à habilidade do sistema em manter sua operação pretendida por um período prolongado de tempo, sob uma variedade de condições de estresse. Deste modo, a proposta apresentada nesta tese consiste em uma metologia de projeto de redes de controladores colaborativas que tenham por objetivo tentar garantir a dependabilidade do sistema como um todo. Os sistemas aqui considerados são compostos por susbsistemas conectados entre si por meio de variáveis relacionadas aos seus estados. O sistema de controle é formado por um subsistema e seu controlador local. Para que haja a possibilidade colaboração ou cooperação entre os nós da rede é proposto o uso de um gerenciador local. Este gerenciador tem a função de se comunicar com os demais e trocar informações na foram de pedidos de ajuda, caso algum índice relacionado a dependabilidade do sistema esteja comprometido. O gerenciador deve responder a estes pedidos por meio do ajuste de valores dos parâmetros do seu controlador local mitigando o dano ocorrido. São considerados apenas sistemas formados por subsistemas em cascata ou paralelo. Alguns estudos de casos são utilizados para ilustrar a metologia proposta.

Os últimos anos têm presenciado um significativo aumento no número e solidificação dos computados e assim como da evolução dos meios de comunicação. Da mesma forma que a telefonia móvel ou via satélite tem permitido que as pessoas se falem a qualquer momento, qualquer que seja sua localização a computação móvel nos próximos anos deve permitir que os inúmeros computadores móveis acessem cada vez mais a internet, bancos de dados, outros computadores específicos, enfim que os mesmos se comuniquem. A solução IP móvel para a mobilidade de nós que transferem e recebem pacotes de dados enquanto se movem introduz o uso de agentes de mobilidade. Do lado da sub-rede de onde o móvel é originário é empregado um Agente Domiciliar e na rede visitada pelo nó móvel encontra-se possivelmente o Agente Estrangeiro. Esses agentes fornecem serviços de mobilidade a diversos nós que estão sob sua região de atuação, servindo como roteadores default para envio de pacotes por parte dos nós móveis e interceptando pacotes destinados aos mesmos. Desta forma, os agentes de mobilidade podem tornar-se pontos únicos de falha e gargalos de desempenho para os nós por eles servidos. Este problema torna-se ainda mais óbvio no caso de aplicações militares. Em um cenário de batalha, os agentes que suportam a mobilidade encontram-se ainda mais expostos e sujeitos a ataques inimigos. A falha dos agentes e a conseqüente interrupção das comunicações pode prejudicar operações táticas, coordenação das forças amigas, localização de alvos etc. O presente trabalho faz primeiramente o estudo das soluções de mobilidade de um nó analisando inicialmente sem modificações ao protocolo IP mostrando os problemas advindos dessa tentativa. O Protocolo IP Móvel, especificado pela RFC 3344, é descrito em seus principais mecanismos e objetivos. O presente trabalho estuda alguns protocolos concebidos para tolerância do sistema a falha dos agentes de mobilidade no contexto do protocolo IP Móvel para versão IPV4. São considerados os seguintes protocolos: Fault Tolerant Móbile IP (FTMIP), Eficient Fault Tolerant Protocol (EFTP) e o Dynamical Redirection Approach for Móbile IP (DRA-MIP). Após a etapa, um dos protocolos será escolhido, o que apresenta melhores relações de custo benefício e o tráfego chegando neste conjunto modelado como uma fila M/M/m/ para estudar a sua reação à falha e comprovar sua eficiência e correção.

Os projetos de aeronaves são realizados de modo que uma falha simples não inviabilize a continuação do voo e o subsequente pouso em segurança. Porém, muitas das falhas necessitam ser reparadas em solo para que a aeronave retorne a voar, causando impactos negativos na sua produtividade e eficiência, fatores fundamentais para que uma aeronave obtenha sucesso comercial. Neste trabalho foi realizada uma análise da confiabilidade de três sistemas elétricos de uma aeronave executiva para até nove passageiros, na condição de operação normal e na condição de despacho com um dos geradores inoperante. Foram estudados: um sistema convencional utilizado por aeronaves com comando de voo mecânico, um sistema com Ram Air Turbine - RAT utilizado por aeronaves fly-by-wire, e um sistema com Auxiliary Power Unit - APU. As condições de falha dos sistemas elétricos foram identificadas, classificadas de acordo com sua severidade e tiveram suas probabilidades de ocorrência estimadas através do método conhecido como árvore de falhas, mostrando conformidade com os requisitos mínimos de aeronavegabilidade estabelecidos pelo Regulamento Brasileiro da Aviação Civil. Para o caso da arquitetura com um gerador elétrico adicional na APU, é mostrado que a condição de despacho da aeronave com um dos geradores inoperante mantém os níveis de confiabilidade de acordo com os requisitos de aeronavegabilidade, resguardando-se pequenos impactos operacionais, porém obtendo-se um ganho em termos de produtividade e eficiência da operação da aeronave.

O objetivo deste trabalho é propor modelos de elementos finitos que prevejam a ruptura de um olhal de material compósito sob determinada carga. Para isso, consideraram-se os resultados encontrados na literatura para orientar os parâmetros estruturais e resultados obtidos. Utilizou-se o critério de falha de Tsai-Hill e aplicou-se o método de degradação da propriedade do material de apenas degradar as propriedades de resistência do material de acordo com o modo de falha do olhal. O caminho da ruptura também foi obtido.

O trabalho mostra os conceitos teóricos aplicados no desenvolvimento de um sistema de dados do ar e a relevância deste sistema para que diversas funções da aeronave sejam executadas. Fornece também um embasamento teórico do processo de Safety Assessment que é aplicado na indústria aeronáutica de forma a garantir a segurança de vôo e a certificação da aeronave pelas autoridades. Com base em dados de campo relatados pelos operadores das aeronaves regionais, é realizada uma análise das causas das remoções de componentes do ADS e dos principais problemas encontrados na frota. A partir destes dados é realizada uma estimativa de MTBUR (Mean Time Between Unscheduled Removals) dos componentes e a análise do comportamento deste parâmetro ao longo da vida da aeronave. É feita uma análise das soluções desenvolvidas pelo fornecedor da aeronave e dos componentes, com o objetivo de permitir que desenvolvimentos futuros possam prevenir a ocorrência das falhas já estudadas e desta forma apresentar um maior nível de confiabilidade e segurança.

O voo autorrotativo de helicópteros monomotores apresenta peculiaridades tanto em termos de desempenho, quanto em qualidades de voo. Essa pesquisa aborda essas especificidades, sob a óptica dos processos de certificação, especialmente nos baseados nas normas FAR-27, com foco nos fatores humanos da segurança de voo. São descritos diversos fatores que influenciam decisivamente na carga de trabalho a que o piloto fica sujeito durante uma falha do motor e as ações necessárias para se realizar um pouso seguro em autorrotação. São propostos requisitos, que se aplicados nos processos de desenvolvimento e/ou aquisição de helicópteros dessa categoria, aumentam a segurança de voo e diminuem a carga de trabalho dos pilotos, durante um evento real de falha do motor. Foram estudados os requisitos, relacionados com os alarmes naturais e artificiais; os desbalanceamentos aerodinâmicos, especialmente nos instantes que seguem à falha do motor; o tempo de reação do piloto e a velocidade de abaixamento do comando coletivo. Já a metodologia de determinação das áreas inseguras do diagrama de altura por velocidade, a "curva do homem morto", é investigada, quantificada, comparada com as principais normas internacionais e validada em uma campanha de ensaios em voo, realizada em uma aeronave AS-350 da Força Aérea Brasileira, levada a cabo por pilotos e engenheiros de prova do Instituto de Pesquisas e Ensaios em Voo (IPEV) do DCTA. Esses estudos permitem a determinação da metodologia para definição de requisitos quantitativos do voo autorrotativo de helicópteros monomotores, com a finalidade de se diminuir os acidentes catastróficos resultantes das ações inadequadas dos pilotos durante o voo autorrotativo, bem como assessorar as autoridades envolvidas no processo de aquisição, desenvolvimento e certificação dos novos helicópteros de instrução das Forças Armadas Brasileiras.

This work addresses the problem of trajectory planning in the context of predictive control. Initially, planners in the literature using predictive control techniques with binary variables are extended to consider situations in which it is necessary that the vehicle visits multiple targets featuring a limited amount of fuel. A reward for visiting each target set is included to tune the compromise between saving fuel and visiting as many targets as possible. The second part brings contributions aimed at reducing computational complexity of the problem of planning and execution of trajectories. For this purpose, techniques for reducing the number of binary variables necessary to implement obstacle avoidance constraints are studied. In this context, a more economical procedure for encoding the problem is presented. Moreover, a method is proposed for generation of waypoints to be traversed by the vehicle in order to complete the mission. The resulting waypoints are passed to the control layer responsible for guiding the vehicle through them. The advantage of this dual-layer approach is that the online computational effort for determining the control signal is significantly reduced. With the approach of multiple sets and rewards, it is possible to accommodate a fault which causes a reduction in the amount of fuel available. Moreover, using the waypoint planning technique, the online computational load is reduced, making it viable to deal with problems involving more stringent control constraints possibly arising from actuator faults.

Os veículos aéreos não-tripulados, especialmente os quadrirotores, estão conquistando crescente notoriedade e importância tanto em aplicações civis quanto militares. No entanto, este tipo de aeronave é instável em malha aberta, sub-atuado e sujeito a restrições nos atuadores, o que dificulta o projeto de controladores. Ademais, há uma crescente necessidade em aumentar a confiabilidade e autonomia do voo destes veículos. Estes requisitos exigem uma correta especificação e monitoramento da bateria da aeronave, que tipicamente é superdimensionada devido às dificuldades de prever a demanda e a oferta energética, especialmente na presença de falhas e perturbações. Baseado nestas dificuldades, o presente trabalho apresenta um sistema de gerenciamento do voo de quadrirotores tolerante a falhas, sujeito a restrições energéticas. Este sistema é responsável pelas principais rotinas de controle do voo, e gerenciamentos da missão e falhas. Especificamente, é analisado o problema de controle integrado a algoritmos de diagnóstico e prognóstico de falhas, em um contexto de otimização multiobjetivo. Alguns destes objetivos são: precisão no rastreamento, minimização da distância total percorrida e elevada confiabilidade para a execução da missão. A solução proposta envolve o uso de um controlador preditivo multimodelo integrado a um filtro estocástico híbrido de múltiplos modelos interativos, para as rotinas de controle e diagnóstico de falhas durante o voo do quadrirotor. Ademais, no momento em que este diagnóstico detecta um distúrbio, é ativado um sistema de prognóstico, constituído de um filtro de partículas, a fim de estimar quais as possíveis consequências deste evento atípico sobre a missão da aeronave. Por fim, baseado nas características deste distúrbio e na disponibilidade energética, um módulo de supervisão decide sobre a necessidade de reconfigurar o controlador e/ou replanejar a missão. Os resultados demonstraram a viabilidade da solução proposta à custa de um acréscimo na carga computacional. No entanto, esta desvantagem pode ter baixo impacto devido ao desenvolvimento de novos computadores de bordo e algoritmos mais eficientes.

As companhias aéreas para se manterem competitivas no mercado necessitam de uma alta disponibilidade de suas aeronaves ligada a um baixo custo operacional. Para tanto, é essencial que se tenha um bom plano de manutenção de modo que se minimize o investimento em peças de reposição, bem como horas de trabalho de funcionários, tempo de interrupções e o downtime da aeronave. O plano de manutenção de uma aeronave esta contemplado no MRBR ("Maintenance Review Board Report"), que apresenta os requisitos manutenção criados por grupos e comitês, compostos por especialistas da área, para analisar e criar propostas de tarefas de manutenção programadas, através da análise MSG-3. Em paralelo ao processo MRB ("Maintenance Review Board") que faz uso da análise MSG-3, corre o processo de certificação, que através da análise de safety assessment verifica se a aeronave atende todos os requisitos de segurança, identificando as condições de falha da aeronave. No caso de alguma falha dormente, que em combinação com outros eventos leve a essa condição catastrófica ou hazardous, esta é levada a discussão em um comitê (CMCC -"Certification Maintenance Coordination Committee") para averiguar a necessidade de criação do CMR ou a utilização de uma tarefa definida no programa de manutenção para cobrir esta necessidade de inspeção. Este trabalho analisa e discute tarefas de manutenção que foram originadas seguindo, o processo de análise de segurança (Safety Analysis), e o processo de MRB, que faz uso da metodologia MSG-3. O objetivo é estudar sua origem e os passos que levaram à sua criação (para os dois processos), identificando similaridades e pontos de divergência no foco, caminho utilizado e profundidade da análise, visando servir de subsídio para futuras decisões do CMCC.