progetto di sistemi avionici

Politecnico di Torino

A.A 2011/2012

Sistemi aerospaziali

Progetto di sistemi avionici

VELIVOLO DA TRASPORTO MILITARE

BERTOLINO Federico

BERGAGNA Matteo

BRANCA Giancarlo

Introduzione

Obiettivo del nostro lavoro è stato quello di definire a livello di avamprogetto il sistema avionico di un velivolo. Nel nostro caso è stato scelto un velivolo da trasporto militare con sistema propulsivo a getto.

Le fasi che costituiscono il progetto sono:

1. Definizione del profilo di missione 2. Definizione delle funzioni che il sistema avionico deve svolgere (albero funzionale) 3. Definizione del tipo di apparato in grado di svolgere ciascuna funzione (matrice

apparati-‐funzioni) 4. Definizione delle interconnessioni tra i vari apparati (matrice di connessione) 5. Schematizzazione dei collegamenti funzionali tra apparati (diagramma di connessione

funzionale) 6. Schematizzazione dei collegamenti fisici tra apparati mediante data-‐bus (diagramma di

connessione fisico) 7. Scelta degli apparati e stima di ingombri, peso e potenza richiesta 8. Collocamento approssimativo dei singoli apparati sul trittico del velivolo

1. PROFILO DI MISSIONE

Un velivolo da trasporto militare deve essere in grado di trasportare merci, truppe e attrezzature in missioni che prevedono scenari operativi estremamente variabili, sia in ambito civile che militare. Deve quindi essere in grado di interfacciarsi opportunamente con i sistemi di comunicazione e di navigazione sia nello spazio aereo civile che in quello militare. In ambito militare si troverà ad operare in territori ostili, nei quali gli aiuti alla navigazione standard non sono presenti. Dovrà quindi essere in grado di determinare la propria posizione e di compiere la navigazione in modo totalmente autonomo, nonché di decollare e atterrare su piste non preparate. In missioni di supporto truppe o di aiuto umanitario deve inoltre possedere la capacità di scaricare merci tramite aviolanci di precisione. Sono inoltre richieste elevate capacità di autodifesa che proteggano il velivolo dalle varie minacce a cui può andare incontro nell’impiego in scenari bellici.

Nella tabella seguente abbiamo individuato, per ogni fase della missione, possibili minacce e difficoltà e funzioni che l’avionica deve svolgere.

FASI POSSIBILI MINACCE E DIFFICOLTA’

FUNZIONI RICHIESTE ALL’AVIONICA

Atterraggio e decollo

• Pista non preparata • Assenza aiuti all’avvicinamento

• Inefficienza sistema di navigazione

• Necessità di operare in spazio aereo sia civile che militare

• Condizioni meteo avverse • Collisione con altri velivoli • Collisione al suolo • Avarie sistemi

• Navigazione “self-‐contained” • Utilizzare aiuti all’avvicinamento civili e militari

• Acquisire informazioni meteo • Individuare velivoli in avvicinamento • Segnalare malfunzionamenti • Rilevare ostacoli e distanza suolo • Visualizzare informazioni • Inviare/ricevere informazioni tattiche

• Gestire comunicazioni radio

Crociera • Inefficienza sistema di navigazione

• Necessità di operare in spazio aereo sia civile che militare

• Collisione con altri velivoli • Condizioni meteo avverse • Avarie sistemi

• Navigazione “self-‐contained” • Utilizzare aiuti alla navigazione civili e militari

• Individuazione velivoli in avvicinamento

• Memorizzare coordinate • Seguire rotta in modo autonomo • Acquisire informazioni meteo • Visualizzare informazioni • Segnalare malfunzionamenti • Gestire comunicazioni radio

Navigazione in territorio ostile


• Attività nemica • Missili IR • Missili RADAR • Contraerea • Avarie sistemi

• Navigazione “self-‐contained” • Riconoscere velivoli in avvicinamento

• Rilevare minacce • Operare azioni difensive • Segnalare malfunzionamenti • Inviare/ricevere informazioni tattiche

• Visualizzare informazioni • Gestire comunicazioni radio

Trasporto tattico e scarico


• Individuazione zona di scarico • Imprecisione aviolancio • Attività nemica • Missili IR • Missili RADAR • Contraerea • Collisione al suolo • Avarie sistemi

• Navigazione “self-‐contained” • Rilevare ostacoli e distanza suolo • Rilevare minacce • Operare azioni difensive • Segnalare minacce • Memorizzare coordinate • Visualizzare informazioni • Inviare/ricevere informazioni tattiche

• Controllare traiettoria oggetto paracadutato

• Segnalare malfunzionamenti

2. ANALISI FUNZIONALE

E’ stato costruito un albero funzionale allo scopo di illustrare le funzioni che il sistema avionico dovrà svolgere. Il primo livello dell’albero è costituito da 5 principali macrofunzioni:

• Comunicazione • Controllo del volo • Navigazione • Trasporto tattico • Difesa

Scendendo nei vari sottolivelli dell’albero le funzioni vengono scomposte in sottofunzioni. Ogni sottolivello spiega come devono essere svolte le funzioni del livello gerarchicamente superiore. Scendere di livello significa quindi rispondere alla domanda “come?”, mentre salire di livello significa rispondere alla domanda “perché?”. La scomposizione in sottofunzioni continua fino al raggiungimento di funzioni “di base”, cioè non più scomponibili.

3. MATRICE APPARATI-‐FUNZIONI

Siamo quindi passati alla scelta del tipo di apparati in grado di svolgere le funzioni definite durante l’analisi funzionale. Considerando le funzioni di base dell’albero funzionale come righe e i tipi di apparati come colonne abbiamo creato una matrice che collega le funzioni agli apparati in grado di svolgerle. Gli apparati scelti in questa fase sono ancora apparati generici e non specifici modelli.

Note:

• Il sistema Joint Precision Airdrop System (JPADS), di recente creazione ma ormai testato con successo dall’USAF in diversi scenari operativi, è un sistema creato per

garantire un’elevata precisione nello scarico di merci tramite paracadute. Il sistema consiste in un apparato montato sul carico da sganciare in grado di dialogare con i sistemi di navigazione del velivolo e di controllare, attraverso alcuni servomeccanismi, i tiranti del paracadute. In questo modo il sistema opera correggendo la traiettoria del carico paracadutato in tempo reale durante la caduta assicurando un margine d’errore molto basso anche per rilasci ad alta quota e permette quindi al velivolo di avvicinarsi di meno al suolo e quindi di non esporsi eccessivamente a contraerea e altre minacce terra-‐aria.

• I Color Multipurpose Display Unit (CMDU) sono i display a colori che compongono il cockpit, che abbiamo ipotizzato essere un “glass cockpit” totalmente digitale.

4. MATRICE DI CONNESSIONE APPARATO-‐APPARATO

Nella matrice triangolare di connessione abbiamo indicato quali apparati interagiscono scambiandosi informazioni e dovranno quindi essere connessi tra loro.

5. DIAGRAMMA DI CONNESSIONE FUNZIONALE

Nel diagramma a blocchi funzionale vengono evidenziate le principali connessioni funzionali tra gli apparati indicando anche il verso del flusso di informazioni. Lo scopo di questo diagramma è di illustrare solo le interconnessioni concettualmente più rilevanti. Di conseguenza, anche per risultare più chiaro e leggibile, non riproduce per intero il complesso sistema di connessioni definito nel precedente passo nella matrice connessione apparato-‐apparato.

6. DIAGRAMMA DI CONNESSIONE FISICO

Nella realtà gli apparati non verranno connessi tra loro attraverso singoli cavi, ma verranno tutti collegati ad un data-‐bus, in grado di ridurre gli ingombri e aumentare l’affidabilità del sistema e permettere la comunicazione in entrambi i sensi. Nel diagramma di connessione funzionale gli apparati sono collegati ad un data-‐bus ridondato. Gli elaboratori (evidenziati con un bordo rosso) sono stati rappresentati separatamente al centro del diagramma per sottolineare l’importanza dell’utilizzo di un databus ridondato per il collegamento dei computer di bordo. Per rendere il sistema più affidabile abbiamo stabilito che il Navigation Computer e il Flight Computer, in caso di avaria di uno dei due, debbano avere la potenza di calcolo necessaria per svolgere contemporaneamente sia i propri compiti che i compiti del computer in avaria. In questo modo, in caso di perdita di uno dei due elaboratori, il databus devierà il flusso di dati normalmente destinato all’elaboratore in avaria all’elaboratore superstite, il quale sarà in grado di assicurare da solo il funzionamento di tutti i sistemi.

La ridondanza del sistema di navigazione inerziale è assicurata invece dalla presenza di un doppio Inertial Navigation System (INS). Si noti infine la presenza di un doppio Display Computer, resa necessaria dal fatto che il cockpit ipotizzato è interamente digitale e quindi la perdita totale del controllo dei display è un guasto critico da evitare assolutamente.

7. SCELTA APPARATI

Abbiamo poi scelto gli apparati in grado di svolgere al meglio le funzioni precedentemente individuate. Abbiamo optato per apparati commercialmente già disponibili, la maggior parte dei quali è tuttora utilizzata su velivoli da trasporto militare quali Lockheed C-‐130 e McDonnel Douglas C-‐17. Per ogni apparato abbiamo analizzato peso, ingombri, potenza elettrica richiesta e modalità di raffreddamento (non necessario, autonomo o attraverso portata d’aria fredda dall’Environmental Control System (ECS) ).

Note:

• Si noti che per il Flight Computer ed il Navigation Computer è stata scelto il medesimo apparato AN/AYK della General Dynamics, in accordo con quanto detto nel paragrafo precedente riguardo al fatto che i due elaboratori principali devono risultare a tutti gli effetti intercambiabili.

• Il “glass cockpit” del nostro velivolo è costituito da 6 display a colori Color Multipurpose Display Unit (CMDU) tra loro identici. Non sono quindi specializzati per compiti specifici. Qualora si verifichi un’avaria di un display contenente informazioni cruciali per il controllo del velivolo è quindi possibile visualizzare senza problemi le stesse informazioni su un altro dei display funzionanti.

8. TRITTICO

Abbiamo infine stabilito la posizione indicativa dei vari apparati collocandoli nel trittico del velivolo. La maggior parte degli apparati sono posizionati nella “avionics bay” (evidenziata in azzurro) situata nella zona centrale del velivolo, vicino al baricentro. I sistemi radar, di comunicazione e di navigazione radio assistita sono invece situati nella zona di prua dove possono avere un migliore campo visivo. Nella vista in pianta si sono evidenziate in particolare le posizioni dei sistemi di difesa. Radar Warning Receiver (RWR), Missile Warning System (MWS) e Countermeasure Dispenser (CMDS) infatti sono apparati costituiti da un’unità controllo (situata nella “avionics bay”) e da una rete di sensori/dispensatori che vanno posizionati accuratamente sul velivolo in modo da ottimizzare la copertura dello spazio aereo circostante. Come indicato in legenda, nella vista in pianta e in quella laterale sono indicate le posizioni delle 4 antenne del RWR, dei 6 sensori UV del MWS, e dei 3 dispensatori di contromisure del CMDS.

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