Introduzione alla progettazione di sistemi elettrici ed elettronici aerospaziali

Oggigiorno i sistemi elettronici aerospaziali stanno assumendo un'importanza sempre maggiore e di conseguenza anche i sistemi elettrici devono adeguarsi alla maggior richiesta di potenza elettrica.

Questa parte del corso si concentrerà principalmente sulle sfide relative ai sistemi elettronici, quindi all'avionica. Essi negli ultimi anni, hanno assunto non solo rilevanza in fase di progettazione, ma anche in fase di manutenzione e operazione del velivolo. Di pari passo crescono i costi (oltre il 50% per airliners), il miglioramento della sicurezza (ma anche le problematiche ad essa relative) e le nuove funzionalità introdotte. Si pensi, a titolo di esempio, alla complessità dei sistemi fly-by-wire e more electric aircraft (si invita a leggere questo paper).

Soggetti coinvolti

Nella progettazione e produzione dell'avionica sono coinvolti diversi soggetti con scopi diversi, tra i quali possiamo riconoscere:

• ente preposto alla sicurezza del volo: l'unico suo interessamento è la sicurezza dei passeggeri, dei terzi sorvolati e dell'aeromobile;
• l'azienda che progetta il sistema: produrre a partire da specifiche ben consolidate con il cliente un progetto valido;
• l'azienda che produce il sistema: avendo la documentazione sul sistema, produce e installa l'avionica;
• il cliente: ottenere una macchina che abbia alto valore di mission-success, affidabilita', facile manutenzione, ecc.

Durante la fase di progettazione le persone e le competenze richieste sono numerose: oltre agli ingegneri aeronautici si trovano molte altre figure professionali (ingegneri elettronici, informatici, telecomunicazioni, ecc.) con le quali spesso ci si trova a collaborare. Parte dell'obiettivo di questo corso è anche definire un linguaggio e metodologie comuni di progettazione e sviluppo. Non mancano figure gestionali ed economiche, visto i grandi investimenti e rischi necessari.

Ottimizzazione

L'ottimizzazione consiste nel produrre un progetto preliminare a partire da determinate esigenze commerciali. Essa non possiede carattere troppo dettagliato, ma rimane un'astrazione generica.

Possiamo quindi definire ottimizzazione come il processo che produce l'insieme delle definizioni tecniche preliminari del sistema avionico in modo da assicurare:

• la massima sicurezza del volo;
• la massima probabilità di riuscita delle missioni per cui è stato progettato;
• scalabilità del sistema: in termini, ad esempio, di CPU, memoria, uso del bus, ecc.;

Ovviamente tutto ciò tenendo conto delle esigenze economiche e delle risorse del sistema superiore, quindi pesi, limiti fisici, ecc. Inoltre il sistema dovrebbe essere facilmente manutenibile ed operabile.

Ecco quindi che il sistema non necessita unicamente di garanzie di sicurezza e disponibilità, ma anche logistiche (es. ricambi uguali per tutta la serie di velivoli) e di addestramento (es. possibilità di addestrare i piloti a terra)

Integrazione

Un tecnico della Nuova Zelanda che testa una scheda di un sistema avionico

L'integrazione è il processo successivo all'ottimizzazione e partendo dai documenti progettuali generati da quest'ultima, realizza, sperimenta e valida l'avionica. La realizzazione comprende sia la parte hardware (definizione delle specifiche dei vari sistemi embedded, ecc.) sia la parte software. La validazione è solitamente effettuata con uno schema detto a V, cioè si testano prima i sottosistemi e poi si risale verso i sistemi più in alto. Riprenderemo la validazione più avanti nel corso.

Lo scopo dell'integrazione è produrre un prodotto (sia in termini hardware che software) di cui sia assicurato il funzionamento e l'efficacia e in particolare che l'efficacia del sistema completo sia maggiore della somma dell'efficacia dei singoli componenti. Si noti che in alcune applicazioni, in particolare quelle in ambito militare, non è sempre possibile garantire il funzionamento contemporaneo di tutti i sistemi, ma alcuni vengono posti in mutua esclusione.

Il termine integrazione deriva proprio dal fatto che non si limita all'implementazione del singolo componente, ma all'integrazione di tutti i componenti del sistema avionico a bordo del velivolo sui cui è installato e con il sistema organizzativo che lo impiega.

Risk management e Qualità

Visto l'aumento del costo di progettazione dell'avionica e dei sistemi in genere degli aeromobili, la gestione del rischio o risk management è diventato un processo essenziale nella fase di definizione commerciale della proposta per il nuovo sistema. Possiamo dividiere questo processo in:

1. Identificare i rischi
2. Pianificazione
   1. Analizzare i rischi
   2. Valutare i rischi
3. Controllare i rischi

Il costo e il tempo necessario a sviluppare la parte avionica di un velivolo, ma anche la qualità e le funzionalità offerte, rappresentano oggi uno dei più importanti fattori di successo o insuccesso di una proposta commerciale di un aeromobile.

Essendo ovviamente componenti critici per la sicurezza dei trasportati e dei terzi sorvolati, il processo di verifica della qualità del prodotto deve soddisfare specifici vincoli. In realtà, non solo il quality control deve godere di specifici requisiti, ma tutti i processi che concorrono alla formazione dei sistemi necessitano di certificazione: gli enti preposti al controllo delle sicurezza non verificano che il prodotto finale sia sicuro (il che potrebbe rivelarsi impossibile), ma che sia stato prodotto seguendo determinate procedure e processi. Ad esempio il software generato, non viene testato dall'autorità competente, ma viene verificato che il processo che l'ha prodotto rispetti determinate specifiche; questo viene effettuato verificando i documenti forniti, la composizione e le competenze del team di sviluppo, ecc.

Le normative per la certificazione aeronautica seguono EASA Part 21 in particolare:

• Part 21 g: PCA regola le production organization;
• Part 21 j: DCA regola le design organization;

Il ciclo di vita

Con ciclo di vita si intendono tutte le attività svolte dalle aziende produttrici, che concorrono alla produzione e manutenzione del prodotto aeronautico. Queste attività sono disposte in una sequenza di fasi ognuna delle quali termina con un evento significativo.

Identifichiamo qui uno schema generale. Esso varia ovviamente da azienda ad azienda.

1. Marketing (ricerca di una necessità del mercato, bandi, ecc.)
   1. Analisi del mercato / Analisi di una RFP (Request For Proposal - Bandi)
   2. Decisione di accettazione
   3. Progetto preliminare (ottimizzazione)
   4. Preparazione della proposta
2. Negoziazione del contratto
   1. Definizione della proposta con il cliente
   2. Negoziazione
   3. Definizione delle specifiche contrattuali (qualificazione)
   4. Definizione del contratto
3. Pianificazione, progettazione e sviluppo
   1. Programmazione del progetto
   2. Valutazione make or buy / Progettazione dell'architettura / Progettazione delle installazioni sul veicolo / Progettazione dell'integrazione dei sistemi
   3. Progettazione dei sistemi e sviluppo del software
   4. Sperimentazione su RIG (strutture a terra che permettono di testare i sistemi come se fosse installati a bordo di un velivolo)
   5. Realizzazione pre-serie
   6. Installazione e prove di volo
   7. Produzione del documento formale DDP (Declaration Design and Performance) che assicura che i sistemi siano progetti a norma di legge
4. Certificazione
   1. Produzione del manuale di volo
   2. Prove di certificazione qualità
   3. Certificato di tipo rilasciato da EASA
5. Produzione e consegna
   1. Sub-contratti e gestione acquisti
   2. Costruzione componenti
   3. Montaggio finale
   4. Certificazione di aeronavigabilità (notare che questa certificazione di airworthiness è relativa a una precisa macchina, non a un modello!)
   5. Accettazione del cliente e consegna
6. Assistenza tecnica e supporto logistico
   1. Gestione della aeronavigabilità continua
      1. Produzione e aggiornamento del manuale di manutenzione
      2. Training manutentori
      3. Integrated Logistic System
   2. Monitoraggio della soddisfazione del cliente