La struttura dei requisiti aeronautici

In questa lezione analizzeremo la struttura dei requisiti militari e civili e come essi evolvono durante la fase di ottimizzazione

I requisiti militari

Come già citato nella lezione introduttiva sui requisiti, i requisiti militari sono solitamente più complessi da garantire rispetto ai civili, per l'introduzione di molti MEP, la survivability, e l'integrazione con il sistema militare superiore, ecc.

Solitamente il documento dei requisiti risulta molto dettagliato solo se si tratta di una nuova acquisizione di un velivolo in grandi quantità, invece negli altri casi risulta spesso scarsamente dettagliato e incompleto.

Dinamicità del requisito militare

Il requisito militare è intrinsecamente dinamico, perché è sottoposto a frequenti revisioni, causate da diversi motivi, tra cui: mutamento dello scenario operativo, disponibilità di nuove tecnologie, necessità di adeguare i precedenti sistemi.

• Il mutamento dello scenario operativo è un fattore quasi inevitabile a causa del lungo tempo necessario dello sviluppo di una nuova macchina, che può portare alla significativa mutazione di un requisito iniziale, sia per motivi tecnici che per motivi militari. Per questo motivo è essenziale prevedere un adeguato potenziale di crescita dell'avionica (in termini di capacità di calcolo, memoria, ecc.).
• La disponibilità di nuove tecnologie o viceversa l'indisponibilità di componenti obsoleti, è un problema che nasce dopo diversi anni della vita operativa di un prodotto, considerando che lo stesso può avere vita superiore ai 30 anni. Ecco perché già in fase di progetto iniziale bisogna tenere conto di questo, avendo un'architettura avionica flessibile e i componenti di essa facilmente sostituibili e separabili.
• La necessità di adeguare un sistema per rimuovere un inconveniente è una causa a priori non prevedibile che può dipendere da vari fattori e spesso richiede interventi urgenti.

L'impatto dell'equipaggiamento di missione sui requisiti

EH-101 della Marina Militare Italiana

Il programma EH-101 Navy è stato avviato negli anni '70 su commissione congiunta delle marine militari italiana e inglese. Inizialmente era pensato per essere un elicottero antisommergibile, con base di appoggio su fregate e ambiente operativo nord Atlantico. Questo richiedeva capacità di buona manovrabilità a bassa quota per rilevare i sommergibili, atterrare su una fregata in condizioni di mare mosso, temperature polari, ecc. Inizialmente l'elicottero è stato pensato per essere equipaggiato con sonoboe, che prevede il volo in circolo e lo sgancio delle boe a bassa quota. Successivamente, per l'aumento della silenziosità dei sommergibili, si è passato ai sonar, che prevedono uno scenario diverso: l'elicottero deve rimanere in hovering a bassissima quota, mantenendo il sonar a pelo d'acqua. Il progetto ha dovuto essere modificato per permettere entrambi i sistemi.

La strategia (rilevatasi poi vincente) adottata da Augusta Westland è stata di prevedere fin dall'inizio 3 versioni di questo elicottero, la navale, la militare e la civile, affrontando così contemporaneamente i costi di sviluppo e certificazione. Il vero svantaggio di questa strategia, comunque di successo, è stata la tempistica: dall'inizio della progettazione negli anni '70 solo nel 1996 è stato consegnato il primo elicottero.

Un altro esempio è l'AW129 Mangusta che subì negli anni cambio di scenario, nato come elicottero anticarro oggi possiede diversi equipaggiamenti ed è usato nelle missioni di pace, dove svolge più servizio scorta con un mitragliatore piuttosto che il sistema di missili.

Un altro esempio, negativo, già citato è il RAH 66 Comanche, che dopo 12 anni di sviluppo è stato cancellato per motivi di budget a causa dei requisiti troppo ambizioni e quindi troppo costosi.

Esempio: i requisiti dei comandi di volo

La gestione dell'avionica nei comandi di volo è specificata in molte norme, tra le quali citiamo MIL-F-9490D e ADS-33E-PRF (quest'ultima solo militare). Essi rappresentano ovviamente la parte più delicata, critica e integrata di tutto il resto dell'avionica. I requisiti per questa parte possono essere ad alto livello (considerando quindi le handling qualities) oppure a basso livello (di ogni controllo vengono specificate le richieste, ecc.).

Gli AFCS (Automatic Flight Control System) sono la funzione che ha maggior impatto sia sulle performance che sulla sicurezza, a causa dell'estrema integrazione con gli altri impianti del velivolo (elettrico, idraulico, ecc.). Inoltre maggiori attenzioni devono essere posti se il sistema di controllo è fly-by-wire.

Risulta quindi necessario prestare molta attenzione al progetto di queste componenti e a porre molte Design Reviews per verificarne progresso e requisiti.

I requisiti civili

Normalmente i requisiti civili vengono preparati partendo da un aeromobile già sul mercato, integrandoli con i propri requisiti molto specifici di MEP. Spesso si usa la parola cost effectiveness tradotta come efficacia del costo, indicando che il costo è proprio il fattore principale e indipendente di una proposta commerciale.

Per i grandi velivoli commerciali, la possibilità di personalizzazione è minima e solitamente corrisponde all'allestimento della cabina passeggeri, gli impianti di entertainment e alcuni equipaggiamenti avionici speciali. Diversamente è invece per gli elicotteri e per la general aviation in generale, dove la scelta degli equipaggiamenti è più ampia per rispondere all'esigenza di compiere missioni specifiche.

Di solito nei contratti si specifica la manutenibilità e la disponibilità, mentre l'affidabilità, robustezza, ecc. è data per scontata e lasciata al produttore.

Equipaggiamenti tipici

Missioni di supporto piattaforme petrolifere

Richieste del committente:

• richiesta di disponibilità continua nelle ore diurne
• disponibilità di ore concordata (Requisito di Availability)
• velivolo adatto alla missione richiesta (trasporto su mare di persone e/o merci)

Requisiti di prestazione:

• certificato di aeronavigabilità
• inviluppo di volo
• temperature max/min
• limiti di vento
• angolo/rateo inclinazione piattaforma di atterraggio
• pesi (a vuoto, massimo, con carico appeso, carico utile, ecc.)
• consumi e autonomia

Requisiti di sicurezza (robustezza):

• galleggianti
• uscite di emergenza
• salvagenti, zattere, fumogeni, ecc.

Avionica:

• Radio FM (comunicazioni marittime)
• GPS
• TCAS
• Radioaltimetro
• HUMS
• Scatole nere
• Autopilota / flight director
• ELT
• Search and rescue trasponder

Trasporto VIP

Richieste di sistema:

• x ore di disponibilità media annua
• durata media del volo
• allestimento confort
• aria condizionata
• isolamento acustico
• riduzione vibrazioni
• capacità di operare in qualsiasi condizione meteorologica
• ridotti costi e tempi di manutenzione

Requisiti avionici speciali:

• avionica recente
• TCAS
• EGPWS

Il sistema avionico e l'impatto sui requisiti

Il sistema avionico oggi rappresenta una parte importante del velivolo e costituisce una parte considerevole dei requisiti di sistema, a causa di:

• influenzano il tipo e lo svolgimento della missione, agendo quindi sui parametri di mission capabilities e performance;
• sono sottoposti a frequenti revisioni e migliorie, dovute alla grande rapidità di crescita tecnologica ed evoluzione degli scenari operativi;
• spesso un velivolo ha una vita di 30/40 anni, mentre l'avionica difficilmente supera i 10.

Possiamo dividere le funzioni richieste da requisiti in:

• funzioni essenziali, i cui requisiti minimi sono specificati dall'ENAC e dipendono dal tipo di volo VFR, IFR, visibilità, ecc. Comprendono:
  • strumenti di comunicazione, navigazione e identificazione
  • strumenti di volo e giroscopi
  • comandi di volo (AFCS, autopilota, FD, ...)
  • comando e monitoraggio degli impianti
  • allarmi e indicatori
• funzioni di missione, tutte le funzioni richieste per svolgere una particolare missione (civile o militare). Ad esempio:
  • radar meteo, allarmi turbolenza, wind shear
  • TCAS, EGPWS, ATC modo S
  • FMS
  • Emergency Locator Beacon
  • comunicazioni via rete
  • HUMS
  • (tipicamente militari) visionica, radar, NVG, HUD, sensori subacquei, modalità speciali autopilota (terrain following)
  • (tipicamente militari) sistemi di autoprotezione (radar warning, laser warning, chaff, flares, ecc.), contromisure elettroniche (radar jammer, communication jammer, ecc.)
  • (tipicamente militari) C3: Comunicazioni, Comando e Controllo (data links, mission planning, ecc.)
  • (tipicamente per S&R): radar e comunicazioni dedicate, localizzatori, visione notturna, ecc.

Per le funzioni essenziali viene anche stilato un documento nel quale si specifica se l'inoperatività di uno degli elementi ridondati comporti il fermo del velivolo o meno (MEL, Minimum Equipment List).

Altri requisiti

I requisiti "umani"

I requisiti di human-factors engineering (anche chiamati semplicemente human-engineering) sono nati dalla crescente necessità di ridurre il numero di incidenti aerei, ormai per la maggior parte dovuta ad errori umani. Risulta quindi necessario tenere conto degli human-factors durante la fase di progettazione del velivolo e in particolare dell'avionica; essa deve infatti fornire una user experience sicura, confortevole ed efficace.

Una descrizione generica di human factors è la conoscenza di come vediamo, ascoltiamo, pensiamo e operiamo con il design di strumenti, prodotti e sistemi che contribuiscono alle prestazioni dei task umani e protettivi per la saluta e sicurezza umana. La FAA dà un'interessante definizione di human factors:

«Sforzo multidisciplinare per generare e immagazzinare informazioni sulle abilità e limitazioni umane, applicando queste informazioni a equipaggiamenti, sistemi, strutture, procedure, lavori, ambienti, addestramenti, staffing e gestione del personale per una sicura, confortevole ed efficace prestazione umana»

L'avionica è interessata dal punto di vista umano ai fattori:

• handling qualities
• accessibilità delle informazioni nel cockpit
• accessibilità dei controlli nel cockpit

che devono portare il pilota ad avere un'alta situation awareness, anche in caso di una o due avarie. Nei aerei più piccoli e negli elicotteri, l'avionica concorre in modo sostanziale a definire se il velivolo può essere guidato da un solo pilota o meno (dipende principalmente dalla gestione delle situazioni di emergenza).

La configurazione del cruscotto, detta cockpit layout è discussa con il progetto e spesso ridiscussa durante dedicate design reviews con le autorità e i clienti (specialmente militari). Queste prove vengono effettuate su appositi simulatori, che hanno l'avionica predisposta come se fosse a bordo del velivolo.

Un altro aspetto importante sono le stazioni di mission planning, dove i piloti pianificano prima del decollo il volo (rotta, waypoints, ostacoli, ecc.), per poi caricare le informazioni nei computer di navigazione a bordo.

Altri spetti che coinvolgono human factors sono: l'evacuazione del velivolo e procedure di emergenza, accessibilità delle parti per effettuare i controlli pre-volo, i manuali, l'organizzazione, ecc.

Occurence Reporting

Per migliorare la sicurezza aerea, il parlamento europeo ha ratificato la direttiva 2003/42/CE che obbliga l'equipaggio di volo e di terra di segnalare, attraverso specifici report, qualsiasi difficoltà incontrata, anche se non ha portato ad alcun incidente. In questo modo si cerca di individuare le problematiche nel fattore umano, per prevenirne la ripetizione che portino eventulamente a conseguenze più gravi.

I requisiti di addestramento

Se l'avionica ha migliorato sicurezza, efficacia e prestazioni dei velivoli, ha anche aumentato il traning necessario sia per l'equipaggio che per i manutentori, per garantire la massima sicurezza del volo. In particolare i piloti devono essere addestrati per reagire in modo appropriato a malfunzionamenti dei sistemi e ad ambienti operativi difficili.

Le missioni militari e alcune civili presentano poi addestramenti più intensivi per determinati tipi di missioni, ognuna delle quali presenta problematiche e difficoltà.

Per rendere l'addestramento più semplice, meno costoso e più efficace si utilizzano mezzi informativi e didattici appropriati e formando in modo adeguato gli istruttori. I mezzi informativi comprendono i manuali di volo, le procedure di pilotaggio in situazioni normali e di emergenza, le procedure di manutenzione (almeno di primo livello), ecc. I manuali sia di volo sia di manutenzione devono essere approvati dall'autorità civile, anche se solitamente non vengono approvati i manuali di equipaggiamento. Sulla base dei manuali forniti dal produttore, gli operatori civili li elaborano per fare in modo di allinearli alla loro politica interna. Questo non si applica ai manuali di velivoli militari, che vengono editati e rielaborati dall'autorità militare stessa.

Tool informatici

I principali tool informatici utilizzati sono:

• Computer Aided Instruction
• Computer Based Training (per i manutentori, 3D simulation ispection)
• Simulatori di volo (sono previste 4 tipi di simulatori certificati A, B, C, D con crescente grado di realismo)
• Embedded training (addestramento durante il volo simulando attacchi e missioni in genere o malfunzionamenti)
• Collective training

I requisiti logistici

Come già visto il raggiungimento e il mantenimento di una disponibilità sufficiente è possibile solo progettando un sistema per il supporto logistico capace di intervenire con costi e tempi ragionevoli per le necessarie azioni di manutenzione. Questo sistema è oggi chiamato Integrated Logistic Support che deve assicurare la rapida disponibilità di parti di ricambio e interventi di manutenzione veloci, per minimizzare i costi di manutenzione e tempo di fermo del velivolo.

L'Integrated Logistic Support è spesso però molto costoso e complesso, perciò molti operatori civili e militari preferiscono delegare questo sistema a imprese specializzate esterne, a volte alle dipendenze dello stesso produttore. I contratti solitamente non vengono pagati per gli interventi, ma per le ore di disponibilità rese (pay-by-the-flight-hour).

Ovviamente, il processo di manutenzione deve sottostare ad apposite norme (EASA Part 145) che definiscono i requisiti che le organizzazioni di manutenzione devono avere per poter operare.

Le riparazioni possono avvenire su tre livelli:

• user level: le LRU difettose (o rilevate come malfunzionanti dagli strumenti a bordo) vengono sostituite, così da ridurre i tempi di fermo. Il personale deve comunque essere molto competente, per capire quale LRU è difettosa se non rilevata dai sistemi di autodiagnosi;
• depot level: le LRU vengono aperte, individuati i moduli difettosi e sostituiti;
• repair level: il singolo modulo difettoso viene riparato (frequentemente svolto dal produttore del sottosistema stesso o centri altamente specializzati).

Solitamente le organizzazioni civili si limitano al primo livello (user), mentre quelle militari ai primi due (user, depot). Per minimizzare i tempi di fermo del velivolo, è di estrema importanza identificare velocemente quale LRU è guasta (fault isolation); diventano quindi di fondamentale importanza, per tutti i tipi di aeromobili grandi e piccoli, i BITE (Built-in Test Equipment), ovvero sistemi di autodiagnosi online oppure offline.

I sistemi online garantiscono anche la verifica durante il volo, avvertendo il pilota quando una funzione è diventata inaffidabile e per le funzioni essenziali garantiscono la capacità automatica di ripristino senza l'intervento del pilota. Per i sistemi più critici, vengono implementati anche allarmi che avvisano il pilota quando un componente è in avaria, ma il suo effetto non è (ancora) rilevabile.

Stazioni di logistic management

L'Integrated Logistic Support per poter funzionare in modo efficace ed efficiente deve avere a disposizione una flotta omogenea di una certa consistenza e spesso viene fatto uso di un tool informatico apposito per verificare le scadenze di manutenzione di ogni velivolo, per mantenere la flotta al livello di disponibilità desiderato. Questi sistemi consentono di:

• mantenere sotto controllo la configurazione avionica di ciascuna macchina, registrare gli interventi di manutenzione, incluse le azioni effettuate e le attività amministrative
• raccogliere in formato elettronico i documenti di manutenzione e i manuali tecnici
• programmare le manutenzioni ordinarie, in base al livello di disponibilità voluto
• permettono il download delle informazioni registrate dai velivoli

Per minimizzare il MTLA, si adopera la recirculation, ovvero il ricorso a componenti riparati in precedenza, che consentono l'immediato cambio con il componente guasto, che a sua volta verrà mandato in riparazione.

HUMS

I sistemi HUMS (Health and Usage Monitoring Systems) si propongono l'obiettivo di aumentare la sicurezza e ridurre la frequenza di manutenzione preventiva. Questo viene effettuato in modo sempre più efficiente analizzando attraverso opportuni algoritmi e sensori lo stato della struttura e dei componenti a bordo e l'utilizzo, in modo da creare un avviso prima che un componente si guasti. Questo è realizzato mediante una profonda integrazione del sistema HUMS con il velivolo, analizzando lo stato di saluto dei componenti critici (Health) e le condizioni d'uso del velivolo (Usage). Questo permette anche di anticipare la manutenzione, onde evitare che un componente guasto provochi più danni (e quindi più tempo di riparazione, più costi, meno disponibilità, ...). Questi sistemi per i grandi velivoli di trasporto persone sono ormai obbligatori.

Esempi di dati analizzati: particelle metalliche nei lubrificanti, vibrazioni e accelerazioni, tempo di arresto dei componenti rotanti, temperature, pressioni e condizioni meteo. Le vibrazioni sono spesse analizzate con il loro spettro, un cambiamento di esso può indicare un'imminente failure.

Nasce così un nuovo approccio alla manutenzione, la Maintainance on Condition, dove la manutenzione non dipende più da intervalli di tempo, ma dalle condizioni del velivolo e dei suoi componenti, non basandoci più su previsioni temporali di vita del componente (il che può significare ridurre o aumentare la frequenza di manutenzione!).

Condizione necessaria è che il sistema HUMS sia previsto fin dalla progettazione. Solo in questo modo si può garantire che il programma di test ne abbia tenuto conto, sia durante le prove di sviluppo e certificazione, sia in sede di test dei carichi delle strutture.