HELIKOPTERIHUOLTOJÄRJESTELMÄN SIMULOINTI

Transkriptio

1 TEKNILLINEN KORKEAKOULU Konetekniikan osasto Jaakko Sotkasiira HELIKOPTERIHUOLTOJÄRJESTELMÄN SIMULOINTI Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi-insinöörin tutkintoa varten Espoossa Työn valvoja: Työn ohjaajat: Professori Olli Saarela Insinöörikapteeni Kimmo Pelkonen ja TkT Kai Virtanen

2 TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ Tekijä: Työn nimi: Jaakko Sotkasiira Helikopterihuoltojärjestelmän simulointi Päivämäärä: Sivumäärä: 71 Osasto: Konetekniikan osasto Professuuri: Valvoja: Kul-34 Lentotekniikka Professori Olli Saarela Ohjaajat: Insinöörikapteeni Kimmo Pelkonen, TkT Kai Virtanen Tässä diplomityössä muokattiin Ilmavoimille kehitettyä lentoteknisen huoltojärjestelmän toimintaa kuvaavan diskreettiaikaisen tapahtumasimulaation mallia Suomen puolustusvoimien helikopteritoimintaan sopivaksi. Muokkaus tapahtui muodostamalla kaksi lähtöarvojoukkoa, jolla järjestelmän osien toiminta kuvataan tilastollisen todennäköisyyslaskennan keinoin. Mallissa kuvataan Suomen puolustusvoimien kuljetushelikopteriorganisaation toimintaa sodan- ja rauhanaikana sen olennaisilta osiltaan. Malli ei ole täydellinen toimitusketjumalli, vaan kuvaa ainoastaan maavoimien helikopterihuolto-organisaation ja erillisen keskuskorjaamon toimintaa. Lentotoimintaprosessi koostuu päivittäisestä lentotoiminnasta, eritasoisista huoltotoimenpiteistä ja tukitoiminnoista kuten laitekorjauksista ja varaosatoiminnoista. Puolustusvoimien ja ulkopuolisen tukiorganisaation välillä on rajapinta, joka osaltaan vaikuttaa huoltotoimintaan logistiikkansa kautta. Mallin lähtötiedot muodostettiin laskennallisen vikaantumistiedon ja asiantuntijaarvioiden perusteella. Asiantuntija-arvioiden merkitys lähtötietojen oikeellisuuden arvioinnissa oli merkittävä, koska tarkasteltava helikopterityyppi ei ole vielä lentänyt operatiivisessa käytössä ja siitä ei ole empiiristä havaintoaineistoa. Ilmavoimien muun kaluston lentotoiminnasta saatuja tietoja on käytetty soveltuvin osin hyödyksi. Mallilla suoritettiin validointiajoja, joilla varmistettiin mallin oikea toiminta. Herkkyysanalyyseillä tutkittiin myös tärkeimpien parametrien vaikutusta kaluston pitkäaikaiseen ja rajoitetusti lyhytaikaiseen käytettävyyteen. Mallilla saadut tulokset ovat suuntaa antavia. Mallilla saadut käytettävyystulokset ovat asiantuntijamielipiteen perusteella hieman epärealistisia. Mallia tulisi kehittää käytännön toiminnasta saaduilla tuloksilla ja täten korjata mallin toimintaa realistisempaan suuntaan. Käytetty lähtöarvodata perustuu laskennalliseen dataan, jolloin ensimmäiset parametrit eivät välttämättä kuvaa oikein käytännön toimintaa. Avainsanat: Lentotekninen huoltojärjestelmä, helikopteri, käytettävyys, diskreetti tapahtumasimulaatio

3 HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE MASTER S THESIS Author: Title of the Thesis: Jaakko Sotkasiira Simulation of a helicopter maintenance system Date: Pages: 71 Department: Department of Mechanical Engineering Professorship: Supervisor: Kul-34 Aeronautical Engineering Professor Olli Saarela Instructors: Kimmo Pelkonen, Captain (Eng.), Kai Virtanen, D.Sc.(Tech.) Goal of this thesis was to modify the discrete event simulation model developed for the Finnish Air Force to describe maintenence system of Finnish Defence Force s helicopter maintenance operations. Model was modified by developing two group of parameters to define the functions of the system by the means of statistical probability calculation. The functions of the Finnish Defence Force s helicopter operations are modeled by its relevant parts in peace and wartime operations. The model is not a complete supplychain model and describes only the operational, intermediate and depot level mantenance functions. Processes in the model comprises of daily flight operations, maintenance actions and support functions as equipment repairs, spare parts fuctions and overall logistics. Parameters for the simulation model was created from manufacturer s calculated reliability data and was modified with the help of expert opinions. Value of expert opinions on the validation of the parameters was significant, because the helicopter type under examination hasn t flown in operative use and so there is no empirical data available from the operations. Reliability data from Air Force s operations with other types was used also to validate parameters. Model s correct function was validated with numerous simulation runs. Sensivity analyses were made to examine the effect of primary parameters on the long time useability of fleet. Limited analyzes were also made to examine short time useability of the fleet. Results obtained from these simulation runs are only preliminary. According to expert opinion, useability figures are slightly non-realistic. Model should be refined with the reliability data obtained from the normal operational use in the near future. Data used in this thesis is based on calculations only, and this first quess on the parameters don t then necessarily describe the operational use correctly. Avainsanat: Helicopter maintenance system, helicopter, useability, discrete event simulation

4 Alkusanat Tämä diplomityö on tehty Systeemianalyysin laboratoriossa Maavoimien ilmailuosaston tilauksesta Ilmavoimien tutkimushankkeeseen liittyen. Työn tekopaikka ja aihe mahdollisti minulle katsauksen lentotekniikkaan yleensä kuulumattomalta tekniikan alalta ja laajensi näkökantojani. Haluan kiittää tästä mahdollisuudesta niin professori Olli Saarelaa kuin professori Raimo P. Hämäläistä. Diplomityön ohjaajille, TkT Kai Virtaselle ja insinöörikapteeni Kimmo Pelkoselle, osoitan kiitokset päättäväisestä ja tarkasta ohjauksesta työn aikana. Ilman heidän ohjaustaan työ olisi ollut huomattavasti suppeampi ja varsinkin kieliasultaan erittäin puutteellinen. Kiitokset kuuluvat myös erityisesti DI Ville Mattilalle, jonka diplomityöhön tämä työ pohjautuu. Hän jaksoi selvittää pieniäkin simulaatiomaailman asioita ja opastaa simulaatiomallin rakentamisen sokkeloissa. Kiitos kuuluu myös kaikille niille henkilöille, joiden kanssa olen keskustellut aiheesta työn tekoaikana. Kommenttinne ovat olleet arvokkaita. Lopuksi kiitän perhettäni ja ystäviäni, jotka hetkellisistä epäilyistään huolimatta pääsevät valmistujaisiini. When you are in need of help, an airplane can only throw flowers at you. A helicopter can take you out of trouble. - Igor Sikorsky Jämsässä, Jaakko Sotkasiira 1

5 Sisältö Alkusanat... 1 Käytetyt lyhenteet ja merkit Johdanto Helikopterit ja niiden huolto Rakenteet ja järjestelmät Lentoranka Roottorirakenteet Voimansiirto Ohjausjärjestelmät Moottorit ja polttoainejärjestelmä Mittarit ja avioniikka Komponenttien ja laitteiden suunnittelu- ja huoltofilosofiat Järjestelmän ja sen komponenttien luotettavuus Helikopterien järjestelmien kriittisyys lentoturvallisuuden kannalta Huolto- ja korjaustoimenpiteet Helikopterien käyttö ja huolto Suomen puolustusvoimissa Puolustusvoimien käyttö- ja huolto-organisaatio NH 90 helikopterin huolto-ohjelma Sotilasilmailun huoltojärjestelmien erityispiirteet Helikopterihuoltojärjestelmän simulaatiomalli Parametrien muodostaminen Käyttöhuollot Määräaikaishuollot Vikakorjaukset Vauriokorjaukset Henkilöstöresurssit Malliin tehdyt oletukset ja yksinkertaistukset Rauhanajan simulaatiomallin parametrit Sodanajan mallin parametrit Simulaatiomallilla saatuja tuloksia sekä niiden analyysi Rauhanajan mallilla saatuja tuloksia Lentotiheyden vaikutus käytettävyyteen Henkilöstömäärän vaikutus käytettävyyteen Huollon viiveen ja vikaantumisvälin vaikutus käytettävyyteen Sodanajan mallilla saatuja tuloksia Tulosten analyysi Yhteenveto ja jatkokehityssuuntia Lähdeluettelo

6 Käytetyt lyhenteet ja merkit ALF BFF BIT BITE EDMS ELSO EW FADEC FBW FLIR GPS HekoP ICL IFF JAR HekoP (SA) LRU MAC MDS MFA MIL-STD MTBF MTTF MTTR MTC MTOW NAHEMA NDT NHI NVG OEI OTO RA SA SRU TAr TTT After Last Flight-tarkastus, päivän viimeisen tehtävän jälkeinen tarkastus Before First Flight -tarkastus, ennen päivän ensimmäistä lentoa suoritettava tarkastus Built In Test, laitteen tai järjestelmän sisäinen toiminnallinen testi Built In Test Equipment, laitteen tai järjestelmän sisäinen testijärjestelmä Engine Data Management System, moottoreiden valvonta- ja analysointijärjestelmä elektroninen sodankäynti Electronic Warfare, kts. ELSO Full Authority Digital Engine Control, digitaalinen moottorin ohjausjärjestelmä Fly By Wire, täysin elektroninen ohjausjärjestelmä Forward Looking InfraRed, infrapunakamera Global Positioning System, satelliittipaikannusjärjestelmä Helikopteripataljoona, rauhanajan helikopteritoiminnan joukko-osasto Item Configuration List, NH 90 helikopterin osaluettelo Identification Friend or Foe, omakonetunnuslaite Joint Aviation Regulations, yleiseurooppalaiset ilmailumääräykset Sodanajan Helikopteripataljoona, sodanajan helikopteritoiminnan joukkoosasto Line Replaceable Unit, linjavaihdettava päätelaite Maintenance Allocation Chart, NH 90 helikopterin huoltomäärittelyluettelo Monitoring and Diagnostic System, lennonvalvonta- ja diagnostiikkatietokone Mission Flight Aids, tehtäväkohtaiset lentotietokoneet MILitary STanDard, Yhdysvaltain armeijan standardijärjestelmä Mean Time Between Failure, keskimääräinen vikaantumisväli Mean Time To Failure, keskimääräinen vikaantumisaika Mean Time To Repair, keskimääräinen korjausaika Mission Tactical Computer, tehtävätaktinen tietokone Maximum Takeoff Weight, maksimi lentoonlähtöpaino Nato Helicopter Manufacturer, Nato-maiden helikopterivalmistajien liittouma Non Destructive Testing, ainetta rikkomaton tarkastus NH Industries, NH 90 helikopterin valmistajakonsortio Night Vision Goggles, yönäkölasit One Engine Inoperative, yksimoottoritilanne oman toimensa ohella rauhanaika sodanaika Service Replaceable Unit, huoltovaihdettava päätelaite Turn Around -tarkastus, tehtävien välissä suoritettava tarkastus Tactical Troop Transport, taktinen miehistönkuljetus 3

7 UR UtJR Unjustified Removal, virheellisen vikailmoituksen perusteella tehty päätelaitteen poisto Utin Jääkärirykmentti 4

8 1 Johdanto Ilmavoimat sekä Maavoimien ilmailuosasto rahoittavat Teknillisen korkeakoulun Systeemianalyysin laboratoriossa toteutettavaa tutkimusohjelmaa, jonka tavoitteena on tutkia puolustusvoimien lento- ja huoltotoimintaprosessin toimivuutta erilaisissa tilanteissa. Systeemianalyysin laboratoriossa on vuonna 2002 tehty kyseisen tutkimushankkeen aikana diplomityönä ilmavoimien lento- ja huoltotoimintaprosessia kuvaava simulaatiomalli. Hankkeessa tutkitaan myös huoltojärjestelmän toiminnan mallintamista sekä optimointialgoritmien soveltamista diskreettiin tapahtumasimulaatioon. Tämän simulaatiomallin pohjalta kehitettiin maavoimien helikopterikaluston huoltotoimintaa kuvaava diskreettiin tapahtumasimulaatioon perustuva malli. [13] Helikopterilentotoiminta maavoimissa eroaa tietyiltä osin ilmavoimien toiminnasta, joten tarve erilliselle helikopteritoiminnan simulaatiomallille on olemassa. Helikopterihuoltojärjestelmä pohjautuu suurelta osin ilmavoimien logistiikkaketjuun käyttäen samoja materiaalin toimitusreittejä sekä huoltopisteitä, mutta eroten voimakkaasti tarvittavien henkilöresurssien määrän ja laadun, huoltojärjestelmän kokoonpanon sekä vuorovaikutussuhteiden osalta. Huoltotoimintaprosessit ovat tärkeässä asemassa lentotoimintaprosessin tehokkuuden ja toiminnan kannalta. Lentotoiminta pysähtyy hyvin nopeasti, jos huoltoihin muodostuu pullonkauloja jonkin resurssin alimitoituksen vuoksi. Aikaisemmin huoltotoiminnan resursseja on mitoitettu empiirisen tiedon perusteella nojautuen aikaisempiin kokemuksiin tai kokeilemalla kokoonpanoja sotaharjoitusten yhteydessä. Empiiristen menetelmien haittapuolena on tarvittavan tiedon suuri määrä ja myös sen suhteellinen kalleus. Jokainen asiantuntija perustaa oman mielipiteensä omille henkilökohtaisille kokemuksilleen ja tällöin kokemuksen laajuus vaikuttaa mielipiteeseen. Lentotoiminnan jouhevan toteuttamisen edellytys on kyky hallita ja ennustaa tulevaa toimintaa eteenpäin tulevaisuudessa. Tässä työssä muodostetaan simulaatiomalli Suomen puolustusvoimien tulevan kuljetushelikopterityypin huolto-organisaatiosta ja itse helikopterista. Malli pohjautuu diskreettiin tapahtumasimulaatioon, jossa organisaatio ja sen toiminnot kuvataan matemaattisesti. [11] Työn pääasiallinen tarkoitus on määrittää toimiva lähtöarvojoukko huoltotoiminnan simulaatiomalliin kuvaamaan maavoimien helikopterihuolto-organisaation toimintaa niin rauhan- kuin sodanajan toiminnassa. Lähtökohtana parametrien määrittämiselle käytetään koneen valmistajan määrittämää alustavaa luotettavuusdataa ja suunnitelmaa koneen huolto-ohjelmasta. Tämä data koostuu laskennallisista arvoista, joita on todennäköisesti muuteltu valmistajan kokemusten perusteella kuvaamaan helikopterin ja sen järjestelmien toimintaa. Koska käytettävä data on laskennallista ja alustavaa, on sitä muokattava paikoin hyvinkin voimakkaasti toiminnan kuvauksen luotettavuuden parantamiseksi. Tulosten oikeellisuuden arviointi perustuu suurelta osaltaan asiantuntijamielipiteen varaan, koska vastaavanlaisesta helikopterityypistä ei vielä ole empiirisiä kokemuksia. 5

9 Helikopterin toiminta mallinnetaan matemaattisten satunnaismuuttujien avulla, joiden toiminta määräytyy todennäköisyysjakaumien perusteella. Mallin parametrit voidaan jakaa kahteen päätyyppiin; lento- ja huoltotoimintaan liittyviin parametreihin. Lentotoiminnassa kuvataan mm. helikopterien keskimääräistä lentotiheyttä halutussa aikayksikössä, tehtävälle lähtevien helikoptereiden lukumäärää ja lennon kestoa. Huoltotoiminnassa parametreina ovat mm. huoltohenkilöstön määrä huoltotasoittain, huoltojen kestoajat, huollon viiveet ja polttoainevarastot. Huoltotoiminnan suorituskyvyn yleisesti käytetyin mittari on kaluston käytettävyys. Käytettävyydellä tarkoitetaan tietyllä hetkellä tehtävävalmiina olevien koneiden määrää kaikista koneista. Käytettävyyttä alentavat siis huollossa olevat, huoltoa odottavat tai matkalla huoltoon olevat koneet. Koneilla operoiva taho määrittelee yleensä halutun käytettävyyden tason, joka huolto-organisaation on saavutettava. Tämän tason määrittäminen on optimointitehtävä. Käytettävyyden tason kasvaessa kasvavat myös kustannukset yleensä eksponentiaalisesti. Yleensä pyritään löytämään taso, jolla haluttu lentotoiminta voidaan suorittaa hyväksyttävissä olevilla kustannuksilla. [3, 9] Mallilla pyritään tutkimaan suunnitellun huolto-organisaation toimintaa erilaisissa tilanteissa ja etsimään sekä identifioimaan käytettävyyteen voimakkaimmin vaikuttavat tekijät. Osa toiminnan parametreista, kuten määräaikaishuoltojen suorittamisajankohdat ja niihin liittyvät toleranssit, ovat sidottu valmistajan huolto-ohjelman kautta. Vapaasti varioitavista parametreista tärkein on henkilöstön määrä eri huoltotasoilla. Jos työn tekijöistä on puutetta suoritettavaan työmäärään nähden, kerääntyvät koneet huoltopaikalle ja koneiden käytettävyys alenee. Ylimääräinen henkilöstö nostaa taas puolestaan kustannuksia. [23] Erilaisista huoltojärjestelmistä ja tuotantolinjojen simuloinneista on julkaistu paljon tutkimusraportteja, mutta varsinaisten lentoteknisten huolto- ja logistiikkajärjestelmien julkista simulaatiotutkimusta on tehty vähän. Ruotsin puolustusvoimien materiaalilaitos (Försvarmaktens materialverket, FMV) on kehittänyt omaa käyttöänsä varten ASTOR - nimisen diskreetin tapahtumasimulaatiomallin, jolla voidaan tutkia Ruotsin ilmavoimien huoltojärjestelmien toimintaa. ASTOR - ohjelmistolla voidaan simuloida ilmavoimien toimintaa rauhan- ja sodanajan tilanteissa. Ohjelmistoa käytetään pääasiallisesti strategisen huoltosuunnittelun ja sotaharjoitusten suunnittelun tukena. Harjoituksien suunnittelussa voidaan simuloida suunniteltu lentotoiminta harjoituksen aikana ja täten ennustaa harjoituksessa käytettävien varaosien määrä ja harjoituksen ulkopuolella normaalitoiminnassa olevien lentoyksiköiden toiminta harjoituksen aikana. Yhteispohjoismaisen kuljetushelikopterihankkeen yhteydessä Systecon Ab teki FMV:lle konsulttityönä mm. vaihtolaitemäärän optimointilaskelmia ja elinkaarikustannuslaskentaa simulointimalleilla. FMV on tutkinut myös kahta pelkästään huollon tukitoimintojen simulointimallia. Koska ASTOR on suunniteltu vain ilmavoimien kalustolle, on FMV kehittänyt yhteistyössä Systecon Ab:n kanssa SIMLOX nimisen ohjelmiston, joka soveltuu myös muiden aselajien toiminnan simuloimiseen. Toinen ohjelmista on nimeltään RamLog, ja sen on kehittänyt englantilainen BAE Systems. Nämä mallit eivät ole yhtä tarkkoja malleja kuin ASTOR, mutta ovat riittävän tarkkoja käytettäväksi päätöksenteon tukena. Molemmat mallit ovat diskreettiin tapahtumasimulaatioon perustuvia. [8] 6

10 Cook ja DiNicola tutkivat helikopterihuoltojärjestelmän toimintaa epävarmassa tilanteessa. Tässä työssä mallinnetaan Sikorsky Helicoptersin tekemällä diskreettiin tapahtumasimulaatioon pohjautuvalla mallilla tietyn kokoisen helikopteriyksikön ja sen huoltoorganisaation toimintaa organisaation sisällä. Mallissa varioitavia parametreja ovat mm. lentotiheys, tehtävän kesto, vaurioitumis- vikaantumis- ja tuhoutumistodennäköisyydet, huollon kestoajat jne. Mallilla saatuja tuloksia ei esitetä, koska mallia on käytetty lähinnä Yhdysvaltain armeijan UH-60 Black Hawk helikopterin sodanajan toiminnan mallintamiseen ja tulokset on luokiteltu luottamuksellisiksi.[4] Teknisen korkeakoulun Systeemianalyysin laboratoriossa on tutkittu lentoteknisten huoltojärjestelmien toimintaa epävarmassa ympäristössä ja kehitetty muun muassa optimointimallia määräaikaishuoltojen ajoitukseen. Aiheesta on julkaistu esityksiä useissa alan konferensseissa. Näissä julkaisuissa on käsitelty Ilmavoimien yhden tai useamman laivueen huolto-organisaation toimintaa, joka poikkeaa jossain määrin maavoimien helikopterihuolto-organisaatiosta. [14, 15, 29] 7

11 2 Helikopterit ja niiden huolto 2.1 Rakenteet ja järjestelmät Helikopterien rakenteet ja järjestelmät noudattavat pitkälle samaa arkkitehtuuria kuin kiinteäsiipisissä lentolaitteissa. Suurimpana poikkeuksena on nostovoiman tuoton ja ohjauksen yhdistäminen samaan järjestelmään eli pääroottorille. Pääroottorin vikaantuminen tai vaurioituminen voi johtaa välittömään koneen tuhoutumiseen, kun taas lentokoneissa osuma siipeen aiheuttaa usein vain lento-ominaisuuksien tai suorituskyvyn huononemisen. Helikopteri voidaan jakaa erillisiin osakokonaisuuksiin seuraavasti; lentoranka, roottorirakenteet, avioniikka, moottorit, voimansiirto, ohjainjärjestelmä, sekä näiden järjestelmien apujärjestelmiin, esim. polttoainejärjestelmään ja omasuojajärjestelmään. Helikopterin ohjaamo ja miehistö sijaitsevat helikopterin nokassa parhaan mahdollisen näkyvyyden vuoksi. Avioniikasta keulassa sijaitsevat yleensä vain järjestelmän näyttö- ja käyttölaitteet itse prosessoreiden ollessa sijoitettuna suojaan rungon sisälle. Ohjaamossa sijaitsevat myös ohjainjärjestelmän käyttölaitteet. Nykyaikaisissa kuljetushelikoptereissa moottorit sijoitetaan matkustamon päälle mahdollisimman lyhyen voimansiirtoetäisyyden vuoksi. Tämän ratkaisun heikkoina puolina on huollettavuuden heikkeneminen korkean sijaintipaikan vuoksi. Moottoria tarkastettaessa tai huollettaessa koneen ympärille on tarvittaessa tuotava huoltotelakat tai huolto joudutaan suorittamaan erityisjärjestelyin. Lisäksi matkustamon katto joudutaan mitoittamaan helikopterin törmäyskuormien mukaan, jotta moottorit eivät putoaisi matkustamoon esim. pakkolaskutilanteessa. Tämä aikaansaa usein raskaan runkorakenteen.[6, 30] Voimansiirto pyrstöroottorille kulkee pyrstöpuomin sisällä. Yleensä pyrstöroottorin voimansiirtoakseli on metallinen tai komposiitista valmistettu putki. Pyrstöpuomista tehdään yleensä mahdollisimman kompakti aerodynaamisista syistä, jolloin pyrstöroottorin voimansiirron laakereiden ja vaihteistojen tarkistukset sekä näiden huoltotoimenpiteet voivat olla aikaa vieviä. Tämän vuoksi voimansiirto suunnitellaan mahdollisimman helpoksi huoltaa. Tämä tarkoittaa mm. voimansiirron komponenttien tarkastusjaksojen pidentämistä kestovoidelluin laakerein. [6,30] Pienissä helikoptereissa ohjainjärjestelmä on perinteisesti ollut täysin mekaaninen järjestelmä tarvittaessa hydraulitehosteisena. Liikkeet ohjaimilta välitetään pää- ja pyrstöroottoreille työntötangoilla tai vaijeri-kehräpyörämekanismein. Hydraulisesti tehostetuissa ohjainjärjestelmissä työntötangot käyttävät hydraulisia servoja, jotka taas käyttävät itse ohjainvivustoja. [6, 30] Helikopterien omasuojajärjestelmät ovat nykypäivänä erittäin kattavia ja pitkälle integroituja muun avioniikan kanssa. Omasuojajärjestelmät koostuvat passiivisista tai aktiivisista sensoreista sekä näiden ohjaamista vastatoimilaitteista. Yleensä omasuojajärjestelmään kuuluvat infrapuna- laser- ja tutkavaroittimet, IFF (Identification Friend or Foe) eli omakonetunnuslaite, infrapuna- ja radiotaajuiset häirintälaitteet sekä silpun- ja soihtujenheit- 8

12 timet. Helikopterien taistelunkestävyyttä parannetaan myös häiveteknologian avulla. Roottorien ja rungon tutkapinta-alat pyritään minimoimaan muotoilun ja pinnoitteiden avulla. Esimerkiksi NH 90 helikopterin maalaus on tehty häiveominaisuuksia omaavilla maaleilla. Nykyaikaisissa helikoptereissa on myös huomattavia määriä lennon suorittamista helpottavia järjestelmiä (MFA, Mission Flight Aids). Koneen suorituskykyä huonossa säässä lentämisessä voidaan parantaa säätutkan avulla. Säätutka on millimetriaaltoalueella toimiva tutka, joka havainnoi ilmakehän poikkeamia kuten sadetta, ukkosta, pilviä tai jäätäviä olosuhteita. [6, 16] Koska sotilashelikoptereilla lennetään yleensä matalalla käyttäen hyväksi maastonmuotojen tarjoamaa suojaa, estetutkalla on lentoturvallisuutta parantava vaikutus. Estetutka pystyy havaitsemaan esim. maastonkohoamisen tai sähkölinjan noin m etäisyydeltä helikopterin etusektorissa antaen piloteille n. 5 sekuntia reagointiaikaa ennen törmäystä. GPS-navigointi ja tähän liittyvä reaaliaikainen karttapohja alkavat olla vakiovarusteita etulinjan sotilasilma-aluksissa. Suuri osa rutiininomaisista suorituksista kuten leijunta tietyssä kohdassa halutulla korkeudella tai etsintäkuvioproseduurit voidaan jättää autopilotin hoidettavaksi, jolloin koneen miehistö voi keskittyä paremmin suoritettavaan tehtävään ja käyttää tehtävään liittyviä laitteita. [6,18] Helikopterissa on aina lisäksi erillinen järjestelmien valvontajärjestelmä, joka yksinkertaisimmillaan voi koostua antureista ja niiden merkkivaloista ohjaamossa. Modernit valvontajärjestelmät (HUMS, Health and Usage Monitoring System) keräävät jatkuvasti dataa koneen käytön aikaisista parametreista, analysoivat niitä ja ohjaavat varajärjestelmiä automaattisesti. Lisäksi lähes jokaisessa avioniikkalaitteessa on sisäänrakennettu testauslaitteisto, (BITE, Built In Testing Equipment) joka testaa laitteen tai järjestelmän toiminnan kopterin virtojen kytkemisen yhteydessä tai huoltohenkilöstön niin halutessa. Joissain helikopterityypeissä koneeseen on asennettu vikamuistikasetti, joka luetaan maalaitteilla esim. huoltojen yhteydessä. Nykyaikaisissa helikoptereissa järjestelmät on verkotettu toimimaan yhdessä ja osittain integroituina, jolloin selkeät järjestelmärajat puuttuvat osittain. Laitteistojen integroinnin etuna on raa an numerodatan muokkaus ymmärrettäviksi kokonaisuuksiksi ja ennalta ohjelmoidun logiikan mukaisiksi toimenpiteiksi. Tällöin vastuu varajärjestelmän käyttöön siirtymisestä on lennonvalvontajärjestelmällä (MDS, Monitoring and Diagnostic System), joka antaa käskyt kyseisille laitteille ilman miehistön puuttumista asiaan [16, 18]. 2.2 Lentoranka Lentorangalla tarkoitetaan lentolaitteen kuormia kantavaa primäärirakennetta. Rakenne on yleensä perinteinen kokometallinen jäykistetty kuorirakenne. Uusimmissa kopterimalleissa rakenne voi olla myös ns. integraalirakenne. Integraalirakenne voi olla joko metallinen tai lujitemuovinen. NH 90 helikopterin runkorakenne on täysin integraalinen rakenne, joka on valmistettu liimaamalla ja niittaamalla hiili-, lasi- ja kevlarkomposiittipaneeleista [18]. Konstruktiotapa on ensimmäinen laatuaan helikoptereissa. Runkoon voidaan tarvittaessa lisätä aramidikuitupohjaisia suojauspaneeleita matkustamon sisäpuolelle parantamaan rungon ballistista suojaustasoa. 9

13 Lentorangan kuormaa kantaville osille määritetään tarkastusjaksot ja muita sen osia valvotaan käytön yhteydessä. Lentorangan sisäverhouspaneelit ovat yleensä kuluvia osia, joita joudutaan huolloissa korjaamaan tai vaihtamaan. Maatoiminnasta aiheutuneiden kolhujen paikkaaminen on tyypillinen lentorangalle suoritettava huoltotoimenpide määräaikaistarkastuksien lisäksi. 2.3 Roottorirakenteet Helikoptereissa sekä nostovoiman tuotto että ohjaus on toteutettu samalla kantopinnalla eli pääroottorilla. Helikopterin pituus- ja sivuttaiskallistus saadaan aikaan kallistamalla roottorin pyörimistasoa. Suuntaohjaus on toteutettu pyrstöroottorilla, joka myös kumoaa pääroottorin runkoon aiheuttaman vääntömomentin. Muuttamalla pyrstöroottorin lapakulmia voidaan pyrstöroottorin nostovoiman määrää ohjata ja täten kääntää helikopterin nokkaa haluttuun suuntaan. Suurilla lentonopeuksilla myös perärunko toimii suuntavakaimena ja täten vähentää pyrstöroottorin tehontarvetta [6,30]. Koska pää- tai pyrstöroottorin vika tai vaurio aiheuttaa usein kopterin täydellisen tuhoutumisen, komponenttien ja osakokonaisuuksien luotettavuudelle asetetaan tiukat vaatimukset mitattuna esimerkiksi keskimääräisellä vikaantumisvälillä eli MTBF:llä. Jokaiselle laitteelle tulee valmistajan toimesta suorittaa käyttötestit ja todentaa osan täyttävän luotettavuusvaatimukset. Ilmailuviranomainen ei välttämättä anna mitään vaatimuksia laitteen luotettavuudesta, joten luotettavuuskriteerien määrittäminen jää valmistajan spesifioitavaksi [5,17]. Koska nostovoima tuotetaan pyörivällä kantopinnalla, rungon värähtelytaajuudet ovat roottorin kierrosluvun moninkertoja. Nämä värähtelyt siirtyvät roottorista roottorimaston kautta voimansiirtoon sekä runkoon voimansiirron kiinnitysten kautta. Värähtelyt aiheuttavat rungon osien väsymistä, elektroniikan vikaantumista sekä matkustusmukavuuden heikkenemistä. Helikopterien roottorin naparakenteet voidaan jakaa kolmeen eri päätyyppiin lapojen nivelöinnin perusteella: perinteinen täysin nivelöity napa, jäykkä napa sekä niveletön lapa. Täysin nivelöidyssä lavassa on sekä sulka-, vastus- että lepatusnivelet ja lapojen tarvitsema vaimennus hoidetaan hydraulisilla tai elastisilla vaimentimilla. Täysin nivelöidyn navan huollontarve on suurin tarkasteltavista tyypeistä sekä käyttöhuollon että varsinaisen huollon kannalta. Metalliset nivelet tarvitsevat rasvausta ja hydrauliset vaimentimet nestetarkistuksia ja -lisäyksiä. Elastomeerisille vaimentimille tai nivelille on määriteltynä tarkastus- ja vaihtovälit. Jäykässä navassa on ainoastaan sulkanivel ja muut liikkeet hoidetaan itse lavan joustavuudella. Tällöin joustava navan tyvi toimii lepatus- ja vastusnivelenä. Tällä konstruktiolla saadaan tarkastettavien ja huollettavien kohteiden määrää pienennettyä. Huollon kustannusten kannalta jäykkä naparakenne on kuitenkin kalliimpi kuin täysin nivelöity napa, koska nivelten väsyttyä joudutaan vaihtamaan kaikki roottorin lavat tasapainotuksen vuoksi. Pyrstöroottorin naparakenteet ovat samanlaisia pääroottorin naparakenteiden kanssa. Johtuen pyrstöroottorin pienemmästä koosta ja massasta, pyrstöroottori ei vaadi 10

14 vastusniveltä. Lisäksi pyrstöroottorin lapakulma-alueen tulee olla suurempi sekä positiivisille että negatiivisille lapakulmille ohjattavuuden kannalta. Helikopterin roottori sisältää useita mekaanisia korkeasti kuormitettuja pyöriviä komponentteja, joiden moitteeton toiminta on edellytys helikopterin luotettavuudelle. Roottorin laakereiden voitelu ja muiden komponenttien säännöllinen huolto ja tarkastukset muodostavat suuren osan helikopterin huoltokuormasta. [30] 2.4 Voimansiirto Helikopterien voimansiirto on järjestelmänä kriittisimpiä luotettavuuden kannalta. Tästä johtuen voimansiirto mitoitetaan hyvin kestäväksi. Suunnittelun tärkeimpiä kriteerejä on painon minimointi ja luotettavuuden maksimointi. Jos voimansiirto tehdään mekaanisesti kestäväksi ylisuurilla varmuuskertoimilla, tulee siitä painava. Lisäksi mekaanisena ja suurena järjestelmänä voimansiirron redundanssia ei ole järkeä tehdä moninkertaistamalla esim. vaihteisto. Tällöin voimansiirto tulee tehdä vaurionsietoiseksi (damage tolerant). Helikopterin voimansiirto koostuu seuraavista komponenteista. [30] - päävaihteisto - voimansiirtoakseli(t) - päämasto eli roottorinakseli - pyrstöakseli - välivaihteisto - pyrstövaihteisto Voima siirretään moottoreilta voimansiirtoakseleiden välityksellä päävaihteistolle, jossa voimansiirtoakseleiden kierrosluku alennetaan sopivaksi roottoreille ja apulaitteille. Jottei äänennopeutta roottorin kärjessä ylitettäisi, on maksimi pääroottorin pyörimisnopeus helikoptereilla kierrosta minuutissa. Samalla kierrosnopeuden alentamisesta seuraa vääntömomentin kasvaminen. Rakenteellisesti päävaihteisto on valettuun tai koneistettuun kevytmetallikuoreen asennettu hammasratasvaihteisto. Päävaihteistossa yleensä ensin alennetaan kierrosluku sopivaksi lieriö- tai planeettavaihteistojen avulla ja tämän jälkeen käännetään pyörimisakselin suunta kartiohammasrattaiden avulla. Päävaihteisto pyritään rakentamaan mahdollisimman vähän huoltoa vaativaksi. Yleisimpiä päävaihteistolle tehtyjä huoltotoimenpiteitä ovat päivätarkastuksen yhteydessä tehtävät öljynmäärän ja mahdollisten magneettitulppien tarkistukset. Magneettitulpat sijaitsevat yleensä päävaihteiston öljykierrossa siten, että kaikki öljy virtaa niiden ohi. Jos vaihteiston hampaista tai laakereista alkaa irrota metallilastuja esim. huonon voitelun takia, ne tarttuvat magneettitulppaan, josta tarkastuksen yhteydessä tai merkkivalolla ohjaamossa voidaan havaita lastujen irtoaminen. Magneettitulpat tulee puhdistaa määräajoin, jotta lastujen määrää tietyllä aikavälillä voidaan tarkkailla. Hammaspyöristä irtoaa käytössä aina tietty määrä metallilastuja, joten valmistajan on määriteltävä huolto-ohjeissaan sallitut lastuesiintymät magneettitulpissa [30]. Voimansiirtoakselit ovat lyhyitä, yleensä metallisia akseleita, jotka välittävät moottoreiden voiman päävaihteistolle. Voimansiirtoakseleissa tulee olla molemmissa päissä jous- 11

15 tavat kytkimet, joilla moottorit saadaan eristettyä päävaihteiston värähtelyiltä. Joustavilla kytkimillä voidaan myös korjata mahdolliset linjausvirheet moottorin ja päävaihteiston välillä. Voimansiirtoakselit ovat yleensä huoltovapaita pois lukien kytkimet, jotka tarvitsevat voitelua. Joissain konetyypeissä huolto-ohjelmaan kuuluu myös pääakseleiden värähtelymittauksia. Päävaihteisto kääntää voimansiirtoakseleiden pyörimisakselin suunnan sopivaksi päämastolle, joka pyörittää pääroottoria. Päämaston tehtävänä on myös vastaanottaa roottorin aerodynaamiset kuormat ja roottorin pyörittämiseen tarvittava vääntömomentti. Päämasto on helikopterien kriittisin yksittäinen rakenneosa johtuen sen tarkoituksesta. Päämaston pettäminen aiheuttaa aina helikopterin välittömän tuhoutumisen jolloin sen suunnittelu ja varmuuskertoimet ovat tehtävän mukaisia. Päämastot ovat yleensä metallirakenteisia putkia, joiden päässä on kiinnityselimet päävaihteistolle ja roottorin navalle. Päämasto on yleensä aikavalvottu osa, johtuen sen vaikeasta tarkastettavuudesta ja kriittisyydestä. Koska päämasto on aikavalvottu osa, ei sille juurikaan ole huoltotoimenpiteitä käyttöaikanaan. Päämaston päässä olevat liityntäosien laakerit ja nivelet voivat tarvita voiteluainelisäystä, mutta muuten päämasto on huoltovapaa osa. Päävaihteistolta jaetaan voima myös pyrstöroottorille pyrstöakselin välityksellä. Pyrstöakseli on yksinkertainen vääntöputki, joka välittää päävaihteiston vääntömomentin pyrstöroottorille. Pyrstöakseleina käytetään nykyaikaisissa helikoptereissa komposiittirakenteisia putkia, joiden vaurionkesto on huomattavasti parempi kuin metallisten akseleiden [1]. Huollollisesti pyrstöakselit ovat aikavalvottuja osia, joille on määrätty tehtäväksi silmämääräisiä tarkistuksia, laakereiden rasvauksia ja välysten tarkistuksia. Konetyypeissä, joissa on metallinen pyrstöakseli, voi sillä olla tietty tarkastusjakso, jonka jälkeen akseli tarkistetaan irrotettuna koneesta. Tällainen konetyyppi on esim. Hughes 500 E. Maavaravaatimuksesta johtuen pyrstöroottori joudutaan nostamaan sivuvakaimen kärkeen, jolloin pyrstöakselin kulmaa joudutaan muuttamaan pyrstörungon ja sivuvakaimen liitoskohdassa välivaihteiston avulla. Välivaihteistossa ei enää alenneta pyrstöakselin kierroslukua, vaan ainoastaan vaihdetaan akselin kulkusuuntaa. Tämän vuoksi välivaihteisto koostuu usein vain yhdestä hammaspyöräparista. Rakenteeltaan välivaihteisto on perinteinen valetussa tai koneistetussa metallikotelossa oleva roiskevoideltu vaihteisto. Vaihteistokotelossa on magneettitulppa ja öljyn määrän tarkastustikku tai ikkuna. Tulppa ja öljyn määrä tarkastetaan ainakin kerran päivässä riippuen lentotiheydestä. Pyrstövaihteiston pääasiallinen tehtävä on kääntää voimansiirron suuntaa 90 astetta ja mahdollisesti alentaa tai lisätä voimansiirron kierrosnopeutta. Pyrstöroottorin kierrosnopeus on roottorin pienemmän halkaisijan vuoksi suurempi kuin pääroottorin kierrosnopeus, joten useimmiten pyrstövaihteisto lisää kierrosnopeutta. Pyrstövaihteiston tarkistuskohteet ja tarkastusvälit ovat samanlaisia kuin välivaihteistossa. Voimansiirtoon lasketaan kuuluvaksi joukko apulaitteita, joilla ohjataan voimansiirron toimintaa tai vaikutetaan välillisesti voimansiirtoon kuuluviin osiin. Helikopterin laskeuduttua sen roottori voi jatkaa pyörimistään vielä usean minuutin ajan. Tällöin pyörivä roottori voi aiheuttaa vaaratilanteen helikopterin ympärillä liikkuville ihmisille tai puus- 12

16 kainen tuuli aiheuttaa pyörivän roottorin hakkaamista lepatusrajoittimiinsa. Roottorin pyörintä voidaan pysäyttää roottorijarrun avulla. Roottorijarru sijaitsee yleensä päämaston yhteydessä ja on toiminnaltaan joko mekaaninen tai hydraulinen. Roottorijarru on kuormitettu osa voimansiirtoa ja vaatii jatkuvaa tarkastamista luotettavan toiminnan takaamiseksi. Sotilashelikoptereissa voimansiirron osat tulee mitoittaa kestämään uhkakuvan mukaiset vauriot. Esimerkiksi vaihteistot tulee mitoittaa toimimaan 30 minuuttia ilman voitelua ja voimansiirron akselit kestämään ballististen ammusten osumat. Lisäksi voimansiirron pieneen huoltokuormaan ja huoltoväleihin tulisi kiinnittää huomiota sotilashelikopteritoiminnan usein varsin puutteellisissa olosuhteissa tapahtuvan huollon helpottamiseksi [1]. Nykyaikaisissa helikoptereissa ainakin pyrstöroottorin voimansiirron akselit valmistetaan muovikomposiiteista paremman vaurionkeston ja keveyden vuoksi. Lujitemuovisia roottorin mastoja on myös kokeiltu, mutta ne eivät ole yleistyneet niiden hankalamman väsymisenkeston ennustamisen vuoksi. Voimansiirtoakseleissa materiaalina käytetään suurlujuusteräksiä hyvän väsymisenkeston ja suhteellisen jäykkyyden vuoksi. Voimansiirtoon liittyvät tarkastukset ovat yleensä lyhyitä, mutta komponenttien irrotus ja huolto voivat viedä aikaa ja miestyövoimaa. Voimansiirron mekaanisten komponenttien suuri lukumäärä kasvattaa helposti suurien määräaikaishuoltojen kestoa, jos osia joudutaan ottamaan irti koneesta tarkastusta varten. 2.5 Ohjausjärjestelmät Perinteisesti kuljetushelikopterien ohjainjärjestelmät ovat olleet mekaanisin ohjainvälityksin tai hydrauliikan välityksellä toimivia redundantteja järjestelmiä. Varsinkin hydrauliikkalinjojen välityksellä toimivaan ohjainjärjestelmään on helppo lisätä rinnakkaisia järjestelmiä lisäämällä linjoja sekä reitittämällä ne eri keinoin käyttölaitteilta ohjainpinnoille. Lisäksi myös hydrauliikkapaineen tuottajat ovat moninkertaistettuja vikasietoisuuden parantamiseksi. Historia kuitenkin osoittaa, että huolellisesta suunnittelusta huolimatta yksittäinen vika voi aiheuttaa koneen ohjattavuuden menetyksen. Näin tapahtui vuonna 1989 Sioux Cityssä Iowassa, jolloin DC tyyppisen lentokoneen pyrstömoottorista irronnut moottorin kiekko katkaisi kaikki kolme erillistä hydrauliikkalinjaa ja aiheutti vakavia ohjausvaikeuksia [1]. Hydraulista ohjausjärjestelmää käytetään silloin, kun mekaanisilla välityksillä ei saada riittävän suuria ohjainvoimia roottoreille. Riippuen lentokelpoisuusvaatimuksista, helikopterilla tulee olla kaksi tai useampi toisistaan riippumatonta hydraulijärjestelmää, jos helikopteri ei ole turvallisesti ohjattavissa hydraulijärjestelmän vian jälkeen [17, 30]. Hydraulijärjestelmän toimivuus riippuu hyvin paljon sen sisältämän hydraulinesteen puhtaudesta, jolloin järjestelmän suodattimien toimintakunnon varmistaminen on oleellinen osa huolto-ohjelmaa. Hydraulijärjestelmän pumput ovat yleensä mäntä- tai hammasrataspumppuja, jotka ovat oikein hoidettuna kestäviä ja toimintavarmoja. Pumppujen huolto-ohjelma sisältääkin yleensä määräaikaisia silmämääräisiä tarkistuksia ja määräaikaisia laitevaihtoja. Lentokoneissa on käytetty 1980-luvulta lähtien täysin sähköisiä ohjausjärjestelmiä, joita kutsutaan Fly-By-Wire järjestelmiksi. Näissä järjestelmissä ohjainkomennot kulkevat digitaalisignaaleina sähköjohdoissa lennonohjaustietokoneelta ohjainpinnoille ilman me- 13

17 kaanista yhteyttä. Joissain lentokoneissa on osittainen mekaaninen varajärjestelmä tietyille ohjainpinnoille. Esimerkiksi F-18 Hornet torjuntahävittäjän korkeusvakaimilla on mekaaninen varajärjestelmä, jolla saadaan korkeus- ja kallistusohjaus toimimaan hydrauliikkajärjestelmien täydellisen pettämisen jälkeen [17]. FBW- järjestelmät koostuvat ohjainten asentoantureista, keinotuntoyksiköistä, ohjaustietokoneista, järjestelmän ohjauspaneeleista sekä aktuaattoreista ohjausyksikköineen. FBW järjestelmien suurimpia etuja ovat redundanssin saavuttaminen helposti ja pienellä massalla. Rinnakkainen järjestelmä vaatii teoriassa vain toisen lentotietokoneen, joka on vaihdettavassa standardikokoisessa asennustelineessä, sekä toisen johtoreitityksen. Koska nykypäivänä lentokoneet ja helikopterit ovat rakennettu standardimuotoisen dataväylän ympärille, voidaan dataväylää käyttää hyväksi ohjausjärjestelmän osana. Dataväylää pitkin voidaan ohjauskomennot syöttää digitaalimuotoisina käskyinä suoraan tietokoneille, jotka ohjaavat ohjainlaitteiden aktuaattoreita. Tällöin vältytään toimintaa hidastavalta analogia/digitaalimuunnokselta [17]. Yleensä FBW- järjestelmien paino on murto-osa perinteisen hydraulisen järjestelmän painosta. Toinen hyvä puoli on järjestelmän ohjelmoitavuus. Lennonohjaustietokoneen voi ohjelmoida toimimaan erilaisten ohjauslakien mukaan, jolloin koneen lento-ominaisuuksia voidaan säädellä ohjelmallisesti ilman koneen geometrian kallista muuntamista. FBW- järjestelmän haittapuolia on lisääntynyt järjestelmän monimutkaisuus, joka tarkoittaa lisääntyneitä vikamahdollisuuksia ja järjestelmän osien korkeita luotettavuusvaatimuksia. Ohjausjärjestelmät vaativat yleensä vähän huoltoa. Mekaanisten ja hydraulisten ohjausjärjestelmien huolto-ohjelma sisältää säännöllisiä tarkastus- ja voitelutoimenpiteitä. Sähköiset ohjausjärjestelmät ovat huomattavasti huoltovapaampia, koska kuluvia osia ei juuri ole. 2.6 Moottorit ja polttoainejärjestelmä Kuljetushelikoptereissa käytetään pääsääntöisesti kaasuturbiinimoottoreita. Helikopterimoottorit ovat ns. vapaaturbiinimoottoreita eli ahdin ja työturbiini eivät ole mekaanisessa yhteydessä toisiinsa. Vapaaturbiinimoottorin vastakohta on ns. suoravetokaasuturbiini, jossa moottorin komponentit on yhdistetty toisiinsa pääakselilla. Johtuen helikopterien toimimisesta maanpinnan läheisyydessä esim. leijunnassa, moottorit ovat varustettuja pölyerottimilla tai lumisuojilla. Näiden tarkoituksena on estää leijunnassa maasta nousevan pölyn, roskien tai lumen imeytyminen moottoreihin. Pölynerottimet perustuvat joko suoraan suodatukseen, josta seuraa virtaushäviöitä, tai keskipakovoimaan. [6, 30] Moottoreita hallitaan täysin elektronisella moottorinhallintajärjestelmällä (Full Authority Digital Engine Control, FADEC). FADEC valvoo sähköisten anturien avulla moottorien parametreja kuten kierroslukuja, lämpötiloja tai paineita ja säätää tämän mukaan polttoaineen virtausta. FADEC helpottaa miehistön työkuormaa varsinkin poikkeusoloissa kuten yksimoottoritilanteessa. Tällöin FADEC tunnistaa tilanteen ja kytkee hätätehon (OEI) jäljellä olevaan moottoriin. Samalla FADEC valvoo, ettei sallittua maksimihätätehoaikaa ylitetä. Lisäksi FADEC:a käytettäessä käynnistys tapahtuu yhtä nappia painamalla, koska automatiikka hoitaa mm. polttoainehanojen kytkemiset oikealla hetkellä. Tämä lisää moottorien elinikää, koska mm. kuumakäynnistykset pienenevät merkittävästi FADEC:a 14

18 käyttäessä. Uudenaikaisimmissa helikoptereissa on FADEC ja lentolaitteen valvontajärjestelmä integroitu toimimaan yhteistyössä. Tällöin FADEC:lta saatavan moottoridatan perusteella voidaan koneen moottorien kuntoa valvoa samalla tavalla kuin runkoa tai voimansiirtoa. [6, 30] Suurissa helikoptereissa polttoaine jaetaan yleisesti useaan säiliöön ja käytetään ns. siirtotankkia, jossa pidetään tietty määrä polttoainetta kerrallaan. Siirtopumppu pumppaa polttoaineen päätankeista siirtosäiliöön siten, että koneen painopiste pysyy suunnilleen paikallaan trimmimuutosten välttämiseksi. Siirtosäiliöstä moottorin oma pumppu pumppaa polttoaineen moottoreille käytettäväksi. Polttoainelinjoja on yleensä yksi siirtosäiliöstä jokaiselle moottorille ja yksi linja päätankista siirtosäiliöön. Yksimoottoritilanteessa tai jonkin siirtojärjestelmän vikaantuessa voidaan toisen moottorin pumpuilla siirtää polttoainetta toiseen moottoriin. Nykyaikaiset suihkuturbiinimoottorit ovat helppoja huoltaa. Kunnonvalvontajärjestelmien avulla moduulien tarkastusvälejä on voitu kasvattaa ja moottorien moduulirakenne mahdollistaa moottorin nopean korjauksen jonkun moduulin vikaannuttua. Elektronisten moottorinvalvontalaitteiden avulla suurin osa pilotin virhetoiminnoista esim. käynnistyksen yhteydessä voidaan poistaa ja täten vähentää moottorivaurioita. 2.7 Mittarit ja avioniikka Mittarien ja avioniikan tehtävänä on prosessoida ja toimittaa tietoa lentolaitteen tilasta ymmärrettävässä muodossa piloteille koneen ohjaamisen mahdollistamiseksi. Väärä tai puutteellinen informaatio voi aiheuttaa vääriä johtopäätöksiä ja johtaa materiaali- ja ihmisvahinkoihin. Tämän vuoksi avioniikan ja mittarien oikea toiminta ja luotettavuus ovat tärkeitä lentoturvallisuuden kannalta. Tehtäväkohtaiseen avioniikkaan lasketaan kuuluvaksi elektronisen sodankäynnin laitteet (ELSO, EW) sekä lennonapulaitteet (MFA, Mission Flight Aids). Helikoptereissa elektronisen sodankäynnin järjestelmään kuuluu yleensä passiivisia ja aktiivisia sensoreita kuten tutka/infrapunaohjusvaroituslaitteet sekä vastatoimilaitteita kuten häirintälähettimiä sekä silpun- ja soihdunheittimiä. Näiden järjestelmien tarkoituksena on parantaa helikopterin suorituskykyä vihollisympäristössä. Helikoptereissa lennonapulaitteisiin lasketaan kuuluvaksi sää- ja estetutkat, digitaaliset karttanäytöt, kypäränäytöt joihin mahdollisesti on integroitu kypärätähtäin sekä infrapunakamera (FLIR, Forward Looking Infrared). Lennonapulaitteet parantavat helikopterin suorituskykyä huonoissa sääolosuhteissa tai matalalla lennettäessä tuottamalla piloteille tietoa ympäristöstä, jonka mukaan miehistö voi tehdä päätöksiä esim. lentoreitistä. 15

19 2.8 Komponenttien ja laitteiden suunnittelu- ja huoltofilosofiat Lentolaitteiden komponentteja ja osakokonaisuuksia suunnitellaan kahdella eri filosofialla. Näille käytetään yleisesti nimityksiä vikasietoinen suunnittelu (damage tolerant) ja rajoitetun eliniän suunnittelu (safe-life). Vikasietoisessa suunnittelussa lähtökohtana on se, että osan tai osakokonaisuuden eliniän aikana sallitaan osan vaurioituminen. Tällöin kuitenkin vaaditaan, että osakokonaisuus toimii normaalisti vaurioitumisesta huolimatta. Osalle on määritelty laskennallinen elinikä, jolle määritetään osan/osakokonaisuuden tarkastusohjelma. Tarkastusohjelma tulee suunnitella siten, että vaurio havaitaan ennen kuin se vaarantaa lentolaitteen turvallisen käytön. Lentolaitteiden mekaanisten osien ja rakenteiden suunnittelussa vikasietoinen suunnittelu on hallitseva suunnittelufilosofia, koska sillä saadaan tehokkaita ja keveitä rakenteita [30]. Varsinkin helikoptereissa on paljon osia ja järjestelmiä, joita ei voida valvoa ja tarkastaa ilman massiivisia purkutoimenpiteitä. Tällaisia osia helikoptereissa ovat esimerkiksi roottorin päämasto ja -vaihteisto. Tällöin osa tai osakokonaisuus suunnitellaan rajoitetun eliniän mukaan eli osalla on tietty elinikä (safe-life), jonka jälkeen se poistetaan käytöstä. Osan tai osakokonaisuuden ei sallita vaurioitua laskennallisen elinikänsä aikana. Safe-life -osien käyntiaikaa valvotaan jatkuvasti ja huoltojen ajoitus määräytyy aikavalvottujen osien vaihtotarpeen mukaisesti. Helikopterin järjestelmien ja komponenttien valvonnassa on määritelty kolme erilaista tasoa; on-condition, condition monitoring ja hard time. On-condition valvonnalla tarkoitetaan ennakoivan huollon tasoa, jossa osan kuntoa vain tarkkaillaan ja osa korjataan vian ilmetessä. Näille laitteille ei määritetä tarkastusjaksoja. Condition monitoring valvonta liittyy ennakoimattomiin huoltoihin ja redundantteihin järjestelmiin. Condition monitoring - konseptissa osan sallitaan vikaantua, minkä jälkeen korjaus suoritetaan siten, että laite toimii taas vaaditulla tasolla. Hard time -valvonnalla tarkoitetaan laitteiden ja järjestelmien huoltoa kiintein aikajaksoin. Aikajaksona voi olla lentotuntimäärä, kalenteriaika tai lentosyklimäärä. Helikoptereissa aikavalvotut osat ovat hallitsevia suoraan lentoturvallisuuteen vaikuttavissa mekaanisissa osissa. Aikavalvottujen osien käyntiajalle on määritelty marginaalit, joiden mukaisesti osa voidaan vaihtaa joko ennen käyntiajan umpeutumista tai sen jälkeen. Marginaalien tarkoitus on helpottaa huollon suunnittelua mahdollistamalla osan yliajalla lentäminen. Tällöin operaattori voi itse sovittaa huoltotoiminnan esim. tarvittavan konekapasiteetin mukaan [3, 12, 22, 31, 32]. Helikopteritoiminnassa tietyt lennonvaiheet aiheuttavat erityisiä luotettavuusvaatimuksia järjestelmille ja niiden huoltojärjestelmälle. Esimerkiksi leijuntatilanteissa moottorin pettäminen on kriittisimpiä poikkeustilanteita. Tämän vuoksi moottoreille ja niiden ohjauselektroniikalle asetetaan erityisen tiukat luotettavuusvaatimukset. Samalla moottorien tulee kestää yksimoottoritilanteessa määritelty aika ilman vikaantumista. Yksimoottoritilanteessa moottorista otetaan ulos normaalitehoasetusta enemmän tehoa miehistön ja koneen säästämiseksi mahdolliselta maahansyöksyltä [6, 30]. Nämä edellä mainitut tekijät aiheuttavat ennalta arvaamattomia kuormituksia helikopterin järjestelmille ja tämän vuoksi helikoptereissa on yleensä kunnonvalvontajärjestelmä HUMS valvomassa kaikkien helikopterin järjestelmien toimintaa ja nauhoittamassa pa- 16

20 rametridataa. Nykyaikaisissa lentolaitteissa kaikki järjestelmien välinen tieto liikkuu digitaalisissa dataväylissä, jolloin monitorointiin riittää väylään liitetty kuuntelulaite ja tallennusmedia, johon data nauhoitetaan. HUMS:n käyttö mahdollistaa tehokkaamman väsymiskriittisten osien valvonnan, koska koneen kuormitusspektri tunnetaan nauhoitusten perusteella. Tällöin saadaan realistisempi arvio koneen kuormittumisesta kuin suunnittelussa laskettujen kuormitustapausten ja syklimäärien mukaan. 2.9 Järjestelmän ja sen komponenttien luotettavuus Luotettavuudella tarkoitetaan erään määritelmän mukaan todennäköisyyttä sille, että tarkasteltava kohde toimii oikein ilman virhetoimintaa vaaditun ajan halutuissa olosuhteissa [32]. Tämän määritelmän perusteella laitteen luotettavuuteen voidaan vaikuttaa sekä suunnittelulla että raja-arvojen, kuten haluttu elinikä, asettelulla. Lentotekniikassa pyritään mahdollisimman keveisiin rakenteisiin, minkä vuoksi lentokoneiden rakenteelliset osat suunnitellaan kestämään halutulla todennäköisyydellä tietty käyttöikä, jonka jälkeen rakenne tarkastetaan sen luotettavuuden varmistamiseksi. Tämä pätee myös mekaanisille laitteille. Lentokoneiden rakenteiden ja mekaanisten laitteiden luotettavuus varmistetaan siis tarkastusohjelmalla. Tarkastusohjelman määrittäminen on tasapainon hakemista rakenteen tai laitteen käyttöiän kokonaiskustannusten välillä. Tietty luotettavuuden taso voidaan saavuttaa ääripäissään kahdella eri tavalla. Ensimmäisessä tavassa suunnitellaan osa kestämään suhteellisen lyhyt elinikä ja tarkastetaan osa tai laite tiheällä aikavälillä. Tällöin osa saadaan kevyeksi, mutta tarkastusohjelman kustannukset ja tiukan tarkastusohjelman vaikutus koneen käytettävyyteen voi olla dramaattinen. Toisessa tavassa suunnitellaan osa kestämään koko laitteen elinikä vaaditulla todennäköisyydellä, jolloin tarkastusohjelmaa ei tarvita teoriassa lainkaan. Tällöin osa on painava tai monimutkainen ja tätä kautta kallis valmistaa. Tarkastusohjelman kustannukset ovat tällöin pienet. Molemmilla tavoilla voidaan päästä samaan kokonaiskustannukseen koneen tai laitteen käyttöaikana, mutta kustannukset kohdistuvat eri tavalla käyttöajalle. Lentokoneiden käyttöikä liikkuu yleisesti koneen käyttötarkoituksesta riippuen muutamasta tuhannesta kymmeniin tuhansiin lentotunteihin. Järjestelmän luotettavuutta voidaan arvioida sen komponenttien luotettavuuksien kombinaationa. Komponenteille voidaan muodostaa arkkitehtuurin mukainen todennäköisyyksien ketju ja tämän perusteella laskea järjestelmän tai yksittäisen laitteen vikaantumisen todennäköisyys ja samalla tarkastella jokaisen komponentin vikaantumisen vaikutusta laitteen toimintaan. Lentokelpoisuusvaatimukset ja laitestandardit antavat vaatimuksia lentolaitteiden järjestelmien luotettavuudelle. Laitteiden ja niiden komponenttien vikaantumiseen käytetään muutamia tunnuslukuja. Tärkeimpiä näistä tunnusluvuista on keskimääräinen vikaantumisaika MTTF, jolla tarkoitetaan aikaa vikaantumisten välillä. Kun tähän lisätään korjattavien komponenttien osalta keskimääräinen korjausaika MTTR, saadaan keskimääräinen vikaantumisväli MTBF(Mean Time Between Failures) [22]. Jos laitteen keskimääräisen vikaantumisvälin oletetaan pysyvän vakiona, on tällöin laitteen vikatiheys λ käänteisluku MTBF:stä. Useimmissa pitkän aikavälin tarkasteluissa voidaan vikaantumisvälin olettaa pysyvän vakiona. 17