Tecnologie virtuali nel processo di progettazione integrato di Alenia Aeronautica

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1 Tecnologie virtuali nel processo di progettazione integrato di Alenia Aeronautica Maurizio Spinoni Laboratorio Sistemi e Simulazione Alenia Aerospazio Divisione Aeronautica 1. INTRODUZIONE L industria aerospaziale, in seguito alla crescente complessità dei requisiti operativi dei moderni sistemi aeronautici, sta subendo una significativa trasformazione. Tali cambiamenti fanno leva non solo sulla continua evoluzione tecnologica ma anche sulle innovazioni introdotte nei processi di progettazione e di produzione. In aggiunta a ciò, l incremento del numero di partnership tra aziende aerospaziali ha richiesto modalità di gestione e di sviluppo dei progetti significativamente differenti rispetto al passato. Lo sviluppo di progetti aeronautici avanzati richiede quindi un approccio multi-disciplinare ed integrato che coinvolge progettisti specializzati in diverse discipline e talvolta anche localizzati in siti geograficamente distanti. In tale contesto diventa essenziale la capacità di gestire tale tipologia di progetti facendo ricorso ad un approccio integrato per processi e a strumenti appropriati. 2. L EVOLUZIONE DEL PROGETTO AERONAUTICO L evoluzione tecnologica ha da sempre caratterizzato il settore aeronautico: tale sviluppo, che da un lato ha permesso la realizzazione di velivoli sempre più sofisticati ed in grado di meglio soddisfare i requisiti dei diversi Utenti, ha dall altro richiesto un analoga evoluzione dei processi di progettazione e di produzione. Nella pratica si è passati dalla progettazione e realizzazione di una macchina volante (vedi Fig. 1, Ansaldo SVA) allo sviluppo del cosiddetto Sistema Velivolo (vedi Fig. 2, Panavia Tornado), sino a giungere ad un processo di integrazione multi-disciplinare e multi-funzionale che ha portato allo sviluppo del cosiddetto Sistema dei Sistemi (vedi Fig. 3, Eurofighter Typhoon). Fig. 1 Ansaldo SVA - 1 -

2 Fig. 2 Panavia Tornado Fig. 3 Eurofighter Typhoon Infatti, mentre fino a qualche decennio fa il progetto aeronautico era caratterizzato da un marcato approfondimento specialistico delle singole discipline, recentemente la progettazione di un moderno velivolo è sempre più caratterizzata da un esteso approccio multi-disciplinare, sviluppantesi sin dalle primissime fasi del progetto, e mirato all ottimizzazione del sistema velivolo nel suo complesso. Tale evoluzione ha fatto sì che la progettazione di un nuovo velivolo, che nel passato veniva affrontata seguendo un approccio eminentemente impiantistico caratterizzato dall assemblaggio di un insieme numeroso di componenti meccanico-elettrico-strutturali, si sviluppasse adottando un approccio sistemistico, ossia caratterizzato dallo sviluppo integrato di un insieme sempre crescente di funzioni. A tale processo concorre un numero molto elevato di tecnici che concorrono in parallelo alla definizione del progetto, e che devono essere integrati funzionalmente in una più ampia struttura organizzativa. La gestione di progetti avanzati richiede pertanto un approccio integrato per processi, ossia l'applicazione di metodologie dedicate e l uso di tool adeguati che permettano di anticipare le eventuali problematiche riscontrabili sul prodotto anche attraverso tecniche di rappresentazione virtuale e di gestione integrata di tutti i dati di prodotto

3 3. IL PROCESSO SISTEMISTICO - INTEGRATO Il processo di progettazione sistemistico-integrato può essere descritto schematicamente attraverso le seguenti fasi: 1. Definizione dei requisiti: questa fase è particolarmente critica perché può condizionare tutto il successivo processo di progettazione. E quindi necessario adottare criteri di cattura/definizione dei requisiti tali da garantire la completezza, la non ambiguità, la coerenza e la tracciabilità dei requisiti in tutte la fasi successive. 2. Definizione dell architettura di sistema e delle specifiche funzionali: basandosi sui requisiti definiti nella fase precedente, e tenendo conto dello stato delle tecnologie e dei processi progettativi e produttivi disponibili (state-of-the-art), si definisce un architettura di sistema tale da garantire il soddisfacimento dei suddetti requisiti. Ove questo non è tecnicamente o economicamente possibile saranno effettuate adeguate scelte di trade-off. Il livello di questa definizione è tale da includere le funzionalità necessarie a soddisfare tutti i requisiti. 3. Definizione delle caratteristiche di sotto-sistema, componente e di interfaccia: in questa fase il processo di deployment dei requisiti giunge al livello più di dettaglio. Vengono quindi definite le caratteristiche di ogni singolo sotto-sistema e componente nonché tutte le relazioni funzionali tra i singoli elementi. 4. Richiesta di offerta, valutazione proposte e scelta fornitori: le specifiche elaborate nelle fasi precedenti vengono inviate ai potenziali fornitori, che risponderanno con offerte tecnico-commerciali che dovranno essere valutate e quindi, una volta effettuata la scelta, tramutate in specifiche contrattuali. 5. Test e qualificazione dei componenti, sottosistemi e sistemi: man mano che i vari elementi costitutivi del sistema divengono disponibili, vengono sottoposti ad attività di verifica delle caratteristiche di progetto prima singolarmente e quindi integrati con tutti gli altri elementi. In questo modo è possibile verificare che le prestazioni del sistema soddisfino i requisiti definiti nella fase 1. Al termine di questo processo, quando è dimostrata la rispondenza a tutti i requisiti di progetto, si raggiunge la qualificazione del sistema. 6. Modellizzazione/simulazione funzionale: questa fase viene svolta in parallelo alle fasi precedenti. In particolare nelle fasi 2. e 3. costituisce un ausilio al progettista per definire le caratteristiche di architettura e di dettaglio necessarie alla definizione delle specifiche funzionali, nella fase 4. costituisce un ausilio alla valutazione delle proposte tecniche dei potenziali fornitori e nella fase 5. costituisce, dove conveniente, una valida alternativa alle prove con componenti reali. 7. Certificazione del velivolo: essendo il processo di qualificazione essenzialmente autocertificato, qualora si intenda garantire il (potenziale) Cliente della effettiva rispondenza del progetto a requisiti consolidati e specificati dalle normative applicabili, si procede ad una processo di certificazione, condotto da un apposito Ente certificante pubblico al termine del quale al velivolo viene concesso un Type Certificate riconosciuto a livello internazionale

4 4. CONCURRENT ENGINEERING L adozione di un approccio integrato per processi richiede la capacità di gestire aspetti specialistici approfonditi e collegarli con i processi interdisciplinari, permettendo una visione integrata del prodotto, evitando di considerare le attività come flussi specifici delle singole discipline e quindi di dare di ognuna di esse una visione limitata e non sempre coerente del prodotto. Una metodologia che consente di adottare tale approccio, basandosi sull integrazione e contemporaneità delle attività svolte dalle varie Unità/Funzioni di una moderna azienda, è il cosiddetto Concurrent Engineering. Tale metodologia prevede quindi che, fin dalle prime fasi di lavoro, vengano presi in considerazione tutti gli aspetti del Ciclo di Vita del Prodotto, dalla ideazione alla produzione e messa in esercizio, tenendo in considerazione e sotto controllo la qualità, i costi, i tempi e le esigenze degli Utenti. Nello sviluppo del prodotto aeronautico, ciò si traduce nel: - Organizzare lo sviluppo integrato e simultaneo del Prodotto/ Processo in modo da ridurre i tempi e contenere al minimo gli scarti, le rilavorazioni e le modifiche verificando la fattibilità delle funzionalità/componenti prima del loro rilascio; - Perseguire fin dalle fasi iniziali il soddisfacimento dei requisiti qualitativi del Prodotto Finale e la riduzione dei suoi costi nella fase di Messa in Esercizio; - Favorire il rispetto della programmazione delle attività. Il Concurrent Engineering richiede, come detto, il contemporaneo e armonico coinvolgimento delle varie Funzioni che costituiscono una moderna Azienda, e per quanto riguarda l Alenia Aeronautica, l Avamprogetto, le varie discipline della Progettazione, dell Ingegneria di Produzione, degli Approvvigionamenti, del Supporto al Prodotto, della Qualità e della Pianificazione e Controllo. Elemento essenziale per la corretto adozione della metodologia è la necessità per tutti gli appartenenti delle diverse Funzioni di sviluppare le attività di propria competenza considerando in ciascuna fase del processo tutti gli elementi del ciclo di vita del prodotto. Elemento chiave del Concurrent Engineering è il Design Built Team (DBT), cioè un gruppo integrato, multifunzionale e talvolta multi-partner adeguato al programma/prodotto da realizzare, che attraversa a matrice i vari livelli della struttura organizzativa gerarchica o di programma e che esiste per il tempo necessario al raggiungimento degli obiettivi prefissati. I DBT sono essenziali per il processo, permettendo la comunicazione inter-funzionale e la incorporazione nel progetto dei requisiti di tutte le discipline prima del rilascio. L interfunzionalità e multidisciplinarietà del DBT assicura che ciascuna Funzione abbia visibilità sulla globalità delle attività svolte nelle varie Fasi/Sottofasi del Processo. Questo permette quindi a tutti i membri di verificare che le proprie attività si svolgano in accordo con quelle di competenza delle altre Funzioni

5 Inoltre, la pianificazione definita congiuntamente tra le diverse Funzioni e la comunicazione continua durante l avanzamento dei lavori portano alla riduzione degli errori, delle modifiche e delle rilavorazioni incrementando la produttività. 5. TOOL A SUPPORTO DEL PRODOTTO VIRTUALE L approccio integrato alla progettazione di un moderno velivolo è grandemente aiutato dalla disponibilità di tecnologie informatiche. In particolare la notevolissima evoluzione tecnologica dei sistemi di calcolo e dei sistemi di visualizzazione delle informazioni ha permesso lo sviluppo di strumenti e metodologie capaci di supportare in maniera significativa l adozione di un processo basato sul Concurrent Engineering. In questo contesto particolare importanza ha la capacità di realizzare un processo di progetto e industrializzazione del prodotto il più possibile virtuale, e cioè basato su una rappresentazione digitale del prodotto, che possa essere condiviso da tutti gli attori del processo integrato. In pratica, i componenti dei vari DBT, non importa in quale fase del programma o dove fisicamente localizzati, possono accedere ad un sistema informatico con il quale condividere le varie fasi del processo di progettazione ed industrializzazione. E chiaro però che tale metodologia richiede che i sistemi informativi e i relativi dati siano supportati da una adeguata infrastruttura integrata. I principali strumenti a supporto della definizione del prodotto virtuale sono: - Strumenti per la gestione e tracciabilità dei requisiti e specifiche; - Strumenti CAE (Computer Aided Engineering) che permettono di descrivere gli aspetti tecnologici del prodotto: simulazione aerodinamica (Fig. 4), analisi strutturale, simulazione elettromagnetica, ecc. ; Fig. 4 - Esempio di Simulazione del Flusso Transonico - Strumenti CAD (Computer Aided Design) che permettono di descrivere la geometria di parti e assemblaggi: installazioni, cablaggi, tubi, ecc. (Fig. 5); - 5 -

6 Fig. 5 - Esempio di modelli CAD 2D e 3D - Strumenti per la gestione del Digital Mock-Up (DMU) configurato che permettano il colloquio tra gli strumenti CAD con il quale si generano i modelli matematici delle parti e gli strumenti PDM (vedi oltre), in particolare per quanto riguarda la gestione e configurazione della struttura del prodotto (Fig. 6); Fig. 6 - Esempi di Digital Mock-up - Strumenti di visualizzazione che rendano accessibili e consultabili all intera azienda, tramite un network capillare di Personal Computer, i modelli matematici 3D e 2D generati con gli strumenti CAD (Fig. 7); Fig. 7 - Esempi di modelli 3D visualizzati con Vis-MockUp - 6 -

7 - Strumenti PDM (Product Data Management) per la gestione integrata di tutti i dati di prodotto (Fig. 8); Fig. 8 - Esempio di Dati di prodotto gestiti con ENOVIA V IL SYNTHETIC ENVIRONMENT L insieme degli strumenti descritti costituisce il substrato di quello che viene ormai diffusamente chiamato Synthetic Environment, ossia un ambiente virtuale, integrato, comprensivo di operatori umani, sistemi reali, e modelli software utilizzabile in tutte le fasi del ciclo di definizione e sviluppo del prodotto (Fig. 9) Il Synthetic Environment si realizza mediante una federazione di più sistemi e modelli, alimentato dai database di prodotto e aziendali, collegati tra loro in modo da permettere di effettuare attività di simulazione all interno di una rappresentazione realistica del mondo esterno. Tra i vari sistemi federati che costituiscono il Synthetic Environment particolare importanza hanno i Simulatori di Volo (Full Mission Flight Simulators) che, costituiti da una opportuna integrazione di modelli di simulazione e apparati/software reali del velivolo, permettono di svolgere attività di supporto alla progettazione, verifiche prestazionali ed attività di addestramento utilizzando operatori umani (man-in-the-loop) che operano in real-time nell ambiente sintetico. La federazione è ulteriormente espandibile all esterno della singola azienda per mezzo di collegamenti telematici che permettono di integrare nel Synthetic Environment altri simulatori e sistemi anche geograficamente molto distanti

8 Fig. 9 Il Synthetic Environment 7. IL SYNTHETIC ENVIRONMENT DI ALENIA AERONAUTICA Alenia Aeronautica ha da tempo iniziato un integrazione dei propri strumenti di gestione del prodotto virtuale in un Synthetic Environment. L obiettivo è quello di offrire ai vari DBT impegnati nel processo di Concurrent Engineering un ambiente adatto allo sviluppo dei nuovi prodotti a partire dalla definizione dei requisiti operativi in collaborazione con i potenziali Clienti e per tutto il successivo ciclo di vita del prodotto. Il cuore del Synthetic Environment di Alenia Aeronautica è costituito dalla rete aziendale che permette l uso condiviso dei vari data base di prodotto. E però nell ambiente della Simulazione di Volo che appaiono più evidenti gli sviluppi resi possibili dall evoluzione tecnologica. I Simulatori di Volo di Alenia Aeronautica sono stati utilizzati sin dai primi anni 60 come supporto allo sviluppo dei vari velivoli prodotti dall Azienda. Attualmente sono disponibili quattro simulatori di volo: Eurofighter configurazione di sviluppo, Eurofighter configurazione di produzione, AM-X e C-27J (Fig. 10). Questi simulatori sono stati in prevalenza utilizzati in maniera indipendente, per attività relative ai singoli programmi: sono però evidenti i vantaggi che possono scaturire dalla possibilità di impiego congiunto

9 A questo proposito si è avviata un attività di collegamento dei suddetti quattro simulatori per consentirne l impiego contemporaneo e congiunto da parte dei vari equipaggi. Simulatore AM-X Simulatore Eurofighter (Produzione) Simulatore C-27J Simulatore Eurofighter (Sviluppo) Fig. 10 I Simulatori di Volo di Alenia Aeronautica Per rendere più completo e realistico l ambiente operativo è stato realizzato in Azienda un sistema di gestione di attori sintetici, in grado di pilotare in maniera autonoma ed intelligente un numero di altri velivoli con i quali i piloti umani possono interagire durante le missioni simulate (Fig. 11). Fig. 11 Generazione di scenari sintetici - 9 -

10 Per permettere la visualizzazione del Synthetic Environment è stato messo a punto in Azienda un sistema di visualizzazione stereoscopica (Fig. 12) che permette la visualizzazione delle manovre effettuate dai piloti durante le sedute di simulazione. Tale sistema permette altresì la visualizzazione delle manovre effettuate durante le prove di volo, utilizzando i parametri di volo registrati a bordo o inviati a terra per mezzo di datalink. La tavola stereoscopica è utilizzata anche in attività di supporto alla progettazione delle cabine di pilotaggio, permettendo la visualizzazione del digital mock-up in maniera interattiva. Fig. 12 Tavola di visualizzazione stereoscopica Recentemente, al fine di acquisire dimestichezza con le tecniche di collegamento tra siti geograficamente distanti di cui si è accennato in precedenza, si sono effettuate delle attività sperimentali di collegamento remoto. La prima di queste sperimentazioni ha visto il collegamento in real-time, con l utilizzo di un collegamento ISDN, tra il Simulatore di Volo del C-27J sito presso il Centro di Simulazione di corso Marche a Torino e la sala controllo delle Prove di Volo sita presso lo stabilimento di Caselle Sud, a circa 30 km di distanza (Fig. 13). Questa sperimentazione, perfettamente riuscita, ha consentito a tecnici di flight test di seguire prove svolte sul Simulatore di Volo dalle stazioni di controllo di Caselle normalmente utilizzate per il controllo delle prove di volo con velivoli reali. Fig. 13 Collegamento Simulatori Centro Prove Volo

11 In un altro esperimento in fase di sviluppo si sta sperimentando un collegamento, basato sullo standard internazionale HLA, tra il Centro di Simulazione dell Alenia e il CETENA a Genova, in cui interagiscono simulazioni in real-time di un velivolo ed un mezzo portaerei Gli sviluppi del Synthetic Environment di Alenia Aeronautica prevedono nel breve periodo la realizzazione di un ambiente immersivo basato sul concetto di CAVE, da utilizzare per lo sviluppo di nuovi velivoli, in particolare velivoli non-pilotati. Questo ambiente potrà altresì essere utilizzato per il rapid prototyping di cabine di pilotaggio, nonché per la messa a punto di innovativi sistemi di addestramento