Concezione e sviluppo dell'impianto di condizionamento di un sistema navale di difesa

Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale

Relazione per il conseguimento della

Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica

Concezione e sviluppo dell’impianto di condizionamento

di un sistema navale di difesa

RELATORI

……… Prof. Ing. Marcello Braglia Università di Pisa

Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale ………

Dott. Ing. Gianluigi Sem FINMECCANICA

Divisione Sistemi di Difesa

CANDIDATO ………. Gabriele Ballantini

1

R

IASSUNTO ANALITICO

La presente tesi descrive le attività da me svolte durante lo stage presso la funzione Ingegneria di Finmeccanica SDI (Divisione Sistemi di Difesa), sede di La Spezia (ex OTO Melara), che mi ha visto coinvolto nello sviluppo, dalla concezione alla progettazione di dettaglio, dell’impianto di condizionamento di un nuovo sistema navale di difesa.

L'obiettivo del presente lavoro è duplice: da un lato, target fondamentale è la definizione dell’architettura dello specifico sotto-sistema, delle relative logiche di funzionamento, e la sua progettazione di dettaglio; dall'altro, esso si incentra anche sull'implementazione di alcune tecniche del System Engineering, a partire dall'analisi dei requisiti.

Un approccio secondo il System Engineering è infatti indispensabile per il corretto sviluppo di qualsiasi sistema atto a soddisfare pienamente le richieste del cliente (nel caso specifico, la Marina Militare Italiana), ed oltremodo necessario nel caso di una forte concurrent engineering, sia intra-funzionale che inter-funzionale con enti terzi.

Lo studio effettuato si compone essenzialmente delle seguenti fasi:

1. analisi sui requisiti del prodotto, seguite da metodi di misurazione delle performance verso il conseguimento dei target di progetto; 2. definizione dell’architettura funzionale/fisica dell’impianto e

progettazione di dettaglio.

Con la finalità di individuare la soluzione ottimale da perseguire, sono stati effettuati alcuni benchmark, tenendo conto di analisi termodinamiche preliminari sul sistema, ed in seguito affinate. E' stata inoltre effettuata un’attività di analisi fluidodinamica in concurrent, avvalendosi del supporto di un centro specializzato CFD (Computational Fluid Dynamics).

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S

OMMARIO

Indice delle figure ... 4

1 Introduzione ... 7 2 L’azienda ... 9 Storia ... 10 2.1 Organizzazione ... 12 2.2 Prodotti ... 13 2.3 3 Area di lavoro ... 14 4 System Engineering... 15

Analisi dei requisiti ... 18

4.1 Analisi Funzionale ... 21 4.2 Design Synthesis ... 25 4.3 4.3.1 Functional/Physical Matrix ... 25 4.3.2 TPM ... 27

4.3.3 Proposta sviluppi futuri ... 30

5 Progettazione dell’impianto di condizionamento... 34

Architettura del sistema d’arma 76/62 SP ... 35

5.1 Analisi termica del sistema ... 37

5.2 5.2.1 Flusso termico attraverso lo scudo ... 37

5.2.2 Contributo termico fonti interne ... 45

requisiti dell’impianto di condizionamento ... 48

5.3 Analisi di fattibilità impianto ad aria/acqua ... 50

5.4 5.4.1 Impianto ad aria ... 50

5.4.2 Impianto ad acqua ... 52

5.4.3 Benchmark ... 59

Analisi delle configurazioni degli impianti ad aria ... 63

5.5 5.5.1 Configurazione 1 ... 63

5.5.2 Configurazione 2 ... 65

5.5.3 Benchmark ... 66

Analisi dettagliata della configurazione 1 ... 70

5.6 5.6.1 Stima del ΔT interno al condotto ... 72

5.6.2 Stima delle temperature e delle portate ... 74

5.6.3 Split della portata ... 80

3

5.6.5 Stima delle sezione di passaggio sugli orecchioni ... 92

Logica di sistema ... 94

5.7 5.7.1 Logica di Condizionamento ... 95

5.7.2 Logica Evacuazione Fumi ... 106

Attività in Concurrent ... 110

5.8 5.8.1 Analisi CFD ... 110

5.8.2 Circuito a parametri concentrati ... 111

6 Conclusioni ... 119

Appendice A ... 121

Appendice B ... 130

7 Glossario ... 131

4

I

NDICE DELLE FIGURE

Figura 1 (System Engineering Process) ... 16

Figura 2 (analisi funzionale) ... 23

Figura 3 (integration matrix) ... 26

Figura 4 (scomposizione fisica del sistema per calcolo pesi) ... 28

Figura 5 (TPM) ... 29

Figura 6 (MOP) ... 31

Figura 7 (MOE) ... 32

Figura 8 (correlazione TPM/MOP/MOE) ... 33

Figura 9 (livelli di scomposizione per le analisi TPM/MOP/MOE) ... 33

Figura 10 (schematizzazione sistema d’arma 76/62 SP) ... 35

Figura 11 (scudo) ... 38

Figura 12 (coordinate di riferimento scudo-sole) ... 41

Figura 13 (normativa coefficienti di scambio termico convettivo) ... 43

Figura 14 (scomposizione in volumi del 76/62 sp) ... 49

Figura 15 (schema del circuito ad aria) ... 51

Figura 16 (diametro del condotto in funzione della velocità dell’aria) ... 52

Figura 17 (schema del circuito ad acqua) ... 53

Figura 18 (andamento della portata dell’acqua in funzione del ΔT) ... 54

Figura 19 (andamento della portata dell’aria in funzione del ΔT) ... 56

Figura 20 (scambiatore a flussi incrociati, grafico per la definizione del fattore F) 57 Figura 21 (velocita’ dell’acqua in funzione del diametro della tubazione) ... 58

Figura 22 (benchmark aria-acqua) ... 62

Figura 23 (configurazione 1) ... 63

Figura 24 (configurazione 2) ... 65

Figura 25 (Benchmark tra le due configurazioni ad aria) ... 69

Figura 26 (schematizzazione del circuito) ... 71

Figura 27 (temperature nei tre volumi con portata=0,3517 Kg/s; in ambiente “marine hot” con asservimenti attivi e azione di sparo attiva) ... 74

Figura 28 (POTENZE DA SMALTIRE IN CONDIZIONI “MARINE HOT” con asservimenti attivi e azione di sparo attiva) ... 76

Figura 29 (temperature nei tre volumi con portata=0,3517 Kg/s; in ambiente “marine hot” con asservimenti inattivi e azione di sparo assente) ... 77

Figura 30 (temperature nei tre volumi con portata=0,0573 Kg/s; in ambiente “marine hot” con asservimenti inattivi e azione di sparo assente) ... 77

Figura 31 (temperature nei tre volumi, in ambiente “marine cold” con asservimenti inattivi e azione di sparo assente) ... 78

Figura 32 (temperature nei tre volumi, in ambiente “marine hot” alla portata richiesta di 0,2291[Kg/s]; con asservimenti attivi e azione di sparo assente) ... 80

Figura 33 (variazione delle temperature in funzione dello split delle portate) ... 81

Figura 34 (diagramma psicrometrico) ... 83

Figura 35 (temperatura della parete interna al variare della temperatura interna, per diversi valori del fattore di convezione esterno) ... 84

Figura 36 (temperatura della parete interna al variare della temperatura interna, per diversi valori del fattore di convezione interno) ... 85

Figura 37 (curva critica per la formazione di rugiada nello scudo) ... 86

Figura 38 (influenza della temperatura esterna) ... 87

5

Figura 40 (caratteristiche dell’aria nel passare dalla massa oscillante all’alone) ... 89

Figura 41(ingombro cavi) ... 92

Figura 42 (percentuali sezioni asse orecchioni) ... 93

Figura 43 (due modalità operative del sistema 76/62 SP) ... 95

Figura 44 (esempio staratura di un sensore) ... 98

Figura 45 (media e deviazione standard durante la staratura di un sensore) ... 99

Figura 46 (logica modalità del sistema. a[attivo], s [Starato], g[guasto]). ... 101

Figura 47 (deviazione sulla misurazione dell’uidità) ... 103

Figura 48 (range richiesti da rispettare) ... 104

Figura 49 (retta ambiente ed intervallo ammissibile) ... 105

Figura 50 (quantità di fumi in massa oscillante) ... 108

Figura 51 (dettaglio fase di condizionamento ed evacuazione fumi) ... 108

Figura 52 (incrementi di pressione lungo il ramo 1) ... 114

Figura 53 (incrementi di pressione lungo il ramo 2) ... 114

Figura 54 (pressione lungo il ramo1 con e senza la ventola) ... 116

7

1 I

NTRODUZIONE

Con la presente tesi viene descritto il lavoro svolto durante lo stage condotto presso Finmeccanica SDI, dove sono stato coinvolto nelle fasi di progettazione di uno dei prodotti di punta della società, il cannone navale 76/62 nella nuova versione Sovra Ponte. Questo prodotto è attualmente in fase di sviluppo e rappresenta una importante innovazione rispetto al modello precedente, da cui differisce per molteplici aspetti, rappresentando un’interessante sfida ingegneristica.

Lo sviluppo di questo prodotto richiede un approccio sistematico, ricorrendo quindi alle tipiche metodologie introdotte dal System Engineering, a partire dalle quali ha avuto inizio il mio lavoro. Parallelamente ho svolto attività di analisi e progettazione sia individuali che di gruppo, accentrando l’attenzione sulla progettazione dell’impianto di condizionamento di cui deve essere dotato il sistema di difesa in questione. Durante i cinque mesi di stage ho avuto modo di venire a contatto con quelle che sono le dinamiche di un azienda importante come Finmeccanica SDI, vedendomi direttamente coinvolto in un interessante fase di concurrent engineering con un centro specializzato nelle simulazioni CFD (Computational Fluid Dynamics).

Vediamo più nel dettaglio su cosa si è concentrato il mio lavoro:

 System Engineering

o System Engineering Process  Requirement Analysis

Analisi dei requisiti del sistema, andando a smarcare e tradurre quelli che coinvolgono la definizione dell’impianto di condizionamento;

 Functional Analysis

Traduzione dei requisiti in funzioni, definendo cosa deve fare e con che performance deve comportarsi il sistema al fine di soddisfare i requisiti;

 Design Synthesis

Fase di definizione della geometria del sistema dove le funzioni si traducono in soluzioni fisiche;

o TPM (Technical Performance Measures)

È una tecnica di misurazione delle performance raggiunte a una determinata fase di sviluppo del sistema, permettendo di valutarne il livello e il trend di progresso, pianificando le attività future.

8

Sono due tecniche di misurazione che similmente al TPM permettono di valutare il livello di performance ed efficacia del sistema allo stato attuale dell’arte tracciando un trend al fine di valutare i progressi avuti e pianificati per il conseguimento degli obiettivi progettuali richiesti.

o Integration Matrix

Consiste nel definire una matrice di incrocio tra le funzioni del sistema con le parti fisiche costituenti il prodotto al fine di avere un quadro chiaro del soddisfacimento dei requisiti oltre a facilitare l’identificazione delle funzioni e dei componenti a maggiore criticità.

 Progettazione Meccanica

o Analisi termica struttura

Analisi termica del sistema d’arma al fine di definirne le principali caratteristiche termiche;

o Progettazione sistema condizionamento  Benchmark

Confronto tra diverse metodologie e configurazioni di impianti di condizionamento;

 Definizione architettura

Progettazione dettagliata dell’architettura dall’impianto di condizionamento da installare;

 Analisi formazione condensa

Studio mirato alla prevenzione della formazione della condensa all’interno del sistema d’arma;

 Logica del sistema

Definizione delle logiche che governano il sistema di condizionamento tenendo conto anche delle necessità di estrazione dei fumi di sparo;

o Concurrent Engineering

Gestione ed analisi delle attività di supporto svolte con un fornitore esterno, riguardo la realizzazione di simulazioni fluidodinamiche, necessarie alla definizione dell’architettura dell’impianto.

Il valori inseriti nel presente testo sono alterati in quanto rappresentano materiale sensibile per lo sviluppo del sistema 76/62 SP, quindi non corrispondono completamente ai dati e requisiti originali di progetto.

9

2 L’

AZIENDA

Durante questi cinque mesi di stage, sono stato partecipe di un profondo mutamento dell’azienda che mi ha ospitato. Il mio lavoro ha avuto inizio in OTO Melara SpA, società inizialmente controllata da Finmeccanica SpA, le cui attività sono poi confluite con l’inizio del 2016 in quella che attualmente è la Divisione Sistemi di Difesa (SDI) facente parte di un’unica Azienda quale è Finmeccanica. Questa possiamo affermare essere la prima realtà industriale italiana nel settore dell’alta tecnologia e tra i maggiori player mondiali nell’Aerospazio, Difesa e Sicurezza.

10

S

TORIA 2.1

La storia di OTO Melara la vede coinvolta principalmente nello sviluppo di diverse tipologie di sistemi d’arma alternandosi nella produzione di mezzi ad uso civile. Il maggior successo si è avuto comunque con i primi, la cui esperienza in questo campo supera i cento anni, da quando nel 1905 venne fondata la compagnia tramite una joint-venture tra Vickers e le Acciaierie di Terni, vedendo la costruzione di una fabbrica di artiglierie navali a La Spezia. In seguito la produzione vide anche la costruzione di mitragliere da 40mm, cannoni da 381mm ed aerei da addestramento. Agli inizi degli anni venti vi fu un intensa produzione in ambito civile con la costruzione di motori a vapore e diesel, turbine, caldaie ed eliche per navi e materiale ferroviario.

Nel 1922 la Vickers mise fine alla joint venture lasciando le Acciaierie di Terni come unico proprietario.

Nel 1927 lo stabilimento venne rilevato dalla società Ansaldo–San Giorgio controllata da Odero, assumendo il nuovo nome “Odero-Terni”. Nel 1929 i cantieri Navali Odero di Genova inglobarono in Cantiere Orlando di Livorno e la Odero-Terni per dar vita alla società “Odero-Terni-Orlando” da cui l’acronimo OTO.

Nel 1933 OTO passò sotto il controllo dell’IRI (Istituto di Ricostruzione Industriale) vedendo negli anni a seguire ingenti produzioni di cannoni navali di grande e medio calibro, tra cui quello da 76mm, 100mm e 120mm.

Al termine della seconda guerra mondiale la produzione venne convertita alla realizzazione di trattori civili e telai. Nel 1951 la sede si spostò a Roma e la denominazione divenne “OTO-Melara”.

Nel 1975 la società passò dall’IRI all’EFIM e nel 1994 in seguito alla liquidazione dell’EFIM si ebbe la fusione con Breda Meccanica Bresciana, diventando Otobreda, divisione di Alenia Difesa.

Nel 2001 l’azienda entrò a far parte del Gruppo Finmeccanica assumendo la denominazione Oto Melara SpA.

Dal 1° gennaio 2016 le attività di OTO Melara sono confluite nella Divisione Sistemi di Difesa di Finmeccanica SpA.

12

O

RGANIZZAZIONE

2.2

La nuova Finmeccanica si struttura in quattro settori, il cui compito è coordinare le rispettive divisioni, oltre a controllare le JV/partecipate di competenza.

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P

RODOTTI

2.3

La Divisione Sistemi Difesa è in grado di offrire un portafoglio di prodotti e sistemi altamente innovativi, tecnologicamente all’avanguardia e in grado di rispondere efficacemente ai nuovi scenari operativi terrestri, navali e subacquei. Nei sistemi per la difesa, la Divisione è tra i leader a livello globale nella progettazione, sviluppo e produzione di cannoni navali di piccolo, medio e grande calibro (da 12,7 a 127mm). La Divisione, attraverso il consorzio paritetico CIO, contribuisce alla progettazione, sviluppo e produzione dei carri armati e dei veicoli ruotati blindati di nuova generazione. Nella produzione dei sistemi di difesa subacquei, la Divisione vanta eccellenze nella progettazione, produzione e integrazione di siluri pesanti e leggeri, sistemi di contromisure anti siluro per sommergibili e navi di superficie, sistemi sonar per la sorveglianza subacquea. Le attività comprendono anche sistemi senza pilota, come gli UGV (Unmanned Ground Vehicle), veicoli altamente mobili, sia cingolati che gommati, e sistemi subacquei per applicazioni duali, in particolare per la protezione dell’ambiente, della fauna, della flora marittima e delle attività di esplorazione e ricerca del mondo subacqueo.

Le produzioni realizzate dalla Divisione Sistemi Difesa sono eredi delle più antiche fabbriche italiane del settore che, da oltre 100 anni e negli stessi stabilimenti produttivi, progettano, sviluppano e producono artiglierie, armamenti e siluri: Vickers-Terni e OTO Melara per la produzione di armamenti, Whitehead e Moto Fides di Livorno, diventati successivamente WASS, per i siluri.

Sistemi d'arma aeroportati Sistemi d'arma terrestri Sistemi d'arma navali Sistemi subacquei Sistemi a pilotaggio remoto Munizioni

14

3 A

REA DI LAVORO

La mia figura è stata inserita all’interno del reparto di progettazione della Divisione Sistemi di Difesa, per la precisione all’interno del reparto navale dove si colloca il team di lavoro del 76/62 Sovra Ponte. Durante le diverse attività da me seguite, ho avuto l’opportunità di interagire con altri reparti che collaborano allo sviluppo del progetto, come reparto qualità, reparto logistica, reparto disegnazione CAD.

Il sistema navale 76/62 possiamo dire rappresenti il prodotto di punta dell’azienda consolidato ormai da diversi anni. Attualmente esso si trova in una fase di completo rinnovamento, a seguito di un importante e innovativo piano di sviluppo dei sistemi navali che vede come cliente la Marina Militare Italiana. Si parla di stravolgere circa l’80% di quello che è il predecessore di questo sistema di difesa, il 76/62 Super Rapido, che ormai rappresenta una garanzia per le sue indiscutibili prestazioni affinate nell’arco di decine di anni.

Questo sistema di difesa rientra nella classificazione dei MCG (medium caliber gun), essendo munito di una canna calibro 76mm. Il suo tipico utilizzo lo vede impiegato a bordo di unità navali allo scopo di fornire difesa verso svariate tipologie di minaccia come ad esempio missili, imbarcazioni, velivoli, unità di terra, effettuando ingaggi con diverse tipologie di munizioni a seconda dello scenario.

Il lavoro da me condotto focalizza l’attenzione sull’impianto di condizionamento di cui è munito il sistema in questione, il cui compito è il trattamento dell’aria sottostante allo scudo, il quale fa da protezione ed isolamento dall’ambiente esterno. E’ necessario garantire certe caratteristiche fisiche dell’aria all’interno di questi volumi al fine di assicurare un corretto funzionamento dell’interno sistema, rispettando particolari requisiti di sicurezza derivanti dalla presenza di munizioni.

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4 S

YSTEM

E

NGINEERING

Il system engineering è una metodologia di gestione delle fasi di sviluppo di un prodotto la cui architettura risulta il più delle volte complessa, arrivando per l’appunto a parlare di “sistema”. Possiamo individuare al suo interno una fase di System Engineering Process che ne rappresenta il cuore. Come descritto bene nel testo System Engineering Foundamentals [1] il suo scopo è quello di fornire un processo strutturato ma flessibile, che trasforma i requisiti in specifiche di prodotto, in un architettura ed in una configurazione base. Questa disciplina fornisce un controllo ed una tracciabilità per sviluppare una soluzione che soddisfi le richieste del cliente, il tutto articolandosi in tre fasi principali:

 Requirement analysis

Partendo dai requisiti del cliente e dai vincoli di progetto, viene definito cosa deve fare il sistema (le funzioni), le performance che deve avere e le interfacce di cui deve essere munito in funzione dell’ambiente in cui deve operare;

 Functional analysis

Lo scopo di questa fase è trasformare le funzioni, le performance, e le interfacce del punto precedente in una descrizione coerente delle funzioni del sistema, da impiegare come guida per la fase seguente di design. Si richiede quindi di tradurre le funzioni, performance, interfacce ai livelli inferiori;

 Design Synthesis

Viene definita la parte fisica e software dei diversi item che compongono il sistema con l’obiettivo di raggiungere una soluzione di design capace di soddisfare i requisiti prefissati.

16 FIGURA 1 (SYSTEM ENGINEERING PROCESS)

Questo approccio è frequente quando si hanno prodotti molto complessi, la cui gestione comporta un volume elevato di informazioni. Onde evitare di incappare in svariati inconvenienti risulta necessario definire ogni singola operazione ed ogni singolo documento in modo organizzato, al fine di avere traccia e chiara visione delle attività da svolgere. Si tratta quindi di elaborare una pianificazione del lavoro, organizzando ogni singola attività del personale che partecipa allo sviluppo del prodotto. A riguardo è possibile elaborare una WBS (Work Breakdown Structure), considerata un output del System Engineering Process, la quale permette di organizzare lo sviluppo delle attività, identificando le date ed organizzando i team di lavoro.

L’inizio della mia attività ha trovato un prodotto il cui stato di progettazione presentava già un buon sviluppo per quanto riguarda l’analisi dei requisiti, riassunta in SSS (System Subsystem Specification), documento che raccoglie le specifiche del sistema, indicando le funzioni che deve eseguire il prodotto, le performance che deve garantire e le interfacce verso l’esterno di cui deve essere munito. Il mio primo passo è stato effettuato con un approccio alla functional analysis, per poi passare a definire la fase di design synthesis, in cui si passa ad uno sviluppo dell’architettura fisica del sistema. Il mio lavoro si muove quindi verticalmente su quella che sarà l’idea finale dell’impianto di condizionamento. Durante la fase di studio e progettazione quello che è stato fatto è un continuo feedback come descritto nelle procedure di System Engineering Process, migliorando ed ottimizzando iterativamente il sistema studiato, ogni volta ripercorrendo la scaletta analisi dei requisiti, analisi funzionale, sintesi di design. Queste fasi sono in continua rielaborazione, producendo continue modifiche a seguito di analisi di valutazione fra varianti di progetto. Vi può infatti essere l’identificazione di una promettente soluzione fisica, o altre diverse opportunità, che hanno differenti caratteristiche funzionali rispetto a quelle previste dall’architettura funzionale iniziale dei requisiti. Questo aspetto è

Requirement analysis Functional analysys Design synthesis Requirements loop Design loop

17

stato spesso preso in considerazione, permettendoci di adottare soluzioni di design migliorative rispetto alle condizioni proposte in prima battuta.

Vedremo nel seguito come è stato condotto il presente lavoro, fino alla definizione dello stato attuale di sviluppo del progetto.

18

A

NALISI DEI REQUISITI

4.1

Il primo passo è stato analizzare quelle che sono le specifiche dell’intero prodotto, andando a selezionare quelle la cui definizione guida lo sviluppo del sistema di condizionamento; per fare questo è stato necessario, come già accennato, fare riferimento alla SSS (System Subsystem Specification), documento nel quale vengono elencati tutte le specifiche cui il sistema deve rispondere, derivanti dal capitolato d’offerta definito precedentemente con il cliente, al quale si aggiungono una serie di requisiti interni atti a definire le caratteristiche finali del sistema.

Le specifiche scritte in SSS sono frutto di una rielaborazione, in quanto soggette all’azione di feedback definita dalla logica del SEP. Questo vuol dire che allo stato attuale non si può parlare di una forma definitiva dei requisiti del sistema.

Vediamo i requisiti presenti in SSS, la cui definizione coinvolge lo studio e progettazione dell’impianto di condizionamento:

 [REQ_1] Nella lista dei requisiti individuati si va a toccare l’aspetto

riguardante l’ambiente in cui va ad operare il sistema, entro il quale vanno garantite piene prestazioni, facendo riferimento alla normativa STANAG 2895 in cui sono standardizzate le condizioni climatiche estreme con cui andare a definire e testare il sistema secondo il criterio NATO. Vengono quindi definite la temperatura minima di -32°C e quella massima di +46°C entro le quali il sistema deve operare, inoltre si deve tenere in considerazione un irraggiamento solare di 1120[𝑊/𝑚2_];

 [REQ_2] Viene indicato il range di temperature -5°C≤T≤55°C da

mantenere sotto coperta entro il quale non devono esserci degradi prestazionali. Si specifica inoltre l’esigenza di mantenere un diverso range di temperatura ove sia presente il munizionamento 13°C<T<27°C;

 [REQ_2bis] Relativamente al [REQ_2] vengono definiti i valori di

umidità relativa da garantire nei diversi volumi nel caso vi sia la presenza di munizionamento. E’ richiesto in questi casi di mantenere tele valore compreso tra 50%±12%.

 [REQ_3] compatibilità degli apparati elettronici alla MIL-STD-461F;  [REQ_4] requisito che garantisce una operatività al 100% nel caso

di andamenti temporali critici dei valori di Umidità/Temperatura individuati nella MIL-STD-810 F;

 [REQ_5] Deve essere garantita la struttura quando sottoposta a

vibrazioni come previsto dalla normativa MIL-STD-167 1 A;

 [REQ_6] Il cannone deve resistere a precisi valori di shock come

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 [REQ_7] viene definito un limite massimo di peso del MCG con

munizioni;

 [REQ_8] si richiede specificatamente la necessità di attingere aria

condizionata fornita esternamente al MCG;

 [REQ_9] requisito sul MTBF degli apparati elettronici installati;

Analizziamo quindi questi requisiti valutando come si ripercuotono sulla progettazione del sistema di condizionamento:

Dal REQ_1 vengono definite le caratteristiche ambientali nelle quali deve operare il MCG, distinguendo due condizioni opposte, quella estiva in cui oltre a una temperatura ambientale di +46°C si ha un irraggiamento solare di 1120[𝑤/𝑚2_{] che comporta un aumento del flusso di calore che investe lo}

scudo, e la condizione invernale in cui oltre ai -32°C dell’ambiente esterno possiamo considerare nullo l’irraggiamento al fine di porci nella condizione maggiormente gravosa. Quella che verrà fatta è un’analisi stazionaria a tali valori valutando un comportamento a regime del sistema.

Questi valori estrapolati dalla normativa fanno riferimento a un ambiente marino, quindi a 0m sul livello del mare, in particolare si fa riferimento alle categorie M1(Marine Hot) ed M3(Marine Cold).

Con queste condizioni ambientali deve essere garantita una piena operatività sotto coperta come indicato dal [REQ_2] e [REQ_2bis], il che vuol dire che il nostro sistema di condizionamento dovrà lavorare per garantire il soddisfacimento di questi requisiti a fronte delle condizioni a contorno imposte dal [REQ_1].

Va valutato inoltre il comportamento del sistema quando sottoposto a dei profili di umidità/temperatura come definiti nel [REQ_4] che possono indurre la formazione di condensa nella superficie interna dello scudo con tutte le problematiche a seguire.

Sono poi definiti dei requisiti riguardanti eventuali apparati elettronici da installarsi per la gestione del sistema di condizionamento, e per questo si fa riferimento al [REQ_3] e al [REQ_9].

Vi sono poi dei requisiti strutturali ([REQ_5],[REQ_6]) che devono garantire la corretta progettazione del sistema di condizionamento evitandone il danneggiamento durante il suo ciclo di vita, quindi a una prima valutazione funzionale si passera a un dimensionamento con definizioni della geometria del sistema tenendo in considerazione i presenti aspetti. A seguito di questo è importante valutare anche quella che è la massa del sistema richiamata dal [REQ_7], garantendone un ottimizzazione al fine di rispettare il limite imposto. Su questo punto particolare vedremo come è stata condotta un’analisi TPM (Technical Performance Measures) al fine di analizzare lo stato attuale per quanto riguarda il soddisfacimento di tale requisito tracciando un andamento previsionale ed una serie di target, in modo da valutare eventuali azioni correttive sulle attività di progettazione. Con il [REQ_8] si indica la provenienza del flusso d’aria condizionata, definendo quindi un limite per quanto riguarda l’area di analisi e

20

progettazione, assumendo così in ingresso al nostro sistema un volume d’aria che viene fornite in funzione alle esigenze del sistema.

21

A

NALISI

F

UNZIONALE

4.2

Vediamo come i requisiti sono stati ribaltati sulla progettazione del sistema di condizionamento, andando a definire le funzioni a cui deve assolvere che a loro volta fanno da guida per la fase di design. L’analisi funzionale facilita la tracciabilità dai requisiti alla soluzione definita dalla fase di design. Le funzioni definite e riportate nella seguente tabella sono il risultato di una serie di iterazioni, alle quale siamo giunti allo stato attuale. Durante le diverse fasi di aggiornamento della presente analisi è stato necessario discutere i punti in questione con il cliente, il quale richiede visione delle modifiche che vengono appostate in SSS al fine di confermarne l’adozione. Nel caso in cui i requisiti in questione erano quelli relativi alle interfacce, il più delle volte si è trattato di conferire con Fincantieri, in qualità di responsabile della produzione delle navi sulle quali deve avvenire l’installazione del sistema di difesa.

In tabella viene esposta l’analisi funzionale ad alto livello, relativamente unicamente al sistema di condizionamento.

REQUISITI ANALISI FUNZIONALE

[REQ_1] Il sistema di condizionamento deve operare con il MCG sottoposto alle condizioni ambientali definite dalla normativa indicata all’interno del requisito mantenendo piena funzionalità, deve quindi essere in grado di asportare o cedere calore, quando si trova ad operare nelle presenti condizioni ambientali esterne.

[REQ_2] Il sistema di condizionamento deve mantenere una temperatura media dell’aria dell’ambiente sottostante allo scudo compresa in un range da -5°C≤T≤55°C quando il MCG è soggetto alle azioni termiche climatiche indicate nel [REQ_1]. Nel caso vi sia presenza di munizionamento il range diventa 13°C<T<27°C. Tale controllo deve essere eseguito mediante l’immissione nei volumi in questione, di un flusso d’aria le cui caratteristiche fisiche devono essere definite in funzione dello stato del sistema.

[REQ_3] Eventuali apparati elettronici installati per la gestione del sistema di condizionamento devono rispondere alla normativa MIL-STD-461 F.

[REQ_4] Il sistema di condizionamento deve mantenere piena funzionalità se sottoposto ad andamenti critici di temperatura/umidità definiti nella normativa MIL-STD-810 F, mantenendo le temperature richieste nel [REQ_2]. Questo sta ad indicare che se il sistema viene sottoposto a queste temperature deve mantenere la sua integrità e piena operatività.

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[REQ_5] La struttura caratterizzante il sistema di condizionamento deve sopportare sollecitazioni vibrazionali come definito dalla normativa MIL-STD-167 1 A, mantenendo la sua integrità a livello di ogni singolo componente.

[REQ_6] La struttura caratterizzante il sistema di condizionamento deve mantenere la sua integrità a livello di ogni singolo componente quando sottoposto alle prove di shock strutturale definite dai parametri indicati in specifica.

[REQ_7] L’incremento di massa relativamente all’aggiunta del sistema di condizionamento deve garantire un soddisfacimento del limite massimo imposto sull’intero sistema d’arma, obiettivo raggiunto ottimizzando le strutture a tal fine. Ogni componente deve quindi essere curato sotto questo aspetto e a tal fine è possibile eseguire un analisi TPM (technical performance measures).

[REQ_8] Il sistema (circuito) di condizionamento deve interfacciarsi con un sistema esterno da cui riceve il fluido di raffreddamento necessario a condizionare l’ambiente sottostante lo scudo seconde i requisiti imposti.

[REQ_9] Qualsiasi apparato elettronico installato facente parte del sistema di condizionamento deve soddisfare un MTBF come indicato nel requisito.

TABELLA 1 (ANALISI FUNZIONALE DELLE SPECIFICHE)

Per definire meglio la scomposizione funzionale sui diversi livelli è stato creato un albero come mostrato in Figura 2. In questo modo vengono evidenziate le funzionalità a cui deve adempiere il sistema, indicando inoltre le prestazioni che deve soddisfare, come indicato in SSS.

Tale scomposizione è stata inoltre utile per analizzare quelle che sono le funzioni critiche del nostro sistema, mediante la creazione di una matrice di integrazione.

Al livello 1 si trovano quelle che sono le macro funzioni del nostro sistema, ovvero la movimentazione, l’azione si sparo e le azioni di interfaccia verso l’esterno. Questa a loro volta vengono scomposte scendendo al livello 2, trovando una definizione maggiormente dettagliata delle precedenti funzioni, come avviene identicamente nel passare al livello 3, al quale ci si ferma. In questa ultima scomposizione troviamo le funzioni a cui deve adempiere il sistema di condizionamento, che come si vede rientra nella funzione di gestione delle munizioni in quanto è dalla presenza di quest’ultime che deriva l’esigenza di effettuare un trattamento dell’aria alle condizioni fisiche desiderate. Sono indicate qui le prestazioni con cui deve operare il sistema di condizionamento.

23 FIGURA 2 (ANALISI FUNZIONALE)

Abbiamo definito quindi le funzione del sistema di condizionamento attraverso l’analisi funzionale, in modo da fornire una guida per la fase di design che segue. Ad ogni funzione si ricollegano i requisiti di performance definiti in SSS.

Da qui sappiamo cosa deve fare il sistema di condizionamento ed abbiamo inoltre alcune indicazioni del modo in cui deve operare; logicamente dai requisiti è stato possibile fissare una prima linea guida su cui procedere con lo sviluppo del sistema integrandolo in feedback ogni volta che si procede con la definizione dell’architettura. I requisiti vanno a fissare alcune funzionalità del sistema di condizionamento ma non lo definiscono nel suo assieme, quello che si deve fare è passare ad una fase di design synthesis che risponda alle funzionalità richieste ma che vada anche incontro alle esigenze interne dell’azienda e del prodotto, risultando fondamentale andare ad identificare la soluzione più efficace ed efficiente.

Liv

3

Liv

2

Liv

1

Perform Mission move selection state and mode ... tracking ... fire ammunitions management condition the ambient performance indicated in SSS ... fire action ... interface communication with external devices ... comunication with ship

take air from the ship ...

24

Un analisi funzionale così condotta va eseguita sull’intero sistema, partendo quindi dai requisiti del prodotto fino ad arrivare alle funzione a cui devono adempiere i singoli CI con le relative prestazioni.

25

D

ESIGN

S

YNTHESIS

4.3

Dall’output della functional analysis si passa alla fase di design in cui viene sviluppata l’architettura fisica del sistema. L’obiettivo di questa parte è quello di combinare e definire i componenti hardware e software per ottenere una soluzione di design capace di soddisfare i requisiti iniziali. Da una prima definizione di questa fase è possibile realizzare diversi documenti importanti come le baseline ed il WBS.

In questa fase vengono valutate diverse alternative dell’architettura del sistema che possono condurre al risultato desiderato, fino a giungere alla scelta della configurazione definitiva. Si inserisce qui la fase progettuale riguardante il sistema di condizionamento, le cui analisi sono illustrate nel capitolo seguente. Nel presente lavoro ci si sofferma singolarmente su quella che è la definizione del sistema di condizionamento, approccio che andrebbe eseguito analogamente sull’intera architettura del sistema.

4.3.1 F

UNCTIONAL

/P

HYSICAL

M

ATRIX

Ragionando a livello dell’intero prodotto è stato interessante elaborare un esempio di matrice, in cui si evidenzia come si relaziona l’architettura fisica con quella funzionale sviluppando quindi un quadro chiaro di quello che è il nostro sistema e di come si vanno a smarcare i requisiti funzionali, a loro volta legati ai requisiti in SSS. (Vedi Figura 3)

Per la parte di architettura fisica si parla di physical breakdown structure (PBS) mentre per l’architettura funzionale si parla di functional breakdown structure (FBS); la matrice vedrà quindi su un asse la struttura PBS mentre sull’altro asse la FBS. Le caselle centrali indicano la competenza di un elemento fisico nel partecipare alla realizzazione della funzione indicata e vengono usate generalmente per indicare unicamente la correlazione tra PBS e FBS. In questo caso sono state integrate con la percentuale relativa al progresso della fase di design synthesis e la relativa criticità/complessità, espressa con dei valori compresi tra 1 (bassa criticità/complessità) e 4 (alta criticità/complessità). Per definire questi valori è possibile fare riferimento ad alcune analisi categoriche come quella di rischio o in alternativa eseguire una più agile stima, che tiene in considerazione la complessità nel soddisfare una data funzione con il modulo fisico in questione. Nel presente caso è stato seguito questo secondo approccio, in quanto l’obiettivo è l’esecuzione di un analisi qualitativa a scopo illustrativo. Per seguire un approccio rigoroso sarebbe necessario effettuare un analisi funzionale completa del sistema, esulando dal target della presente tesi. La percentuale di completamento è un indice dello sviluppo della fase di design synthesis; assieme all’indice di criticità/complessità fornisce un quadro della situazione con lo scopo di

26

evidenziare le eventuali necessità nel portare avanti alcune attività al fine di completare la presente fase in ogni sua parte, evitando di dimenticare alcuni aspetti di secondaria importanza.

Sulla parte inferiore vi sono gli indici di progresso medio e di criticità/complessità media relativi all’elemento fisico della rispettiva colonna. Analogamente le colonne di destra raccolgono i medesimi indici delle diverse funzioni della FBS.

FIGURA 3 (INTEGRATION MATRIX)

Questa matrice deve essere sottoposta ad una continua revisione in quanto durante la fase di design synthesis è importante seguire una ricorsiva procedura di loop sulla functional analysis al fine di verificare una corretta corrispondenza tra le due architetture, nonché con i requisiti di progetto. La sua utilità risiede nel proporre un quadro chiaro, oltre che visivo, dell’architettura del sistema, sia dal lato funzionale che da quello fisico. In questo modo si ha un approccio formalizzato che ci permette di avere un

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quadro complessivo ma schematico del prodotto, evitando di trascurare alcuni aspetti che a prima vista potrebbero assumere erroneamente un aspetto di irrilevanza.

Dall’esempio di matrice di integrazione realizzata si nota come l’azione di caricamento munizioni risulti una funzione particolarmente critica, eventualmente da sottoporre ad analisi sulla performance e/o sull’efficacia del sistema, che vedremo in seguito essere definite come MOP(Measures of Performance) e MOE(Measures of Effectiveness). Altre funzioni interessanti da sottoporre a queste analisi sono anche le seguenti, identificate sulla base del valore di rischio complessivo raccolto sulla destra della matrice.

 Gestione modalità multi feeding;

 Condizionamento ambiente con munizioni;

 Sparo del colpo;

 Guida munizioni dart.

Come già accennato le presenti analisi trovano inoltre una notevole utilità nel momento in cui diventa necessario redigere particolari documenti come ad esempio le baseline funzionali e di prodotto o il WBS o ad esempio gli stessi PBS, SSS.

4.3.2 TPM

In questo sotto capitolo si mostra come sia possibile condurre un analisi che permetta di valutare le performance di un determinato parametro tecnico in un determinato periodo di tempo, registrando le performance attuali e prevedendone l’andamento futuro, assistendo in questo modo le decisioni da prendere nello sviluppo del prodotto. Il fine ultimo del TPM è determinare con quanto soddisfacimento il sistema risponde ad un determinato requisito iniziale. Durante l’elaborazione si tratta poi di creare una rappresentazione grafica di tale analisi.

Vediamo come è stato strutturato questo lavoro e su quale aspetto è stato deciso di focalizzarsi.

Un requisito che merita di seguire un analisi di questo tipo è il [REQ_7], ovvero la limitazione di peso sul sistema complessivo che coinvolge quindi la fase di design del sistema di condizionamento, che come abbiamo appena visto rappresenta nell’analisi funzionale un elemento potenzialmente critico. Risulta interessante osservare come la riduzione delle masse in gioco comporti una serie di vantaggi nel soddisfare altri requisiti prestazionali, come ad esempio le velocità sulle servo performance in brandeggio ed elevazione, le quali devono essere garantite con una certa accuratezza sul posizionamento (es: v=1rad/s ±0.5mrad) mediante l’azione dei motori, opportunamente dimensionati per soddisfare tali prestazioni. Ridurre la massa dell’intero sistema va incontro a tale esigenza,

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permettendo di esercitare un controllo migliore delle cinematiche in questione, con un impiego ridotto di energia.

Per applicare questa metodologia di analisi è necessario scomporre in primis l’architettura fisica del sistema nelle diverse parti che lo compongono, fermandosi a un livello non troppo dettagliato ma sufficiente per stimare con relativa facilità il peso di ogni sotto assieme, in questo modo sarà possibile stabilirne il valore complessivo del prodotto, aggiornando le diverse parti mano a mano che si fa un check dei dati. Fra i vari assiemi individuati ed inclusi nel presente studio, è presente il sistema di condizionamento con la sua architettura fisica, soggetta ad evolvere al procedere delle attività. Questo procedimento di stima dei pesi è stato eseguito diverse volte in diverse fasi di avanzamento del progetto, in modo da poter ricavare un andamento nel tempo di tale caratteristica fisica. Il fine ultimo è ricavarsi una stima previsionale dell’andamento futuro, definendo un idea di quello che sarà il risultato finale nel caso in cui si proceda in tale direzione. Il tutto lo si fa eseguendo un confronto con quello che è il valore richiesto in specifica, target ultimo da conseguire.

Vediamo ora come è stato scomposto il prodotto:

FIGURA 4 (SCOMPOSIZIONE FISICA DEL SISTEMA PER CALCOLO PESI)

Una volta definita la scomposizione del sistema si passa alla misurazione dei vari pesi, ripetendo questa attività ad intervalli temporali pari circa a un mese. -affusto -piano di rotolamento -motoriduttore elevazione -sistema equilibramento -slip ring -sistema condizionamento -parte elettrica -motoriduttore brandeggio -massa rinculante -MO posteriore -MO anteriore

-cucchiaia ed evacua bossoli -archi elevazione -CMA 76/62 Sovra Ponte -struttura -elettronica Massa

Brandeggiante Parte Fissa

Massa Oscillante

29

Oltre al limite di peso fissato nei requisiti è possibile definire un target inferiore al fine di incrementare le prestazioni del sistema; questo valore può essere comunque oggetto di modifiche durante l’avanzamento del progetto in base ad eventuali modellazioni strutturali derivanti da necessità progettuali oppure da semplici scelte strategiche.

Vediamo in Figura 5 i dati plottati al variare del tempo scandito ad intervalli di circa 30 giorni, con indicate anche le milestones principali, ovvero la SDR (System Design Review) e la CDR (Critical Design Review). Per la definizione di queste due fare riferimento al testo [1].

FIGURA 5 (TPM)

Come requisito abbiamo l’imposizione di un valore massimo del peso pari a circa 8000Kg con il sistema a pieno carico. Abbiamo poi come secondo obiettivo interno il raggiungimento di un peso a vuoto del sistema pari a circa 6000Kg, in quanto il raggiungimento di questo target comporterebbe notevoli miglioramenti a livello prestazionale ed anche vantaggi a livello di installabilità del prodotto. In seguito viene esposta l’analisi sulla definizione di questo secondo target. Ad un primo dimensionamento al tempo zero, è stato stimato un valore complessivo pari a circa 7300Kg, ricavato dalla somma delle masse di ogni singola parte mediante una misurazione diretta (nel caso di componenti già realizzati), da catalogo (nel caso di componenti approvvigionati esternamente), da stime mediante modellazione CAD (nel caso di parti in fase di progettazione) o da stime analitiche di parti ancora in fase concettuale.

Inizialmente quella che si aveva era quindi una situazione positiva per quanto riguarda il limite imposto nei requisiti in SSS, in quanto già in partenza si era al di sotto di tale valore, facendo però attenzione al fatto che tale peso è privo del contributo relativo alle munizioni. Per questo motivo è stato introdotto il secondo target di riferimento, che si colloca a 6000Kg, rappresentando la condizione da perseguire con il sistema a vuoto di munizioni.

Quello che si osserva è come dalle prime misurazioni (spot sul grafico TPM) si abbia una situazione che soddisfa alle esigenze di progetto, portandosi

P

30

su un andamento che pare convergere inizialmente al valore target in tempi minori rispetto a quelli programmati (totale previsionale); questo però non ci deve trarre in inganno in quanto un ottimizzazione sulle masse del sistema dovrà sicuramente convergere ad un valore finito. Un ultima misurazione, condotta prima della SDR, ci pone però in leggero allarme in quanto si nota un arresto nell’ottimizzazione dei pesi rispetto alla tendenza mostrata nelle prime fasi. Questo evento è indice di un rallentamento nello snellire le diverse parti del sistema, richiedendo quindi maggiore attenzione sulla presente attività al fine di rispettare il raggiungimento del target nei tempi prefissati. Non Completare queste azioni può avere come conseguenze o un ritardo sui tempi di progettazione o nel caso peggiore un incapacità nel raggiungere le prestazioni richieste dal sistema al fine di soddisfare i requisiti di efficacia espressi dal cliente.

Detto in altri termini, il raggiungimento di questo secondo target non definisce lo smarcamento diretto di un requisito iniziale, bensì di un esigenza progettuale che ha ripercussioni su aspetti prestazionali del sistema d’arma, quindi a seguire su quella che è l’efficacia del prodotto. Il target dei 8000Kg può quindi essere raggiunto con facilità, ma in realtà vi sono altri requisiti che si riallacciano al target di peso del sistema ed è per questo motivo che è stato qui anticipata l’esigenza di raggiungere il traguardo dei 6000Kg. E’ qui che si allaccia una personale proposta, allo scopo di approfondire la presente analisi mediante l’applicazione di due tecniche tipiche del System Engineering.

4.3.3 P

ROPOSTA SVILUPPI FUTURI

Per portare avanti questo approccio utile a valutare il conseguimento dei requisiti iniziali del prodotto, è possibile eseguire una tecnica di valutazione chiamata MOP (Measures of Performance) che si colloca un passo sopra al TPM, in quanto si tratterebbe di condurre un analisi in cui valutare come si evolvono determinate prestazioni del sistema, in dipendenza anche dall’andamento dell’analisi TPM. Nel caso sopra analizzato, una variazione delle masse in gioco comporta una variazione dell’inerzia del sistema in brandeggio, traducendosi in un’energia di attuazione minore richiesta agli attuatori, quindi in una agevolazione nella raggiungibilità delle prestazioni desiderate.

Per fare un esempio semplice possiamo fare riferimento a un requisito prestazionale che si trova in SSS, che definisce il numero massimo di colpi pronti al fuoco superiore a 50 pezzi; da cui possiamo stimare il delta di peso dovuto al caricamento delle munizioni, considerando il peso di ogni colpo pari a circa 15kg. Alla prima misurazione dei pesi complessivi del sistema si aveva un valore pari a circa 7300Kg, considerando un limite massimo di 8000Kg vuol dire che si avevano circa 700Kg liberi, il che corrisponde a poter caricare sicuramente non più di 46 pezzi. Ci rendiamo

31

conto quindi che siamo fuori limite con il requisito sul quantitativo di munizioni, oltre ad esserci messi al valore limite con il requisito sul peso complessivo del sistema a pieno carico.

Nella condizione misurata tre mesi dopo eravamo a un peso complessivo a vuoto pari a circa 7000kg, ovvero con 1000Kg a disposizione per il carico munizioni che quindi si aggirano sul numero di circa 67 munizioni. Come vediamo l’analisi TPM ci guida sulla gestione dei pesi del sistema che a sua volta influenzano il quantitativo di munizioni che è possibile caricare sul MCG, ovvero un fattore di performance del prodotto.

Quello che otterremo sarà un grafico come mostrato in Figura 6 dove si evidenza l’andamento prestazionale in questione, in funzione dell’analisi TPM precedentemente sostenuta, ovvero in funzione dei valori di peso complessivo a vuoto negli intervalli considerati.

FIGURA 6 (MOP)

Si nota quindi la possibilità di conseguimento del valore di performance richiesto, in questo caso è possibile limitarsi a garantire 50 munizioni oppure si può pensare di andare oltre a tale limite, per giovare di eventuali vantaggi derivanti dall’impiego di un quantitativo maggiore di munizioni. Può essere a questo punto interessante valutare quella che è l’efficacia del 76/62 SP nello sventare le minacce, in funzione del numero di munizioni che è possibile disporre nel caricatore; a tale scopo è possibile procedere applicando la tecnica MOE (Measures of Effectiveness) in cui, analogamente a prima, si valuta come progredisce l’efficienza del sistema verso un target desiderato, il tutto direttamente correlato alle prestazioni analizzate con la tecnica MOP, la quale a sua volta faceva riferimento all’analisi TPM svolta inizialmente. Facciamo un esempio con alcuni dati puramente inventati con l’unico scopo esplicativo di questa metodologia. Fissiamo quindi, come misura di efficacia in missione, la capacità del sistema di difesa 76/62 SP nel fronteggiare un numero di minacce pari a 10 rappresentate da piccole imbarcazioni in movimento. Con un ragionamento statistico è possibile stimare la kill probability sulle minacce

32

appena definite in funzione delle munizioni che abbiamo sul caricatore. In Figura 7 è mostrato un esempio di quelli che potrebbero essere i dati ottenuti conducendo un analisi di questo tipo, dove è definito un limite pari al 99%, che rappresenta il dato target indice dell’efficacia del sistema di difesa.

FIGURA 7 (MOE)

Come si può notare dal grafico, in una condizione di questo tipo ci si starebbe avvicinando al valore target, rimanendo però ancora di qualche punto inferiore. Questo si tradurrebbe nella necessità di maggiorare il quantitativo di munizioni al fine di raggiungere una kill probability del 99% nelle condizioni supposte. A sua volta questa informazione si traduce nella necessità di diminuire il peso del sistema a vuoto al fine di poter garantire il rifornimento delle munizioni necessarie.

Arrivati a questo punto quello che possiamo fare è un feedback sulle analisi MOP e TPM settando i valori target sulla base del analisi MOE dalla quale possiamo stimare il raggiungimento del 99% di kill probability con l’impiego di 72 munizioni che quindi diventano il target dell’analisi MOP che a sua volta definisce il target dell’analisi TPM a 6920Kg per la massa del sistema a vuoto.

Si capisce quindi come una variazione delle masse del sistema vada ad influire su quella che è l’efficacia del prodotto che è un indice chiaro della qualità del sistema. L’impianto di condizionamento rientra quindi nella presente analisi, in quanto è importante contenere il peso delle diverse parti che lo compongono al fine di soddisfare i target fissati dalle analisi TPM, MOP e MOE.

Possiamo vedere queste tre attività correlate tra loro come schematizzato in Figura 8.

33 FIGURA 8 (CORRELAZIONE TPM/MOP/MOE)

Per quanto riguarda il caso appena analizzato si ha:

FIGURA 9 (LIVELLI DI SCOMPOSIZIONE PER LE ANALISI TPM/MOP/MOE) Sufficient number

of munitions TPM

Target limite di peso

MOP Target prestazioni Influenza Influenza _MOE Target efficacia valuta il conseguimento delle prestazioni richieste dal prodotto

valuta l’efficacia del sistema nel raggiungere gli obiettivi di missione

valuta il soddisfacimento di un parametro critico per il successo del progetto

Kill probability (MOE) >99% Munitions amount (MOP) Munitions accuracy Need to reduce MCG weight to guarantee the munition’s load Tracking speed ………… MCG weight (TPM) Munitions weight Volume for munitions …………

34

5 P

ROGETTAZIONE

DELL

’

IMPIANTO

DI

CONDIZIONAMENTO

In questo capitolo vediamo come si è sviluppata la fase di studio e progettazione, partendo dai risultati ottenuti nel capitolo precedente, dove sono state definite le funzioni a cui deve rispondere il sistema di condizionamento.

Il primo importante bivio che ci siamo trovati di fronte, era rappresentato dalla necessità di valutare l’impiego di un circuito ad aria in alternativa all’impiego di un circuito ad acqua, al fine di individuare l’alternativa migliore da adottare. Viene quindi nel seguito esposto l’approccio seguito a tal fine, con l’esecuzione di una serie di benchmark.

Per ognuna delle due soluzioni è stata realizzata una valutazione preliminare del sistema al fine di stimarne un dimensionamento di massima. Solo in seguito si è passati ad uno studio dettagliato del sistema ad aria affinando il modello sviluppato, ottenendo una serie di risultati utilizzati per il dimensionamento finale dell’impianto.

Per quanto riguarda l’analisi della dinamica del flusso d’aria di condizionamento, siamo stati affiancati da un centro di analisi fluidodinamica con il quale abbiamo aperto una fase di concurrent engineering, al fine di snellire ed ottimizzare questo importante step della progettazione.

35

A

RCHITETTURA DEL SISTEMA D

’

ARMA

76/62

SP

5.1

Prima di andare a ragionare sul sistema di condizionamento vediamo come si compone l’architettura fisica del 76/62 SP e qual è la sua cinematica principale, per quel che può interessare la nostra analisi.

Possiamo scomporre l’intero sistema in due sotto blocchi, indicati come parte “fissa” e parte “brandeggiante”; all’interno di quest’ultima andremo ad isolare un ulteriore macro blocco che indicheremo come parte “oscillante”. La parte fissa costituisce l’interfaccia con la nave sulla quale si va ad installare il MCG ed alla quale è solidale, la massa brandeggiante è invece rappresentata da tutti i corpi che seguono la manovra di brandeggio relativamente alla parte fissa. La massa oscillante è identificata dalla struttura che è incaricata di compiere l’azione di beccheggio del sistema d’arma. E’ chiaro quindi che queste due azioni di brandeggio e di beccheggio rappresentano i moti responsabili delle manovre di puntamento del MCG. Per quanto riguarda il moto di brandeggio è possibile identificare un asse verticale attorno al quale avviene il moto, il quale si colloca perpendicolarmente all’asse di beccheggio che identifica il moto relativo della massa oscillante rispetto all’affusto.

Questi moti sono gestiti da dei motori elettrici, che ne garantiscono la movimentazione.

Vediamo in Figura 10 una schematizzazione come fin qui descritta del sistema 76/62 SP.

36

La parte fissa risulta comunicante con l’affusto, il quale comunica con la parte oscillante mediante delle aperture situate sull’asse orecchioni (asse beccheggio). Allo stato iniziale del progetto, l’interfaccia del presente sistema non prevedeva volumi in comunicazione permanente con gli ambienti sottostanti al ponte nave, in seguito realizzati per la fornitura del flusso di aria condizionata.

I volumi appena descritti rientrano sotto la gestione del sistema di condizionamento che vedremo fa distinzione tra i diversi ambienti, nel caso in cui vi sia o meno al loro interno la presenza di munizionamento. In questo senso la massa oscillante ha richiesto un attenzione particolare, in quanto è risultato necessario adottare particolari accorgimenti dettati da stringenti norme di sicurezza, le quali ne garantiscono una corretta manipolazione al fine di prevenire spiacevoli incidenti. Si osserva quindi come diversi volumi del sistema d’arma 76/62 SP rispondano ad esigenze diverse, dovendo quindi essere trattati differentemente tra loro.

L’intero sistema d’arma 76/62 SP risulta isolato verso l’esterno da uno scudo, il quale oltre a fornire una protezione balistica ha per l’appunto la funzione di isolamento dell’ambiente interno da quello esterno. La sua struttura è importante ai fini dell’analisi che mi appresto ad esporre in quanto va a definire i flussi di scambio termico che vi sono fra il nostro sistema e l’ambiente esterno.

37

A

NALISI TERMICA DEL SISTEMA

5.2

Prima di passare allo studio di un possibile sistema di condizionamento è stato necessario definire lo stato del sistema, assieme a quelle che sono le diverse fonti di calore ed i relativi flussi termici derivanti.

 Scambio di calore tra l’ambiente interno e quello esterno attraverso lo scudo:

o Irraggiamento solare, agendo sullo scudo ne provoca un

riscaldamento che in determinate condizioni climatiche rappresenta un contributo di notevole rilievo;

o Irraggiamento esterno tra lo scudo e l’aria;

o Convezione esterna tra superficie esterna dello scudo e l’aria;

o Conduzione dello scudo tra superficie esterna e quella interna;

o Convezione interna tra superficie interna dello scudo e l’aria;  Fonti di calore interne al sistema:

o Motori elettrici presenti nei diversi volumi;

o Azione di fuoco, presente in massa oscillante.

5.2.1 F

LUSSO TERMICO ATTRAVERSO LO SCUDO

Iniziamo analizzando i flussi termici che si instaurano sullo scudo, il quale separa l’ambiente interno da quello esterno, trovandosi quindi coinvolto in diverse dinamiche termiche definite dai tre sistemi noti di trasporto del calore, ovvero per irraggiamento, conduzione e convezione. Per condurre questa analisi è stato necessario conoscere e definire le caratteristiche fisiche dei diversi elementi fisici coinvolti nel presente studio, ovvero l’aria e i materiali che compongono lo scudo, comprese le relative geometrie.

Vediamo quindi nel paragrafo seguente come modellare lo scudo ai fini dell’analisi termica.

5.2.1.1 Analisi dello scudo

Vi sono tre fattori da tenere in considerazione per quanto riguarda lo scudo, la sua geometria, la struttura interna e i materiali di cui si compone; la conoscenza di questi tre elementi ci permette di condurre l’analisi termica sullo scudo.

Esso è formato da una serie di pannelli a superficie piana, che uniti fra loro definiscono la superficie esterna del sistema. Quello che è stato fatto è quindi esserci ricavati la geometria di ogni singolo pannello, compreso il suo orientamento rispetto a un sistema di assi definito con l’asse z coincidente con l’asse di brandeggio dell’arma e l’asse y coincidente con l’asse orecchioni; questo passaggio è stato svolto agevolmente sfruttano

38

l’ambiente CAD in cui avevamo già un primo modello di massima della geometria dello scudo.

Dati ambiente CAD per ogni pannello:

 Superficie;

 Vettore normale alla superficie;

Il fatto che sia possibile scomporre lo scudo in una somma di pannelli piani a spessore costante ci ha permesso di facilitare notevolmente la trattazione termica. Quello che viene trascurato sono le zone di interfaccia tra i diversi pannelli in cui i flussi termici sicuramente differiscono dal comportamento sul resto del pannello, questo effetto però può essere considerato trascurabile ai fini della presente analisi.

Per quanto riguarda la struttura interna e i materiali che compongono lo scudo ci siamo trovati a modellare dei pannelli in composito, nei quali vi è l’alternanza di strati di materiali differenti, con un’anima interna rivestita da strati di materiali diversi che arrivano ad interfacciarsi con l’ambiente. Il tutto è poi rivestito da uno strato di vernice che oltre a variarne le caratteristiche interne ne definisce le caratteristiche di assorbimento ed emissione verso l’esterno.

Per la modellazione di questa struttura siamo partiti da una semplice rappresentazione come illustrata in Figura 11, definendo gli spessori ed i materiali che la caratterizzano.

Ai fini di un analisi monodimensionale in regime permanente si considera costante il flusso termico attraverso l’intero pannello, di conseguenza rimane invariato nel passaggio attraverso ogni singolo strato che lo costituisce, ottenendo:

𝑞 =𝑘1 𝐿1∗ (𝑇1− 𝑇2) = 𝑘₂ 𝐿2∗ (𝑇2− 𝑇3) = 𝑘₃ 𝐿3∗ (𝑇3− 𝑇4) = [ 𝑊 𝑚2] (𝑇1− 𝑇2) + (𝑇2− 𝑇3) + (𝑇3− 𝑇4) = (𝑇1− 𝑇4) = 𝑞 ∗ ( 𝐿1 𝑘₁+ 𝐿2 𝑘₂+ 𝐿3 𝑘₃) = [°𝐾] Quindi quella che si ottiene è una conduttanza per unità di area equivalente pari a:

39 𝐾_𝑘𝑢 = (𝐿1 𝑘1+ 𝐿₂ 𝑘2+ 𝐿₃ 𝑘3) −1 = [ 𝑊 𝑚2_𝐾] 𝑞 = 𝐾_𝑘𝑢∗ (𝑇₁− 𝑇₄) = [_𝑚𝑊₂]

Se poi volessimo mantenere il solito spessore totale 𝐿 = 𝐿1+ 𝐿2+ 𝐿3 si può

calcolare la conducibilità equivalente:

𝑘_𝑒𝑞= 𝐾_𝑘𝑢∗ 𝐿 = [_{𝑚 𝐾}𝑊 ]

In questo modo i pannelli dello scudo sono stati analizzati come se fossero composti da un materiale omogeneo con spessore costante L e conducibilità 𝑘𝑒𝑞, in quanto ai fini del calcolo del flusso di calore non vi sono differenze. A

parità di q e 𝑇₁ quello che varia è l’andamento della temperatura all’interno dei pannelli, pur ottenendo la solita 𝑇4.

5.2.1.2 Flusso termico a regime

Partendo dalle considerazioni illustrate al punto precedente sono state condotte le analisi del flusso termico a regime nel modo seguente.

Per quanto riguarda l’irraggiamento della superficie esterna siamo partiti considerando l’irraggiamento solare, suddividendolo in due contributi distinti, quello diretto (90%) e quello diffuso (10%). Il primo si compone a sua volta di una parte riflessa, la quale non contribuisce al flusso di calore all’interno del corpo, il quale inoltre emette calore per irraggiamento verso l’esterno. Il contributo diretto deve tenere in considerazione del fattore di vista, ovvero dell’angolo con cui l’irraggiamento giunge sulle superfici rispetto alla loro normale.

Per la trattazione della conduzione dei pannelli è stato fatto uso delle considerazioni fatte nel sotto paragrafo precedente, adottando quindi una conducibilità equivalente costante nello spessore dello scudo. Per gli effetti di convezione sono state assunte costanti le temperature interne al sistema oltre a quella dell’ambiente esterno, definita all’interno della STANAG 2895, in cui viene fornita anche indicazioni riguardo al valore di irraggiamento da prendere in considerazione in funzione del ciclo giornaliero.

Dati in ingresso:  Irraggiamento solare (𝐼_𝑠𝑢𝑛);  Radiazione diretta (𝑃𝑠𝑢𝑛𝑑𝑖𝑟= 90%);  Radiazione diffusa (𝑃_𝑠𝑢𝑛𝑑𝑖𝑓𝑓 = 10%);  Costante Stefan-Boltzman (𝜎 = 5.67 ∗ 10−8 𝑊 𝑚2_°𝑘4);

 Emissività superfici (E);

40

 Conduttanza unitaria interna di convezione (ℎ𝑖)

 Conduttanza unitaria esterna di convezione (ℎ𝑒)

 Posizione del sole rispetto al sistema.

Ai fini del calcolo del fattore di vista è stata definita la posizione del sole rispetto al sistema di riferimento solidale al sistema d’arma 76/62 SP, che quindi varia in funzione della posizione in brandeggio del MCG, oltre a dipendere dal giorno, orario, latitudine e longitudine considerati all’istante dell’analisi. Per tener conto di tali fattori sono state inserite le seguenti equazioni: 𝛿 = 23.45 ∗ 𝑠𝑒𝑛 (360 ∗(284 + 𝑛)₃₆₅ ) = 𝑑𝑒𝑐𝑙𝑖𝑛𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟𝑒 [°] con 𝑛 = 𝑔𝑖𝑜𝑟𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑙′𝑎𝑛𝑛𝑜 𝜔 = 180° − 15 ∗ ℎ𝑠𝑜𝑙 = 𝑎𝑛𝑔𝑜𝑙𝑜 𝑜𝑟𝑎𝑟𝑖𝑜 [°] con ℎ_𝑠𝑜𝑙= 𝑜𝑟𝑎 𝑠𝑜𝑙𝑎𝑟𝑒 𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑟𝑖𝑑𝑖𝑎𝑛𝑜 𝑑𝑒𝑙𝑙′𝑜𝑠𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒 ℎ_𝑠𝑜𝑙 = ℎ_𝑔ℎ𝑡+𝐸𝑡 60− 4 ∗ (𝜑1− 𝜑2) 60 con ℎ𝑔ℎ𝑡= 𝑜𝑟𝑎 𝑎𝑙 𝑚𝑒𝑟𝑖𝑑𝑖𝑎𝑛𝑜 𝑑𝑖 𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛𝑤𝑖𝑐ℎ 𝜑1= 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑒 𝑑𝑖 𝑔𝑟𝑒𝑒𝑛𝑤𝑖𝑐ℎ 𝜑₂ = 𝑙𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑒 𝑑𝑒𝑙𝑙′𝑜𝑠𝑠𝑒𝑟𝑣𝑎𝑡𝑜𝑟𝑒 𝐸_𝑡= 𝑒𝑞𝑢𝑎𝑧𝑖𝑜𝑛𝑒 𝑑𝑒𝑙 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜 [𝑚𝑖𝑛𝑢𝑡𝑖] 𝐸𝑡 = −9.87 ∗ sen[2 ∗ 𝑔 ∗ (𝑛 − 81)] + 7.67 ∗ sen[𝑔 ∗ (𝑛 − 1)] con 𝑔 =360° 365 ∝= 𝑎𝑟𝑐𝑠𝑒𝑛(𝑠𝑒𝑛𝛿 ∗ 𝑠𝑒𝑛𝛷 + 𝑐𝑜𝑠𝛿 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝜔 ∗ 𝑐𝑜𝑠𝛷) con 𝛷 = 𝑙𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑖𝑛𝑒

A questo punto è stato possibile definire il contributo dell’irraggiamento solare:

𝑃𝑠𝑢𝑛= 𝑃𝑠𝑢𝑛𝑑𝑖𝑟+ 𝑃𝑠𝑢𝑛𝑟𝑖𝑓+ 𝑃𝑠𝑢𝑛𝑑𝑖𝑓𝑓

Facendo riferimento alla Figura 12 definiamo la normale al pannello: 𝑁⃗⃗ = 𝑛𝑥𝑖 + 𝑛𝑦𝑗 + 𝑛𝑧𝑘⃗