Full qualification test on military aircraft electrical power distribution system

The purpose of this thesis is to assess all Safety of Flight (SOF) testing and qualification procedures for an Electrical Power Distribution System of a military helicopter. The entire project was completed by ASE S.p.A, a company specializing in the design, development, and manufacturing of electric generation and distribution systems for the aerospace and defense industries. It is the first time in history that AC and DC power distribution systems of military aircraft have been the subject of a thesis or article. Additionally, my project is unique in that the aircraft for which this system is designed is completely self-cooling and meets all military standards. The first section of this work describes in detail the mechanical and performance characteristics of all the machines and units that comprise the Electrical Power Distribution System. The central body of the study is focused on the test procedures aimed at obtaining the qualification so that the aircraft can carry out the first flight. It is divided into 3 main chapters: 1. Acceptance Test Procedure (ATP): testing of all system components to ensure they meet the parameters and performance requirements specified in the project. 2. Qualification Test Program (QTP): a detailed description of all the tests required to qualify for the initial flight. 3. Qualification Test Results (QTR): a collection of all test results obtained during the scheduled tests of the QTP. For the sake of simplicity, only the most significant findings are reported. The qualification plan analyzes three vital components: AC and DC Power Distribution Panels and the Battery PDP. The qualification plan is largely separated into Safety of Flight (SOF) and Full Flight (FULL) qualification, which must be accomplished in sequence. Indeed, the SOF must be completed first, as it contains the fundamental requirements for the power system to perform a first flight. Once you have completed this portion of the qualification process, you can proceed to FULL to complete the plan. Between each individual test, whether in the SOF or FULL qualification phase, the individual units must be tested to ensure their electrical and mechanical integrity and that they generally conform to the values stated during the design process. The Environmental refers to all environmental tests such as Temperature, Altitude, Vibration and Explosive Atmosphere tests. The Electromagnetic Compatibility (EMC / EMI) tests concern the transmission and reception of electromagnetic energy in relation to the undesirable effects that could occur. They have the objective of guaranteeing the correct functioning of the various devices in the same environment, also allowing the avoidance of negative electromagnetic phenomena during system operation. This acceptance test procedure (ATP) ensures that each component works properly just before and after each individual test. Due to the fact that the system has not yet been fully validated for the SOF part, the tests associated with FULL have not been conducted but are only stated theoretically. Again, with regards to the SOF, the results of the electrical performance tests conducted on the system throughout the distribution phase are listed. An example of an acceptance procedure for the three components that comprise the system: AC and DC Electrical Power Distribution System, Battery PDP, and Fuse Box is also reported. The effectiveness of vent hole shielding was examined in detail using a computational model with Mathcad. The impact of hole size, hole depth, and hole-to-hole separation distance was investigated in this analysis using finite-difference time domain simulation. Additionally, an innovative mathematical relationship centered on these same parameters was introduced and demonstrated to be highly predictive of simulated data. Finally, experimental data from laboratory measurements is used to validate simulation and analytical predictions. I worked personally on the entire qualification process (which lasted six months) of this power distribution system for aeronautical use, and I also carried out all of these tests personally and in total autonomy. I was also involved in product development, such as modification of advanced testing procedures according to international standards and customer specification, and optimization of the EMI shielding effectiveness.

Lo scopo di questa tesi è di valutare tutte le procedure di test e qualifica, per il raggiungimento della certificazione della Safety of Flight (SOF) di un sistema di distribuzione di energia elettrica per un velivolo militare. L'intero progetto è stato gestito e progettato da ASE, società specializzata nello sviluppo e produzione di sistemi di generazione e distribuzione elettrica per l'industria aerospaziale e della difesa. È la prima volta nella storia che i sistemi di distribuzione elettrica, sia in corrente alternata che corrente continua di apparati militari, sono stati oggetto di una tesi. Inoltre, il mio progetto è unico in quanto, l’elicottero per il quale è progettato questo sistema, è privo di sistemi di raffreddamento attivi soddisfando al contempo tutti i requisiti certificativi previsti. Per permettere il raffreddamento, senza ventole, dei componenti all’interno delle scatole di distribuzione, è stato elaborato un calcolo per lo schema di foratura delle pareti delle scatole, che potesse dimensionare correttamente diametro e distanza dei fori di areazione potenza e al contempo evitare emissioni elettromagnetiche al di fuori dei limiti consentiti dalla specifica dei requisiti. L'efficacia della schermatura dei fori di areazione è stata esaminata in dettaglio utilizzando un modello computazionale con Mathcad. L'impatto della dimensione del foro, della profondità del foro e della distanza di separazione da foro a foro è stato studiato in questa analisi utilizzando la simulazione nel dominio del tempo alle differenze finite. Inoltre, è stata introdotta un'innovativa relazione matematica incentrata su questi stessi parametri che si è dimostrata altamente predittiva dei dati simulati. Infine, i dati sperimentali delle misurazioni di laboratorio vengono utilizzati per convalidare la simulazione e le previsioni analitiche. La prima sezione di questo lavoro descrive in dettaglio le caratteristiche meccaniche e prestazionali di tutte le macchine e le unità che compongono il Sistema. La seconda parte è incentrato sulle procedure di prova finalizzate all'ottenimento della qualifica necessaria affinché l'aeromobile possa effettuare il primo volo. È suddiviso in 3 capitoli principali: 1. Procedura di Test di Accettazione (ATP): test di tutti i componenti del sistema per garantire che soddisfino i parametri e i requisiti di prestazione specificati nel progetto. 2. Procedure dei Test di Qualifica (QTP): una descrizione dettagliata di tutti i test necessari e delle relative procedure che devono essere eseguite al fine di raggiungere la qualifica dei requisiti minimi necessari per permettere il volo iniziale e la fase sperimentale del velivolo. 3. Risultati dei Test di Qualifica (QTR): una raccolta di tutti i risultati dei test ottenuti durante le prove programmate del QTP. In questo elaborato, per maggiore chiarezza, si riportano solo i rilievi più significativi tra tutti i test svolti. Il piano di qualifica analizza tre componenti vitali: le scatole di distribuzione dell'alimentazione AC, le scatole di distribuzione dell’alimentazione DC e il pannello di distribuzione dell’alimentazione dalla batteria. Il piano di qualifica è quindi diviso in due parti: la qualifica Safety of Flight (SOF) e la Full Flight (FULL). Queste due fasi di qualifica devono essere eseguite in sequenza. In effetti, la qualifica SOF deve essere prima completata, poiché contiene i requisiti fondamentali affinché il sistema di alimentazione possa eseguire i primi voli sperimentali. Una volta completata questa parte del processo di qualifica, si può procedere a completare la certificazione per il raggiungimento della FULL. Il raggiungimento delle due qualifiche prevede: - Test funzionali per dimostrare che tutte le prestazioni dell’unità oggetto di qualifica soddisfino i requisiti imposti dal cliente. - Test di tipo ambientale che verificano che in tutte le condizioni ambientali richieste dalla specifica dei requisiti del cliente l’unità funzioni correttamente senza subire danni o degrado delle sue prestazioni o funzionalità. Gli standard di riferimento sono la RTCA/DO-160G e la MILSTD810G. - Test di Compatibilità Elettromagnetica (EMC/EMI) verificano che le unità oggetto di qualifica non siano suscettibili quando sottoposti ad interferenze elettromagnetiche o non emettano disturbi elettromagnetici che possano influenzare il comportamento degli apparati montati nelle loro vicinanze. Per quanto riguarda i limiti previsti durante i test, la normativa di riferimento è la RTCA/DO-160G. Alla fine di ogni test di qualifica l’unità deve essere testata per garantire che ogni componente non abbia subito nessun danneggiamento o calo di performance. Allo stato attuale il progetto in questione ha già raggiunto la certificazione SOF ed i test associati alla FULL non sono ancora stati condotti ma verranno solo indicati. Vengono riportati i risultati dei test solo per la qualifica SOF di prestazione elettrica condotti sull'impianto di distribuzione. Ho lavorato personalmente all'intero processo di qualificazione (durato sei mesi) di questo sistema di distribuzione di energia per uso aeronautico, e ho svolto tutte queste prove personalmente. Sono stato anche coinvolto nello sviluppo del prodotto, come la modifica di procedure di test avanzate e l'ottimizzazione dell'efficacia della schermatura EMI.