Case

Hornetien elinkaaren turvaaminen

Patria tekee Ilmavoimien Hornet-hävittäjille rakennetarkastuksia ja -korjauksia, jotka turvaavat koneiden käyttökunnon ja iskukyvyn koko suunnitellun käyttöiän.

HN_täysikoko

Ilmavoimien F/A-18 Hornet -hävittäjien suunniteltu elinkaari päättyy 2025–2030, jolloin koneet saavuttavat 30 vuoden iän.

Kaluston käyttökunto ja iskukyky on turvattava koko elinkaaren ajan. Tähän tähtää Hornetien rakennemodifikaatio-ohjelma, jossa pääpaino on rakenteiden väsymisen tutkimuksessa, vaurioiden korjaamisessa ja niiden ennaltaehkäisyssä.

– Modifikaatioiden keskeinen tavoite on jatkaa rakenteiden elinikää taloudellisesti ja turvallisesti suunnitellun elinkaaren saavuttamiseksi, insinöörikapteeni Kalle Vaaraniemi Ilmavoimien esikunnasta tiivistää.

Elinkaaren hallinta vaatii valppautta

Hornetien rakennemodifikaatioista vastaa Patria. Työnjako on selkeä, sanoo suunnittelupäällikkö Mika Keinonen Patrian Aviation-liiketoiminnasta.

– Asiakkaana Ilmavoimat määrittelee tavoitteet ja vaatimukset. Patria tekee tarvittavat selvitykset ja tutkimukset sekä esittää niiden pohjalta toteutusvaihtoehdot.

Keinonen korostaa, että rakenteiden hallinta edellyttää jatkuvaa valppautta. On seurattava lentämisen rasittavuutta, suunniteltava ja toteutettava tarvittavat toimenpiteet sekä ylläpidettävä lentoturvallisuuden varmistavaa rakennetarkastusjärjestelmää.

Rakennekorjaukset valmistellaan Patrian lentokonehuolto-osastolla ja toteutetaan erillisessä rakennekorjaamossa.

– Rakennekorjaukset edellyttävät usein lentokoneen osittaista purkamista, mikä käy luontevimmin koneen huoltamiseen tottuneilta asentajilta, Keinonen toteaa.
Keinosen mukaan tehokkaalla työn suunnittelulla korjaukset voidaan nivoa normaalien huoltotoimenpiteiden ja ylläpitohankkeiden yhteyteen. Näin koneen ylimääräinen purkaminen ja varustelu sekä sitä kautta myös kustannukset ja ajankäyttö minimoidaan.

Kuormitus aiheuttaa säröytymistä

F/A-18 on suunniteltu sekä torjunta- että rynnäkkökoneeksi. Suomessa konetta on käytetty pääasiassa ilmasta-ilmaan -torjuntahävittäjänä, mutta meneillään olevan toisen elinikäpäivityksen jälkeen koneeseen saadaan myös ilmasta-maahan -kyvyt. Kaluston harjoituslennot sisältävät paljon ilmataisteluliikehdintää, mikä kuluttaa koneiden rakenteita.

Lentokoneiden käyttöikää rajoittaa ennen muuta alumiiniseoksista tehtyjen rakenteiden väsyminen. Horneteissa on myös muun muassa titaaniseoksista tehtyjä osia ja hiilikuituisia komposiittiosia, mutta ne eivät ole yhtä lailla herkkiä väsymiselle.

– Metallien väsymisilmiön vuoksi osaan rakenteista tulee alkavia väsymissäröjä jo suunnilleen käyttöiän puolivälissä. Tämä on tavanomaista erittäin liikehtimiskykyisten hävittäjäkoneiden rakenteissa, jotka on mitoitettu äärirajoille painon säästämiseksi, Mika Keinonen huomauttaa.

Rakenteiden väsymistä pyritään arvioimaan lentokoneiden suunnitteluvaiheesta lähtien.

Kaluston valmistaja on asettanut tärkeimmille koneenosille käyttöiän tai tarkastusohjelman, jolla voidaan varmistaa osien turvallinen kunto ja käytettävyys. Näitä on kuitenkin jouduttu tarkentamaan kotimaisten tutkimustulosten perusteella.

Osien käyttöikä mitataan lentotunteina tai niin sanottuna väsymysindeksinä. Jälkimmäinen kuvaa käyttöiän kuluessa kasautuvaa rasitusta.

Patria (2)

Seurannassa sata rakennekohdetta

Kalle Vaaraniemen mukaan Hornetin rakenteiden elinkaaren hallinnassa seurataan noin sataa erillistä rakennekohtaa. Näistä elinkaaren aikana modifioidaan useita kymmeniä kohteita.

– Metallirakenteissa alusta lähtien olevat mikroskooppisen pienet säröt kasvavat käytön aikana hyvin hitaasti. Säröjen kasvua pystytään hidastamaan esimerkiksi vahvistamalla rakennetta, poistamalla jo syntyneitä pieniä säröjä esimerkiksi hiomalla tai vaihtamalla rakenteiden kiinnittimiä, Vaaraniemi sanoo.

Kun elinikää rajoittava rakennekohta on tunnistettu, tapauskohtaisesti harkitaan osan vaihtoa tai ennakoivaa modifiointia. Pieniä säröytyneitä osia korvataan uusilla varaosilla, mutta suuria rakenteita Ilmavoimien Horneteista ei lähdetä vaihtamaan.

– Yhdysvaltain laivastossa Hornetien keskirunko vaihdetaan koneen elinkaaren aikana. Suomessa linjauksena oli alusta lähtien, ettei näin suuria modifikaatioita tehdä. Esimerkiksi keskirungon vaihto edellyttäisi lentokoneen purkamista lähes kokonaan, mikä ei olisi taloudellisesti tarkasteltuna järkevää, kun ottaa huomioon kaluston jäljellä olevan käyttöiän, Vaaraniemi perustelee.

Kotimainen tutkimus välttämätöntä

Insinöörimajuri Riku Lahtinen oli mukana, kun Hornetien rakenteiden väsymisen mittausjärjestelmälle ja rakennemodifikaatio-ohjelmalle luotiin perusta vuosituhannen vaihteessa. Tätä nykyä hän toimii apulaisosastopäällikkönä Puolustusvoimien logistiikkalaitoksen ilmajärjestelmäosastolla.

– Rakenteiden seurantaan liittyvää dataa ja tietokoneohjelmistoja hankittiin aluksi Hornetien valmistajalta Yhdysvalloista. Aika pian kävi kuitenkin selväksi, että tässä tarvitaan vahvaa kotimaista osaamista, Lahtinen toteaa.

Lahtisen mukaan oli tärkeää pystyä arvioimaan rakenteisiin kohdistuvia rasituksia silloin, kun koneilla lennetään Suomen ilmavoimien tehtävänkuvan mukaisesti.

Lisäpontta työhön antoivat Hawk-harjoitushävittäjien rakenteissa havaitut väsymisvauriot ja Vinka-koulutuskoneille lentomittausten perusteella tehdyt ennakoivat muutostyöt.

– Ilmavoimat tiedosti, että koneiden rakenteet ovat ongelma. Hornetien kohdalla halusimme puuttua ongelmiin mahdollisimman varhaisessa vaiheessa, Lahtinen sanoo.

Laskentaa ja laboratoriokokeita

Tutkimusyhteistyössä ovat olleet alusta lähtien mukana Ilmavoimat, Patria ja Teknologian tutkimuskeskus VTT. Kumppaneita ovat olleet myös muun muassa Aalto-yliopiston teknillinen korkeakoulu, Finflo Oy ja Tampereen teknillinen yliopisto.

Keinosen mukaan tutkimusyhteistyöhön ovat sisältyneet materiaali- ja komponenttikokeet, komposiittikorjausten prosessien kehittäminen, monimutkaiset virtauslaskennat sekä lentomittauskoneiden instrumenttien asentaminen.

– Ilman kotimaisen yhteistyöverkoston tuomia lisäresursseja rakennehallinnan kokonaisuus ei toimisi, Keinonen sanoo.

Keinosen mukaan rakenteiden väsymistä voidaan tutkia sekä matemaattisilla laskentamenetelmillä että kokeellisesti. Väsymiselle erityisen alttiit kohdat voidaan tunnistaa hyödyntäen esimerkiksi simulointimalleja, väsytyskokeita, tai kaluston todellisessa käytössä havaittavia vaurioita.

– Pienemmille rakennekomponenteille tehdään myös väsytyskokeita kotimaisten yhteistyöverkoston tutkimuslaitoksissa, Keinonen toteaa.

Kahdessa koneessa mittauslaitteet

Säröilyn ennustaminen edellyttää lentorasitusten tarkkaa tuntemista. Kahteen Horneteista on asennettu mittausvälineet, jotka tuottavat tietoa rakenteiden eri osien kuormittumisesta lennon aikaisten kuormitusten eli aerodynaamisten kuormitusten sekä kiihtyvyyksien ja kulmakiihtyvyyksien alaisina.

Rakenteisiin kiinnitetyt venymäliuskat mittaavat eri tilanteissa syntyneitä venymiä, joista lasketaan jännitykset. Tallennetun lentohistorian analysoinnissa hyödynnetään neuroverkkoa, joka on tietoja yhdistävä ja ennakoivaa tietoa tuottava laskentamalli. Neuroverkko auttaa ennustamaan rakenteiden väsymistä koneissa, joissa mittausjärjestelmää ei ole asennettuna.

Oman tutkimustoiminnan lisäksi Hornetien rakennevaurioista on saatu arvokasta tietoa myös konetyypin muilta käyttäjiltä eri puolilta maailmaa.

– Suomi on ollut siinä hyvässä asemassa, että monen muun maan ilmavoimat ovat käyttäneet samaa konetyyppiä jo paljon meitä pidempään. Muilta käyttäjiltä saadut kokemukset ja vauriotiedot auttamaan meitä varautumaan entistä paremmin tulevaan, Kalle Vaaraniemi huomauttaa.

Vaaraniemen mukaan suomalaiset ovat osallistuneet aktiivisesti myös Hornetien rakenteiden eheydenhallintaa käsittelevään kansainväliseen työryhmään.

– Muilta käyttäjiltä saatu tieto on ollut äärimmäisen arvokasta rakennemodifikaatioiden ja kaluston tarkastusten suunnittelussa. Vaaraniemi sanoo.

Kansainvälissä kokouksissa on myös jaettu suomalaisten tutkimustulosten yhteenvedot muille Hornet-käyttäjille.