Measurement equipment installation on board research aircraft

Abstract

The focus of this Masters Thesis will be the design of an installation rack for remote sensing instruments which were mounted and tested on board the research aircraft Short SC7 Skyvan. The aircrafts modification work was part of Aalto University´s School of Electrical Engineering research flight AISA project in cooperation with the University of Helsinki. The University of Helsinki´s Remote Sensing Group purchased a new optical range AISA Eagle II spectrometer with a separate inertial measurement unit for airborne remote sensing research. In order to achieve successful measurements during measurement flight, the instruments mounting configuration had to be adjustable in order to overcome changes in an aircraft´s angle of attack at different airspeeds regarding varying measurement angles desired.

Due to the relatively short amount of time available at the AISA project, one of the challenges of the modification work process was to find a practical, but an airworthy installation concept which was reasonable to manufacture and implement on board a type certified aircraft. To achieve this, the design of the installation rack and its strength of materials calculations and verification was presented in a modification work plan in order to show compliance with the airworthiness regulations and standards set for aircraft structures which then had to be approved by an authorized aviation authority or an approved design organization.

The main purpose of this Masters Thesis is not to introduce an advanced engineering problem solving in the field of aerospace structural design in question, but rather to present an overall illustration of a modification work process in general, when implemented on board an airworthy aircraft. Engineering design tasks involved in certain modification work and airworthiness regulations and standards may vary depending on the category of the aircraft, structural materials and features used in the fuselage of the aircraft, but the general approach and procedure to proceed with a modification process is the same.

Diplomityö käsittelee laiteasennuskehikon asennusprosessia kaukokartoituksessa käytettäville instrumenteille, jotka asennettiin ja joita hyödynnettiin tutkimuslennoilla ilma-aluksessa Shorts SC7 Skyvan. Tämä ilma-alukseen tehty muutostyö oli osa Aalto Yliopiston Sähkötekniikan Korkeakoulun AISA projektia, joka suoritettiin yhteistyössä Helsingin Yliopiston kanssa. Helsingin Yliopiston kaukokartoitusryhmä oli hankkinut uuden optisella alueella toimivan AISA Eagle II spektrometrin sekä tämän mittauksia tukevan inertiamittausyksikön, joka mahdollistaisi laitteiden tarkan asentotiedon mittausten aikana. Jotta lennolla suoritettavat mittaukset onnistuisivat odotusten mukaisesti, mittauslaitteiden asennusalustan oli oltava säädettävissä sekä lentokoneen kohtauskulman muutoksien kompensoimiseksi eri ilmanopeuksilla että toivottavien mittauskulmien suhteen mittauslinjoilla.

AISA projektin aikatauluista johtuen yksi muutostyön suunnitteluprosessin haasteista oli löytää toimiva mutta samalla kohtuullisesti valmistettavissa oleva mittauslaitteiden asennuskonsepti, joka olisi toteutettavissa lentokelpoiseen ilma-alukseen. Tämä vuoksi mittauslaiteasennuksesta tehtiin muutostyösuunnitelma, jossa esitettiin mittauslaitekehikon asennus, suunnittelussa käytettyjen materiaalien lujuuslaskelmat sekä todentamismenetelmät, jotta ko. ilma-alukseen suoritettavan muutostyöhön kohdistuvat määräykset ja standardit voitiin osoittaa täyttyvän. Tämä muutostyösuunnitelma tuli sitten hyväksyttää joko ilmailuviranomaisella tai hyväksytyllä suunnitteluorganisaatiolla, ennen kuin asennus voitiin toteuttaa ilma-alukseen.

Tämän diplomityön tarkoituksena ei ole esitellä edistynyttä ja korkeatasoista suunnittelutaitoa lentokonerakenteiden suunnittelussa, vaan pikemminkin tarkoituksena on tarjota yleiskuvaus muutostyöprosessista, kun se toteutetaan lentokelpoiseen ilma-alukseen. Eri muutostöihin liittyvät suunnittelutehtävät ja ratkaisut vaihtelevat riippuen ko. ilma-aluksen runkorakenteista, siinä käytetyistä materiaaleista sekä ilma-aluksen operatiivisesta kategoriasta ja niihin kohdistettavista suunnitteluarvojen ja standardien vuoksi, mutta yleinen lähestymistapa edetä muutostyöprosessissa on yleisesti ottaen sama.