Uuden sukupolven taistelukoneiden suorituskyky ja kehitysnäkymät

Tutkielma käsittelee uuden sukupolven taistelukoneita, niiden suorituskykyä ja kehitysnäkymiä. Tutkimus kohdentuu uusimpien sukupolvien kiinteäsiipisiin ilma-aluksiin. Kiinteäsiipi-sellä ilma-aluksella tarkoitetaan monitoimihävittäjää, joka edustaa sotilasilmailun kehit-tyneintä teknologiaa. Kohdevaltioina tutkielmassa on Venäjä ja Yhdysvallat. Tämä tutkielma on luonteeltaan kvalitatiivinen eli laadullinen tutkimus. Tutkielmassa käytetään tiedonkeruumenetelmänä asiakirja- ja tekstianalyysia. Tutkimusongelmana ja tavoitteena on selvittää mitkä ovat uuden sukupolven taistelukoneiden kehityksen suuntaviivat. Tutkimusongelman tueksi on asetettu alakysymyksiä, joiden avulla pyritään helpottamaan varsinaisen tutkimusongelman selvittelyä ja käsittelyä. Alatutkimusongelmat: - Minkälainen on uuden sukupolven monitoimihävittäjä? - Mikä on kohdevaltioiden hävittäjäsuunnittelun tämän hetkinen tila? - Millä tavalla kohdevaltioiden konekalusto eroaa toisistaan? Tutkimusaineistona on käytetty mielipidekirjoituksia, asiantuntijalähteitä, eri toimijoiden sotilasaikakausijulkaisuja ja eri yhteisöjen internet-sivustoja. Tutkielmassa on määritetty kohdevaltioiden tulevaisuuden kehitystrendejä. Yhdysvaltain so-takoneistolla on käytössään ainoa uuden sukupolven monitoimihävittäjä F-22A Raptor. Lisäksi testi- ja koelentovaihetta läpikäyvä F-35 Lightning II saataneen operatiiviseen käyttöön vuonna 2012. Yhdysvallat onkin asettamassa tavoitteita seuraavan sukupolven ilma-alukselle, joka nykyisten suuntaviivojen mukaisesti on todennäköisesti miehittämätön. Yhdysvaltojen suunnatessa katsettaan jo seuraavan sukupolven ilma-alukseen kehittää Venä-jä omaa uuden sukupolven monitoimihävittäjää tavoitteena sen tuotannon aloittaminen aikaisintaan vuonna 2015. Venäjän sotilasilmailun uusimmat modernisoinnit toimivat testialustoina uuden sukupolven monitoimihävittäjälle. Lisäksi niillä on tarkoitus täyttää vanhan kalus-ton ja uuden sukupolven monitoimihävittäjän väliin jäävä aukko. Venäjän sotilasilmailuteollisuuden tulevaisuus riippuu suuresti uuden sukupolven monitoimihävittäjästä. Mikäli se operatiiviseen käyttöön tullessa pystyy täyttämään sille asetetut vaatimukset pystyy Venäjän so-tilasilmailu mahdollisesti siirtämään katsettaan kohti seuraavaa hävittäjäsukupolvea.

Building a Research Data Registry for the UK

Presentation at Open Repositories 2014, Helsinki, Finland, June 9-13, 2014

Viidennen sukupolven hävittäjien häiveteknologia

Tämän tutkielman tarkoituksena on selvittää viidennen sukupolven hävittäjien häiveteknologian toteutusratkaisuja. On käsitelty miksi häiveteknologiaa tarvitaan sekä vertailtu miten häiveteknologia toteutetaan viidennen sukupolven hävittäjissä. Suomen ilmavoimien päähävittäjäkalusto F/A-18 Hornet edustaa neljättä sukupolvea ja saavuttaa elinkaarensa lopun 2020-luvun lopussa, joten seuraajasta on lähivuosina tehtävä päätös. On siis mahdollista, että seuraajaksi hankitaan jokin viidennen sukupolven hävittäjä häiveteknologialla varustettuna. Viidennen sukupolven hävittäjiä kehitellään ainakin Yhdysvalloissa, Venäjällä, Kiinassa, Intiassa ja Japanissa, mutta tässä tutkielmassa on vertailtu vain Yhdysvaltojen, Venäjän ja Kiinan viidennen sukupolven hävittäjiä. Yhdysvalloilla on tällä hetkellä ainut operaatiokäytössä oleva viidennen sukupolven hävittäjä, Lockheed Martin F-22 Raptor. Raptorin lisäksi Yhdysvalloilla on kehitysvaiheessa oleva Lockheed Martin F-35 Lightning II. Venäjällä on myös kehitysvaiheessa oleva Suhoi PAK FA samoin kuin Kiinalla on Chengdu J-20. Nämä kolme kehitysvaiheessa olevaa viidennen sukupolven hävittäjää on tarkoitus ottaa palveluskäyttöön ennen 2020-lukua. Tutkielman päätutkimuskysymys on, miten häiveteknologia toteutetaan viidennen sukupolven hävittäjissä. Lisäksi tutkielmassa on kaksi alakysymystä. Nämä ovat seuraavat: Miksi häiveteknologiaa tarvitaan? Miten häiveteknologian toteutus eroaa viidennen sukupolven hävittäjissä? Tutkimusmenetelmänä on käytetty kvalitatiivista kirjallisuustutkimusta ja vertailua julkisista lähteistä. Häiveteknologia ei ole mikään uusi innovaatio. Teknologiaa on kehitelty aina 1940-luvulta asti ja yksi tunnetuimmista häivepommikoneista, Lockheed Martinin F-117 Nighthawk, on jo poistunut palvelukäytöstä. Tuolloin häiveominaisuuksien ylläpito ja huolto aiheuttivat merkittäviä kustannuksia tutkasignaalia absorboivien maalien ja materiaalien takia. Viidennen sukupolven hävittäjissä on pyritty vähentämään näiden maalien ja materiaalien käyttöä, jotta käyttökustannukset saataisiin pienennettyä. On panostettu enemmän hävittäjien muodon antamaan suojaan tutkasignaalia vastaan maalien ja materiaalien sijaan. Tämä on nykyaikana mahdollista kehittyneiden tietokoneiden avulla, jotka pystyvät laskemaan optimaalisen muodon hävittäjälle sekä häive- että aerodynaamisten ominaisuuksien kannalta. Tutkasignaalia absorboivia maaleja ja materiaaleja on kuitenkin pakko käyttää erilaisten luukkujen ympärillä sekä muissa reunoissa, joissa muodolla ei saada riittävää vaikutusta.

Yhdysvaltalaisten ja eurooppalaisten ilmasta laukaistavien risteilyohjusten kehitysnäkymät

Tässä tutkielmassa tutkitaan yhdysvaltalaisten ja eurooppalaisten ilmasta laukaistavien ristei-lyohjusten lähitulevaisuuden kehitysnäkymiä. Päätutkimuskysymys on: minkälaisia ovat yh-dysvaltalaisten ja eurooppalaisten ilmasta laukaistavien risteilyohjusten kehitysnäkymät? Tutkielmassa tarkastellaan useita nykyaikaisia risteilyohjuksia, näiden kehitysprojekteja sekä uusia risteilyohjusprojekteja. Käsiteltävät risteilyohjukset ovat AGM-158 JASSM, AGM-129 ACM, TAURUS KEPD 350, Storm Shadow / Scalp EG ja ASMP. Lisäksi tutkimuksessa kä-sitellään näiden ohjusten vanhempia tai uudempia versioita, joihin lukeutuvat AGM-158B JASSM-ER, Apache sekä ASMP-A. Tutkielman tutkimusmenetelminä ovat kirjallisuustutkimus, jonka avulla selvitetään tietoja risteilyohjuksista ja kehitysprojekteista, sekä vertailu, jolla pyritään löytämään kehitysnäkymiä. Vertailun avulla kehitysprojekteista kyetään havaitsemaan laajempia trendejä. Lähdeaineistona tutkimuksessa käytetään IHS Jane’s -tietokantaa, internetlähteitä sekä kirjallisuutta. Tutkimus käsittelee risteilyohjusten tekniikkaa yleisellä tasolla, aiemmin mainittujen risteilyohjusten tekniikkaa tarkemmin, niiden kehitysprojekteja sekä risteilyohjusten kehitysnäkymiä. Vertailun perusteella tutkimuksen tuloksena löydetään lähitulevaisuuden kehitysnäkymille kolme selkeää trendiä. Trendit ovat datalinkin asentaminen, toimintamatkan pidentäminen sekä vaikutusosan kehittäminen. Nämä kolme kohdetta esiintyvät laajalti sekä nykyään käytössä olevien risteilyohjusten kehitysprojekteissa sekä uusissa kehitysprojekteissa. Datalinkin avulla ohjuksiin voidaan olla yhteydessä laukaisun suorittaneesta lentokoneesta tai johtokeskuksesta. Pidentämällä toimintamatkaa ohjus voidaan luonnollisesti ampua kauemmas vihollisen alueelle, tai se voidaan ampua kauempana vihollisen alueelta, jolloin laukaisua on vai-keampi havaita ja laukaisualusta on paremmassa turvassa. Vaikutusosan kehittämisellä pyritään sekä yhä parempaan asevaikutukseen että myös monipuolisuuteen. Keskeisimpänä johtopäätöksenä tutkimuksessa havaitaan, että kehitystä tapahtuu kahdesta syystä. Joko risteilyohjuksille kehitetään korvaajia tai uusilla risteilyohjuksilla vastataan uuteen tarpeeseen. Asejärjestelmien vanhetessa kehitetään uusia järjestelmiä, joilla korvataan poistuvia suorituskykyjä. Toisaalta myös uusi tarve, kuten uudet laukaisualustat, luovat tar-peen kehittää uusia asejärjestelmiä. Tämänkaltaista tarvetta ovat luoneet esimerkiksi F-22 Raptor ja F-35 Lightning -häivehävittäjät.

Methyl and ethyl chloride synthesis in microreactors

Methyl chloride is an important chemical intermediate with a variety of applications. It is produced today in large units and shipped to the endusers. Most of the derived products are harmless, as silicones, butyl rubber and methyl cellulose. However, methyl chloride is highly toxic and flammable. On-site production in the required quantities is desirable to reduce the risks involved in transportation and storage. Ethyl chloride is a smaller-scale chemical intermediate that is mainly used in the production of cellulose derivatives. Thus, the combination of onsite production of methyl and ethyl chloride is attractive for the cellulose processing industry, e.g. current and future biorefineries. Both alkyl chlorides can be produced by hydrochlorination of the corresponding alcohol, ethanol or methanol. Microreactors are attractive for the on-site production as the reactions are very fast and involve toxic chemicals. In microreactors, the diffusion limitations can be suppressed and the process safety can be improved. The modular setup of microreactors is flexible to adjust the production capacity as needed. Although methyl and ethyl chloride are important chemical intermediates, the literature available on potential catalysts and reaction kinetics is limited. Thus the thesis includes an extensive catalyst screening and characterization, along with kinetic studies and engineering the hydrochlorination process in microreactors. A range of zeolite and alumina based catalysts, neat and impregnated with ZnCl2, were screened for the methanol hydrochlorination. The influence of zinc loading, support, zinc precursor and pH was investigated. The catalysts were characterized with FTIR, TEM, XPS, nitrogen physisorption, XRD and EDX to identify the relationship between the catalyst characteristics and the activity and selectivity in the methyl chloride synthesis. The acidic properties of the catalyst were strongly influenced upon the ZnCl2 modification. In both cases, alumina and zeolite supports, zinc reacted to a certain amount with specific surface sites, which resulted in a decrease of strong and medium Brønsted and Lewis acid sites and the formation of zinc-based weak Lewis acid sites. The latter are highly active and selective in methanol hydrochlorination. Along with the molecular zinc sites, bulk zinc species are present on the support material. Zinc modified zeolite catalysts exhibited the highest activity also at low temperatures (ca 200 °C), however, showing deactivation with time-onstream. Zn/H-ZSM-5 zeolite catalysts had a higher stability than ZnCl2 modified H-Beta and they could be regenerated by burning the coke in air at 400 °C. Neat alumina and zinc modified alumina catalysts were active and selective at 300 °C and higher temperatures. However, zeolite catalysts can be suitable for methyl chloride synthesis at lower temperatures, i.e. 200 °C. Neat γ-alumina was found to be the most stable catalyst when coated in a microreactor channel and it was thus used as the catalyst for systematic kinetic studies in the microreactor. A binder-free and reproducible catalyst coating technique was developed. The uniformity, thickness and stability of the coatings were extensively characterized by SEM, confocal microscopy and EDX analysis. A stable coating could be obtained by thermally pretreating the microreactor platelets and ball milling the alumina to obtain a small particle size. Slurry aging and slow drying improved the coating uniformity. Methyl chloride synthesis from methanol and hydrochloric acid was performed in an alumina-coated microreactor. Conversions from 4% to 83% were achieved in the investigated temperature range of 280-340 °C. This demonstrated that the reaction is fast enough to be successfully performed in a microreactor system. The performance of the microreactor was compared with a tubular fixed bed reactor. The results obtained with both reactors were comparable, but the microreactor allows a rapid catalytic screening with low consumption of chemicals. As a complete conversion of methanol could not be reached in a single microreactor, a second microreactor was coupled in series. A maximum conversion of 97.6 % and a selectivity of 98.8 % were reached at 340°C, which is close to the calculated values at a thermodynamic equilibrium. A kinetic model based on kinetic experiments and thermodynamic calculations was developed. The model was based on a Langmuir Hinshelwood-type mechanism and a plug flow model for the microreactor. The influence of the reactant adsorption on the catalyst surface was investigated by performing transient experiments and comparing different kinetic models. The obtained activation energy for methyl chloride was ca. two fold higher than the previously published, indicating diffusion limitations in the previous studies. A detailed modeling of the diffusion in the porous catalyst layer revealed that severe diffusion limitations occur starting from catalyst coating thicknesses of 50 μm. At a catalyst coating thickness of ca 15 μm as in the microreactor, the conditions of intrinsic kinetics prevail. Ethanol hydrochlorination was performed successfully in the microreactor system. The reaction temperature was 240-340°C. An almost complete conversion of ethanol was achieved at 340°C. The product distribution was broader than for methanol hydrochlorination. Ethylene, diethyl ether and acetaldehyde were detected as by-products, ethylene being the most dominant by-product. A kinetic model including a thorough thermodynamic analysis was developed and the influence of adsorbed HCl on the reaction rate of ethanol dehydration reactions was demonstrated. The separation of methyl chloride using condensers was investigated. The proposed microreactor-condenser concept enables the production of methyl chloride with a high purity of 99%.

Valaistuksen käyttö kysynnän jouston resurssina

Työssä tarkoituksena oli tutkia voidaanko valaistuksella toteutettua kysynnän joustoa. Työssä tutustuttiin mahdollisiin markkinapaikkoihin ja kysynnän jousto tarkoittaa. Työssä käydään läpi valaistuksen perusteita, sekä nykyisien ohjaustapojen energiatehokkuutta tukevia ratkaisuja. Tekniselle toteutukselle ei ole estettä, käytännöntoteutukselle esteeksi muodostuu valaistustason muutoksen häiritsevyys. Järjestelmällä voidaan muodostaa valaistukselle hinta mitä halutaan palvelusta maksaa. Työssä tarkasteltiin ohjauksen sijoittamista esimerkkikuormalle.

Studies of rotor dynamics using a multibody simulation approach

The non-idealities in a rotor-bearing system may cause undesirable subcritical superharmonic resonances that occur when the rotating speed of the rotor is a fraction of the natural frequency of the system. These resonances arise partly from the non-idealities of the bearings. This study introduces a novel simulation approach that can be used to study the superharmonic vibrations of rotor-bearing systems. The superharmonic vibrations of complex rotor-bearing systems can be studied in an accurate manner by combining a detailed rotor and bearing model in a multibody simulation approach. The research looks at the theoretical background of multibody formulations that can be used in the dynamic analysis of flexible rotors. The multibody formulations currently in use are suitable for linear deformation analysis only. However, nonlinear formulation may arise in high-speed rotor dynamics applications due to the cenrrifugal stiffening effect. For this reason, finite element formulations that can describe nonlinear deformation are also introduced in this work. The description of the elastic forces in the absolute nodal coordinate formulation is studied and improved. A ball bearing model that includes localized and distributed defects is developed in this study. This bearing model could be used in rotor dynamics or multibody code as an interface elements between the rotor and the supporting structure. The model includes descriptions of the nonlinear Hertzian contact deformation and the elastohydrodynamic fluid film. The simulation approaches and models developed here are applied in the analysis of two example rotor-bearing systems. The first example is an electric motor supported by two ball bearings and the second is a roller test rig that consists of the tube roll of a paper machine supported by a hard-bearing-type balanceing machine. The simulation results are compared to the results available in literature as well as to those obtained by measuring the existing structure. In both practical examples, the comparison shows that the simulation model is capable of predicting the realistic responses of a rotor system. The simulation approaches developed in this work can be used in the analysis of the superharmonic vibrations of general rotor-bearing systems.

Design and Simulation of High-Speed Rotating Electrical Machinery

Global energy consumption has been increasing yearly and a big portion of it is used in rotating electrical machineries. It is clear that in these machines energy should be used efficiently. In this dissertation the aim is to improve the design process of high-speed electrical machines especially from the mechanical engineering perspective in order to achieve more reliable and efficient machines. The design process of high-speed machines is challenging due to high demands and several interactions between different engineering disciplines such as mechanical, electrical and energy engineering. A multidisciplinary design flow chart for a specific type of high-speed machine in which computer simulation is utilized is proposed. In addition to utilizing simulation parallel with the design process, two simulation studies are presented. The first is used to find the limits of two ball bearing models. The second is used to study the improvement of machine load capacity in a compressor application to exceed the limits of current machinery. The proposed flow chart and simulation studies show clearly that improvements in the high-speed machinery design process can be achieved. Engineers designing in high-speed machines can utilize the flow chart and simulation results as a guideline during the design phase to achieve more reliable and efficient machines that use energy efficiently in required different operation conditions.

Minkä nuorena hallitsee sen aikuisena taitaa? Liikehallinnan pysyvyys kouluiästä aikuisikään – 24 vuoden seurantatutkimus

Tässä 24 vuoden pitkittäistutkimuksessa tutkitaan liikehallinnan kehitystä ja pysyvyyttä kouluiästä aikuisikään. Lisäksi ennustetaan ja selitetään aikuisiän liikehallintaa kouluiän liikehallinnan perusteella. Tutkimukseen osallistui 44 miestä ja 44 naista eri puolilta Suomea, joiden liikehallintaa mitattiin kouluiässä 1985 ja 1988 (9–16-vuotiaina) sekä aikuisiässä 2009 (33−39-vuotiaina). Liikehallintaa mitattiin kuudella liiketehtävämittarilla (flamingoseisonta, tarkkuusheittokiinniotto, kahdeksikkokuljetus, edestakaisinhyppely, vauhditon 5-loikka ja kärrynpyörä) sekä niistä lasketulla summamuuttujalla. Miesten ja naisten liikehallintaa vertailtiin varianssianalyysilla. Kouluiässä pojat menestyivät välineenkäsittelytehtävissä ja tytöt tasapaino- ja voimistelutehtävissä, mutta kokonaisuutena sukupuolten välillä ei ollut eroa. Aikuisena miehet olivat naisia parempia lähes kaikissa tehtävissä. Kovarianssianalyysissä havaittiin, että kehonrakenteeltaan (BMI) erilaisten ryhmien liikehallinnassa oli vain yksittäisiä eroja koulu- ja aikuisiässä. Toistettujen mittausten varianssianalyysissa ilmeni, että kouluiässä molempien sukupuolten liikehallinnan kehitys oli samanlaista. Kouluiän jälkeen kevyiden ja keskipainoisten poikien liikehallinta parani, mutta painavien tulokset eivät muuttuneet. Kevyiden tyttöjen tuloksissa ei tapahtunut muutosta, mutta keskipainoisten ja painavien tulokset heikkenivät. Koululiikunnan tehostus- ja vertailuryhmien välille kouluiässä muodostuneet erot kaventuivat tai katosivat aikuisena. Kouluiän liikehallinnaltaan eritasoisten ryhmien väliset erot kaventuivat, mutta eivät poistuneet kouluiän jälkeen. Klusterianalyysissa tutkittavat jakaantuivat kouluiässä neljään liikehallintatyyppiin (yleishyvät, tasapainoiset, pallotaitajat ja yleisheikot), jotka säilyivät myös aikuisiässä, mutta niiden väliset erot kaventuivat. Ristiintaulukointi ja khiin neliö -testi osoittivat, että tasoryhmän ja liikehallinnan monipuolisuuden pysyvyys oli vahvaa kouluiästä aikuisikään. Koulu- ja aikuisiän liikehallintatulosten välinen korrelaatio oli naisilla (0.69) vahvempaa kuin miehillä (0.48). Yksittäiset mittaustulokset kouluiässä selittivät keskimäärin 33 % aikuisiän tuloksista (korrelaation neliö). Regressioanalyysissa miesten aikuisiän liikehallintaa selittivät kouluiän muuttujista parhaiten liikehallinnan monipuolisuus sekä liikkuvuus (61 %), mutta naisilla vain liikehallinnan monipuolisuus (37 %). Miesten ja naisten erot liikehallinnassa syntyivät kouluiän jälkeen, mikä johtunee erilaisista liikuntatavoista ja -harrastuksista. Kouluiän liikehallinta määritti vahvasti varsinkin tytöillä aikuisiän liikehallintaa sekä yksilö- että ryhmätasolla, mikä korostaa monipuolisen koululiikunnan merkitystä. Yksilölliset muutokset olivat mahdollisia. Kouluiän jälkeen erityisesti naiset ja kehonrakenteeltaan painavat tarvitsisivat hermolihasjärjestelmää monipuolisesti kuormittavaa ja liikesuunniltaan moniulotteista liikuntaa liikehallinnan kehittämiseksi ja ylläpitämiseksi. Naisten liikehallinnan taantuminen varsinkin tasapainotehtävissä voi altistaa kaatumistapaturmille ja rajoittaa fyysistä toimintakykyä.