211service.com
Stille landing
Om 01:00 uur op een koude oktoberochtend in 2002 stond John-Paul Clarke '91, SM '92, ScD '97 in een vochtig veld in Floyds Knobs, IN, luisterend naar twee straaljagers van United Parcel Service die Louisville binnenschoten Internationaal vliegveld. De eerste kwam in het vliegen met een traditioneel getrapt landingspatroon waarin het verschillende keren stapsgewijs de hoogte afnam voordat het de landingsbaan bereikte. Vanaf de plek waar Clarke stond, ongeveer 650 meter lager, was het geluid luid genoeg om sluimerende Floyds Knobs-bewoners wakker te maken. Het andere vliegtuig volgde 20 minuten later en vloog een experimenteel patroon dat de universitair hoofddocent luchtvaart en ruimtevaart had ontworpen: het bleef langer op grotere hoogte voordat het afdaalde naar de luchthaven, een procedure die de grenzen verlegt van zowel de vluchtbeheersystemen aan boord als de luchtverkeersleiders . Zelfs zonder dat de gegevens werden opgenomen door de geluidsapparatuur naast hem, wist Clarke dat zijn procedure aanzienlijk stiller was. Je kon echt een verschil horen, herinnert hij zich.
Clarke was slechts een van de zeven onderzoekers die de geluidsniveaus van vliegtuigen in Floyds Knobs die nacht en verschillende anderen in de gaten hielden. Toen alle gegevens werden geanalyseerd, bevestigde het wat hij vermoedde: de experimentele landingsprocedure verminderde het geluid op de grond tussen drie en zes decibel, meer dan genoeg om merkbaar te zijn. Bovendien bespaarden vliegtuigen die volgens de procedure van Clarke vlogen brandstof. Sinds die eerste tests hebben Clarke's team - verschillende MIT-aero-astro-afgestudeerde studenten en een tiental onderzoekers van Boeing, NASA Ames Research Center en NASA Langley Research Center - het ontwerp verfijnd zodat luchtverkeersleiders meerdere vliegtuigen kunnen besturen die volgens de procedure vliegen. in matig zwaar verkeer. Ondertussen creëert Clarke een vergelijkbare procedure voor Gatwick Airport in Londen als onderdeel van het Silent Aircraft Initiative van het Cambridge-MIT Institute. Als de Federal Aviation Administration en de Britse National Air Traffic Services de ontwerpen van Clarke voor Louisville en Gatwick goedkeuren, zullen ze de inwoners van Floyds Knobs en Londen de broodnodige geluidsvermindering bieden en de weg banen voor andere luchthavens die geïnteresseerd zijn in het ontwerpen vergelijkbare rustige benaderingen.
De stille uitdaging
Louisville, een belangrijk knooppunt voor het sorteren van pakketten voor UPS, heeft een bijzonder moeilijk geluidsprobleem. In de kleine uurtjes van elke ochtend landen meer dan 90 UPS-jets op de luchthaven. Het is duur geweest om te strijden tegen het lawaai dat die vliegtuigen produceren; sinds 1991 heeft de luchthavenautoriteit meer dan 1.600 gezinnen verhuisd voor een bedrag van meer dan $ 180 miljoen. Toch kan de luchthaven het zich niet veroorloven om iedereen te verplaatsen die ooit is gewekt door inkomende 767's. In 2000 las James DeLong, de toenmalige algemeen directeur van de luchthaven, een van Clarke's papers over de haalbaarheid van stillere landingsbenaderingen. Ik was piloot en toen ik [Clarke's paper] doorlas, begreep ik wat hij probeerde te bereiken, herinnert DeLong zich, die sindsdien met pensioen is gegaan. Het had niet alleen een groot potentieel voor geluidsreductie [vermindering], maar het had ook potentieel om brandstof te besparen, het had het potentieel om de capaciteit van luchthavens te vergroten, dus het was een win-winsituatie, zoals ik zijn concept begreep. Twee jaar later nodigde hij Clarke uit om een dergelijke landingsprocedure te ontwerpen en te testen die zou kunnen worden gebruikt door de bestaande vloot van UPS.
Ik [werkte] meer dan 30 jaar in de luchthavensector en kwam tot de conclusie dat het grootste probleem waarmee het luchthavensysteem wordt geconfronteerd, namelijk een bedreiging voor de toekomstige vraag naar vliegreizen, lawaai is, zegt DeLong.
Het idee achter het nieuwe ontwerp, een zogenaamde continuous-descent-benadering, is bedrieglijk eenvoudig. De standaardlandingsprocedure is een stapsgewijze nadering waarbij vliegtuigen afwisselend meerdere keren dalen en afvlakken over ongeveer 50 kilometer voordat ze de landingsbaan bereiken. Dit vereist niet alleen dat vliegtuigen langer op een lagere hoogte vliegen, waar meer van hun geluid naar gemeenschappen wordt gefilterd, maar het vereist ook extra kracht van de motoren om het vliegtuig waterpas te houden, wat nog meer geluid veroorzaakt. Maar volgens het plan van Clarke moest het vliegtuig langer op grotere hoogte blijven en vervolgens naar het vliegveld afdalen zonder af te vlakken.
Het team moest een aantal uitdagingen aangaan tijdens het ontwikkelen van de procedure. Clarke moest ervoor zorgen dat het het geluid op de grond aanzienlijk zou verminderen, dat het veilig was onder verschillende weersomstandigheden en dat luchtverkeersleiders meerdere binnenkomende vliegtuigen aankonden die volgens het nieuwe patroon vlogen. Je moet ervoor zorgen dat je tegelijkertijd alle verschillende doelstellingen en beperkingen in het oog houdt, zegt Clarke. Je kunt niet gewoon proberen om op één onderwerp te optimaliseren, omdat je uiteindelijk een ander overtreedt.
Tijdens de eerste ontwerpfase gebruikte Clarke een door hem ontwikkeld geluidssimulatieprogramma om hem te helpen beslissen welke fysieke vliegroute het stilst zou zijn. Het programma stelt onderzoekers in staat om de exacte koers in te voeren die ze willen dat een vliegtuig vliegt, samen met de topografische kenmerken en de bevolkingsdichtheid van het gebied waarover het vliegt. Vervolgens berekent het programma het geluid dat het vliegtuig op de grond maakt en het aantal mensen dat er last van heeft. Nadat Clarke verschillende mogelijke paden had geëvalueerd, gebruikten hij en onderzoekers van Boeing Commercial Airplanes een Boeing-simulator die alle cockpithardware en bedieningselementen van een echte 767 omvat om een gedetailleerde stapsgewijze pilootprocedure te creëren. Deze simulatorsessies bevestigden ook dat het vliegtuig de procedure onder verschillende windomstandigheden aankon.
Reality Check
Hoe goed een procedure er in een simulator ook uitziet, een praktijktest is echter de enige manier om te zien of het echt werkt. Gedurende acht nachten eind oktober en begin november 2002 hebben Clarke, zijn MIT-collega's, de Boeing- en NASA-onderzoekers, twee piloten, een meteoroloog van UPS en een luchtverkeersleider van de verkeerstoren van Louisville nachtelijke vluchten gecontroleerd op geluidsoverlast. Elke nacht selecteerden ze twee UPS-vliegtuigen: één om de traditionele landingsprocedure te vliegen en de andere om de nadering met continue afdaling te vliegen. Vier of vijf bemanningsleden die op weg waren naar Louisville kregen briefingspakketten waarin de procedure werd beschreven voordat ze vertrokken. Toen de vliegtuigen eenmaal in de lucht waren, kregen twee bemanningen bericht dat ze waren uitgekozen om deel te nemen. We kozen willekeurig de piloten en vertelden ze eigenlijk: hé, je gaat deze procedure vanavond doen, zegt Clarke. Deze methode bevestigde dat UPS de procedure kon implementeren zonder zijn piloten een speciale training te geven.
Vervolgens vertrokken de onderzoekers van Boeing, NASA en MIT naar zeven verschillende locaties in Floyds Knobs die zich onder het vliegpad bevonden, met geluidsmeetapparatuur mee. We reden de velden van mensen in of stopten van de weg en zetten microfoons op, zegt Clarke. Was hij nerveus dat de procedure het lawaai misschien niet zou verminderen zoals gepland? Nee, zegt Clarke met een glimlach. Ik was nerveus dat de piloten ze goed zouden vliegen.
Clarke had zich geen zorgen hoeven maken; nadat het team de gegevens van de tests had geanalyseerd, ontdekte het dat de benadering met continue afdaling het geluid verminderde van tussen de 69 en 70 decibel tot tussen de 62 en 63 decibel. Dat is een aanzienlijk bedrag, aangezien een reductie van drie decibel in ruis merkbaar is voor de gemiddelde persoon, en een reductie van 10 decibel wordt als half zo luid ervaren. De onderzoekers ontdekten ook dat vliegtuigen die de procedure vlogen, ongeveer 225 kilogram brandstof bespaarden.
Hoewel de tests van 2002 een succes waren, moet er nog meer worden gedaan om te bewijzen dat de procedure praktisch is in matig zwaar luchtverkeer. Wanneer meerdere vliegtuigen snel achter elkaar landen, gebruiken luchtverkeersleiders meestal de snelheid van de vliegtuigen wanneer ze afvlakken om te schatten hoe ver ze zich van de startbaan en van elkaar bevinden. Een vliegtuig dat de continue-afdalingsbenadering gebruikt, vliegt echter nooit vlak, en zijn snelheid vertraagt voortdurend. Als veel vliegtuigen deze nadering vliegen, is het voor luchtverkeersleiders moeilijk om te voorspellen hoe dicht ze bij elkaar zullen zijn als ze de landingsbaan naderen. De procedure die Clarke voor de test van 2002 ontwierp, probeerde hiermee rekening te houden door de snelheden van de vliegtuigen tijdens de eerste afdaling zo constant mogelijk te houden, maar het werd alleen getest in licht verkeer.
In september zal Clarke de procedure echter testen in matig zwaar verkeer. Hij ontwerpt een aanpak waarbij 20 UPS-vliegtuigen zullen vliegen als ze binnen twee minuten na elkaar op de luchthaven aankomen. Clarke hoopt dat deze test zal bewijzen dat luchtverkeersleiders de landing met meerdere vliegtuigen kunnen beheren met behulp van de nieuwe aanpak. Als alles goed gaat, zal het team vervolgens een aanvraag indienen bij de FAA voor goedkeuring van de Louisville-procedures, een proces dat volgens Clarke minder dan een jaar zou kunnen duren.
Stille vliegtuigen
Ondertussen brengt Clarke zijn expertise in bij het multidisciplinaire Silent Aircraft Initiative van het Cambridge-MIT Institute, dat afgelopen herfst werd gelanceerd. Het driejarige initiatief brengt onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en MIT samen, evenals experts van industriële en overheidspartners, om een vliegtuig te ontwerpen dat zo stil is dat het geluid buiten de luchthaven niet waarneembaar is. Lucht- en ruimtevaartassistent-professor Karen Willcox, SM '96, PhD '00, gebruikt de geluidssimulator van Clarke bij haar evaluaties van de experimentele ontwerpen van het team.
Terwijl de meeste ingenieurs in het initiatief aan het nieuwe vliegtuig zullen werken, zal Clarke zich concentreren op het creëren van een continue afdaling voor bestaande commerciële vliegtuigen op de Gatwick Airport in Londen. Het team hoopt in 2005 een vliegtest uit te voeren en de procedure in 2006 op Gatwick te laten uitvoeren.
Clarke's werk aan de continue-afdalingsbenadering zal het Silent Aircraft Initiative helpen om te beweren dat zijn werk de Britse economie zal helpen - een missie die gemeenschappelijk is voor alle gezamenlijke onderzoeksprojecten van CMI ( zie Van Cambridge naar Cambridge, MIT News, mei 2003 ). Stillere landingsprocedures kunnen grote economische voordelen hebben voor luchthavens, luchtvaartmaatschappijen en gemeenschappen. Luchthavens met geluidsbeperkingen zouden bijvoorbeeld meer vluchten kunnen uitvoeren, waardoor congestie en vertragingen worden verminderd - problemen die uiteindelijk leiden tot hogere exploitatiekosten en ticketprijzen van luchtvaartmaatschappijen. Op de lange termijn kunnen stillere landingen de bezorgdheid van de gemeenschap over de aanleg van nieuwe start- en landingsbanen helpen verlichten. Een dramatisch stiller vliegtuig zou het aantal vluchten dat wereldwijd van en naar luchthavens kan vliegen aanzienlijk vergroten, maar het zal tientallen jaren duren om tot bloei te komen. Het duurt 10 jaar om een vliegtuig te ontwikkelen, en dan nog eens 15 jaar voordat een aanzienlijk aantal van hen in de vloot terechtkomt, zegt professor lucht- en ruimtevaart Ian Waitz, die de economische component van het initiatief leidt. Maar de operatie-dingen waar J-P Clarke bij betrokken is, die, een jaar of twee later, kunnen dingen veranderen.
Inderdaad, als de aanpak van Clarke wordt goedgekeurd voor Louisville en Gatwick, kunnen de inwoners van Floyds Knobs en Londen zich verheugen op een veel gezonder slapen in slechts een paar jaar.