211service.com
Tyst landning
Klockan 01:00 en kall oktobermorgon 2002 stod John-Paul Clarke '91, SM '92, ScD '97, på ett fuktigt fält i Floyds Knobs, IN och lyssnade efter två United Parcel Service-jetplan som vrålade in i Louisville Internationell flygplats. Den första kom i att flyga ett traditionellt stegvis landningsmönster där det stegvis minskade höjden flera gånger innan den nådde landningsbanan. Från där Clarke stod, cirka 650 meter nedanför, var ljudet tillräckligt högt för att väcka slumrande Floyds Knobs-bor. Det andra planet följde 20 minuter senare och flög ett experimentmönster som docenten för flygteknik och astronautik hade utformat: det stannade på högre höjd längre innan det gick ner till flygplatsen, en procedur som tänjer på gränserna för både flygledningssystem ombord och flygledare . Även utan att data spelades in av ljudutrustningen bredvid honom visste Clarke att hans procedur var betydligt tystare. Man kunde verkligen höra skillnad, minns han.
Clarke var bara en av sju forskare som övervakade flygplansbullernivåer i Floyds Knobs den natten och flera andra. När all data analyserades bekräftade den vad han hade misstänkt: den experimentella landningsproceduren minskade bullret på marken mellan tre och sex decibel, mer än tillräckligt för att märkas. Dessutom sparade flygplan som flyger Clarkes procedur bränsle. Sedan de första testerna har Clarkes team - flera MIT aero-astro doktorander och ett dussintal forskare från Boeing, NASA Ames Research Center och NASA Langley Research Center - förfinat sin design så att flygledare kan hantera flera plan som flyger proceduren i måttligt tung trafik. Samtidigt skapar Clarke en liknande procedur för Gatwick Airport i London som en del av Cambridge-MIT Institutes Silent Aircraft Initiative. Om Federal Aviation Administration och Storbritanniens National Air Traffic Services godkänner Clarkes design för Louisville och Gatwick, kommer de att ge välbehövlig bulleravlastning för invånarna i Floyds Knobs och London, och kommer att bana väg för andra flygplatser som är intresserade av att designa liknande tysta tillvägagångssätt.
Den tysta utmaningen
Som ett stort paketsorteringsnav för UPS har Louisville ett särskilt svårt bullerproblem. På småtimmarna varje morgon landar mer än 90 UPS-jetplan på flygplatsen. Det har varit dyrt att kämpa med bullret som dessa plan genererar; sedan 1991 har flygplatsmyndigheten flyttat över 1 600 familjer till en kostnad av mer än 180 miljoner dollar. Ändå har flygplatsen inte råd att flytta alla som någonsin har väckts av inkommande 767:or. År 2000 läste James DeLong, då flygplatsens generaldirektör, en av Clarkes tidningar om genomförbarheten av tystare landningsinflygningar. Jag var pilot, och när jag läste igenom [Clarkes tidning] förstod jag vad han försökte åstadkomma, minns DeLong, som sedan dess har gått i pension. Det hade inte bara stor potential för buller [reducering], utan det hade potential att spara bränsle, det hade potential att öka kapaciteten på flygplatser så det var en win-win som jag förstod hans koncept. Två år senare bjöd han in Clarke att designa och testa en sådan landningsprocedur som kunde användas av UPS:s befintliga flotta.
Jag [var] i flygplatsbranschen i över 30 år och drog slutsatsen att det allvarligaste enskilda problemet som flygplatssystemet står inför – i det som utgör ett hot mot förmågan att tillgodose framtida efterfrågan på flygresor – är buller, säger DeLong.
Idén bakom den nya designen, kallad en kontinuerlig nedstigning, är bedrägligt enkel. Standardlandningsproceduren är en stegliknande inflygning där plan växelvis sjunker och planar ut flera gånger över cirka 50 kilometer innan de når landningsbanan. Detta kräver inte bara att flygplan flyger på lägre höjd längre, där mer av deras buller filtreras ner till samhällen, utan det kräver också ytterligare kraft från motorerna för att hålla planet i nivå, vilket skapar ännu mer buller. Men Clarkes plan krävde att planet skulle stanna på högre höjd längre och sedan gå ner till flygplatsen utan att plana ut.
Teamet var tvunget att ta itu med ett antal utmaningar under utvecklingen av proceduren. Clarke var tvungen att se till att det avsevärt skulle minska bullret på marken, att det var säkert under olika väderförhållanden och att flygledare kunde hantera flera inkommande plan som flyger det nya mönstret. Du måste se till att ha alla olika mål och begränsningar i sikte samtidigt, säger Clarke. Du kan inte bara försöka optimera på ett ämne, eftersom du kommer att bryta mot ett annat.
Under det inledande designskedet använde Clarke ett bullersimuleringsprogram som han utvecklade för att hjälpa honom att bestämma vilken fysisk flygbana som skulle vara den tystaste. Programmet tillåter forskare att koppla in den exakta kursen de vill att ett flygplan ska flyga, tillsammans med de topografiska egenskaperna och befolkningstätheten i området det flyger över. Sedan beräknar programmet det buller som flygplanet skapar på marken och antalet personer som påverkas av det. Efter att Clarke utvärderat flera möjliga vägar använde han och forskare vid Boeing Commercial Airplanes en Boeing-simulator som inkluderar all cockpithårdvara och kontroller för en riktig 767 för att skapa en detaljerad steg-för-steg-pilotprocedur. Dessa simulatorsessioner verifierade också att planet kunde hantera proceduren under olika vindförhållanden.
Reality Check
Oavsett hur bra en procedur ser ut i en simulator, är ett test i verkligheten det enda sättet att se om det verkligen fungerar. Under åtta nätter i slutet av oktober och början av november 2002 övervakade Clarke, hans MIT-kollegor, Boeing- och NASA-forskarna, två piloter, en meteorolog från UPS och en flygledare från Louisvilles kontrolltorn nattliga flygningar med avseende på buller. Varje natt valde de två UPS-plan: ett för att flyga den traditionella landningsproceduren och det andra för att flyga kontinuerligt nedstigning. Fyra eller fem besättningar på väg mot Louisville fick informationspaket som beskrev proceduren innan de lyfte. När planen väl var i luften meddelades två besättningar att de hade blivit utvalda att delta. Vi valde ut piloterna slumpmässigt och sa i princip till dem, hej, ni kommer att göra den här proceduren ikväll, säger Clarke. Denna metod verifierade att UPS kunde implementera proceduren utan att behöva ge sina piloter särskild utbildning.
Sedan begav forskarna från Boeing, NASA och MIT ut till sju olika platser i Floyds Knobs som låg under flygbanan och tog med sig bullermätningsutrustning. Vi körde in på folks åkrar eller körde av vägen och satte upp mikrofoner, säger Clarke. Var han nervös för att proceduren kanske inte skulle minska bullret som planerat? Nä, säger Clarke med ett leende. Jag var nervös för att piloterna skulle flyga dem rätt.
Clarke behövde inte ha oroat sig; efter att teamet analyserat data från testerna fann de att den kontinuerliga nedstigningsmetoden minskade bullret från mellan 69 och 70 decibel till mellan 62 och 63 decibel. Det är en betydande mängd, med tanke på att en minskning av bullret på tre decibel är märkbar för den genomsnittliga personen, och en minskning på 10 decibel uppfattas som hälften så högt. Forskarna upptäckte också att flygplan som flög proceduren sparade cirka 225 kilo bränsle.
Även om testerna 2002 var en framgång, måste mer arbete göras för att bevisa att proceduren är praktisk i måttligt tung flygtrafik. När flera plan landar i snabb följd använder flygledare vanligtvis flygplanens hastighet när de planar ut för att uppskatta hur långt de är från banan och varandra. Men ett plan som använder den kontinuerliga nedstigningsmetoden flyger aldrig i nivå, och dess hastighet avtar kontinuerligt. Om många plan flyger denna inflygning är det svårt för flygledare att förutse hur nära de kommer att vara varandra när de närmar sig banan. Proceduren som Clarke utformade för testet 2002 försökte ta hänsyn till detta genom att hålla flygplanens hastigheter så konstanta som möjligt under den första nedstigningen, men den testades bara i lätt trafik.
I september kommer Clarke dock att testa proceduren i måttligt tung trafik. Han designar en inflygning som 20 UPS-plan kommer att flyga när de kommer till flygplatsen inom två minuter från varandra. Clarke hoppas att detta test kommer att bevisa att flygledare kan hantera landning med flera flygplan med den nya metoden. Om allt går bra kommer teamet att ansöka till FAA för godkännande av Louisville-procedurerna, en process som Clarke uppskattar kan ta mindre än ett år.
Tysta flygplan
Samtidigt tar Clarke med sig sin expertis till Cambridge-MIT Institutes multidisciplinära Silent Aircraft Initiative, som lanserades i höstas. Det treåriga initiativet samlar forskare från University of Cambridge och MIT, såväl som experter från industri- och regeringspartners, för att designa ett flygplan som är så tyst att dess buller skulle vara omärkligt utanför flygplatsen. Aeronautics and astronautics assistant professor Karen Willcox, SM '96, PhD '00, använder Clarkes brussimulator i sina utvärderingar av teamets experimentella design.
Medan de flesta av ingenjörerna i initiativet kommer att arbeta på det nya flygplanet, kommer Clarke att fokusera på att skapa en kontinuerlig nedstigning för befintliga kommersiella flygplan på Gatwick Airport i London. Teamet hoppas kunna genomföra ett flygtest 2005 och få proceduren implementerad på Gatwick 2006.
Clarkes arbete med den kontinuerliga nedstigningsstrategin kommer att hjälpa Silent Aircraft Initiative att hävda att dess arbete kommer att hjälpa Storbritanniens ekonomi - ett uppdrag som är gemensamt för alla CMI gemensamma forskningsprojekt ( se From Cambridge to Cambridge, MIT News, maj 2003 ). Tystare landningsprocedurer kan ha stora ekonomiska fördelar för flygplatser, flygbolag och samhällen. Till exempel kan flygplatser som har utegångsförbud för buller ha fler flygningar, vilket minskar trängsel och förseningar - problem som i slutändan leder till högre flygbolags driftskostnader och biljettpriser. På lång sikt kan tystare landningar hjälpa till att lindra samhällets oro över byggandet av nya landningsbanor. Ett dramatiskt tystare flygplan skulle avsevärt öka antalet flygningar som kan flyga in och ut från flygplatser över hela världen, men det kommer att ta årtionden att genomföra. Det tar 10 år att utveckla ett flygplan, och sedan ytterligare 15 år innan ett betydande antal av dem kommer in i flottan, säger flyg- och astronautikprofessorn Ian Waitz, som leder initiativets ekonomikomponent. Men de operationssaker som J-P Clarke är involverad i, de, ett eller två år på vägen, kan förändra saker och ting.
Faktum är att om Clarkes tillvägagångssätt godkänns för Louisville och Gatwick, kan invånarna i Floyds Knobs och London se fram emot att sova mycket bättre om bara ett par år.