211service.com
Stille Landing
Klokken 01.00 en kold oktobermorgen i 2002 stod John-Paul Clarke '91, SM '92, ScD '97, i en fugtig mark i Floyds Knobs, IN og lyttede efter, at to United Parcel Service-jetfly brølede ind i Louisville International lufthavn. Den første kom i flyvning med et traditionelt trappelandingsmønster, hvor det gradvist faldt i højden flere gange, før det nåede landingsbanen. Fra hvor Clarke stod, omkring 650 meter under, var støjen høj nok til at vække slumrende Floyds Knobs-beboere. Det andet fly fulgte 20 minutter senere og fløj i et eksperimentelt mønster, som lektor i aeronautik og astronautik havde designet: det forblev i en højere højde længere, før det gik ned i lufthavnen, en procedure, der skubber grænserne for både flyvestyringssystemer ombord og flyveledere . Selv uden at dataene blev optaget af lydudstyret ved siden af ham, vidste Clarke, at hans procedure var betydeligt mere støjsvag. Man kunne virkelig høre forskel, husker han.
Clarke var blot en af syv forskere, der overvågede flystøjniveauer i Floyds Knobs den aften og flere andre. Da alle data blev analyseret, bekræftede det, hvad han havde mistænkt: Den eksperimentelle landingsprocedure skar støj på jorden mellem tre og seks decibel, mere end nok til at være mærkbar. Desuden sparede fly, der fløj Clarkes procedure, brændstof. Siden de første tests har Clarkes team - adskillige MIT aero-astro kandidatstuderende og omkring et dusin forskere fra Boeing, NASA Ames Research Center og NASA Langley Research Center - forfinet sit design, så flyveledere kan styre flere fly, der flyver proceduren i moderat tæt trafik. I mellemtiden er Clarke ved at skabe en lignende procedure for Gatwick Lufthavn i London som en del af Cambridge-MIT Institutes Silent Aircraft Initiative. Hvis Federal Aviation Administration og UK's National Air Traffic Services godkender Clarkes design for Louisville og Gatwick, vil de give tiltrængt støjaflastning for indbyggerne i Floyds Knobs og London og vil bane vejen for andre lufthavne, der er interesserede i at designe lignende stille tilgange.
Den stille udfordring
Som en stor pakkesorteringshub for UPS har Louisville et særligt vanskeligt støjproblem. I de små timer hver morgen lander mere end 90 UPS-jetfly i lufthavnen. Det har været dyrt at kæmpe med den støj, som disse fly genererer; siden 1991 har lufthavnsmyndigheden flyttet mere end 1.600 familier til en pris af mere end $180 millioner. Alligevel har lufthavnen ikke råd til at flytte alle, der nogensinde er blevet vækket af indkommende 767'ere. I 2000 læste James DeLong, dengang lufthavnens general manager, en af Clarkes papirer om gennemførligheden af roligere landing. Jeg var pilot, og da jeg læste [Clarkes papir] igennem, forstod jeg, hvad han forsøgte at opnå, husker DeLong, som siden er gået på pension. Det havde ikke kun et stort potentiale for støj [reduktion], men det havde potentiale til at spare brændstof, det havde potentiale til at øge kapaciteten i lufthavne, så det var en win-win, som jeg forstod hans koncept. To år senere inviterede han Clarke til at designe og teste en sådan landingsprocedure, som kunne bruges af UPS’ eksisterende flåde.
Jeg [var] i lufthavnsbranchen i over 30 år og konkluderede, at det mest alvorlige enkeltproblem, som lufthavnssystemet står over for - hvad der repræsenterer en trussel mod evnen til at imødekomme fremtidig efterspørgsel efter flyrejser - er støj, siger DeLong.
Idéen bag det nye design, kaldet en kontinuerlig nedstigningstilgang, er vildledende enkel. Standardlandingsproceduren er en trinlignende tilgang, hvor fly skiftevis stiger ned og udjævnes flere gange over omkring 50 kilometer, før de når landingsbanen. Det kræver ikke kun, at fly flyver i lavere højde længere, hvor mere af deres støj filtrerer ned til lokalsamfund, men det kræver også yderligere kraft fra motorerne for at holde flyet i niveau, hvilket skaber endnu mere støj. Men Clarkes plan krævede, at flyet skulle blive i en højere højde længere, og derefter gå ned i lufthavnen uden at udjævne.
Teamet skulle tackle en række udfordringer, mens de udviklede proceduren. Clarke skulle sikre sig, at det ville reducere støjen på jorden betydeligt, at det var sikkert under forskellige vejrforhold, og at flyveledere kunne håndtere flere indkommende fly, der flyver det nye mønster. Du skal sørge for at holde alle de forskellige mål og begrænsninger for øje på samme tid, siger Clarke. Du kan ikke bare prøve at optimere på ét emne, for du vil ende med at krænke et andet.
Under den indledende designfase brugte Clarke et støjsimuleringsprogram, han udviklede, for at hjælpe ham med at beslutte, hvilken fysisk flyvevej der ville være den mest støjsvage. Programmet giver forskere mulighed for at tilslutte den nøjagtige kurs, de vil have et fly til at flyve, sammen med de topografiske karakteristika og befolkningstætheden i det område, det flyver over. Derefter beregner programmet den støj, flyet skaber på jorden, og antallet af mennesker, der påvirkes af det. Efter at Clarke havde vurderet flere mulige veje, brugte han og forskere hos Boeing Commercial Airplanes en Boeing-simulator, der inkluderer al cockpit-hardware og -styring af en rigtig 767 til at skabe en detaljeret trin-for-trin pilotprocedure. Disse simulator-sessioner bekræftede også, at flyet kunne håndtere proceduren under forskellige vindforhold.
Virkelighedstjek
Uanset hvor godt en procedure ser ud i en simulator, er en test i den virkelige verden den eneste måde at se, om den virkelig virker. I otte nætter i slutningen af oktober og begyndelsen af november 2002 overvågede Clarke, hans MIT-kolleger, Boeing- og NASA-forskerne, to piloter, en meteorolog fra UPS og en flyveleder fra kontroltårnet i Louisville natlige flyvninger for støj. Hver nat valgte de to UPS-fly: et til at flyve den traditionelle landingsprocedure og det andet til at flyve den kontinuerlige nedstigningsindflyvning. Fire eller fem besætninger på vej mod Louisville fik briefingpakker, der beskrev proceduren, før de lettede. Da flyene var i luften, fik to besætninger besked om, at de var blevet udvalgt til at deltage. Vi valgte piloterne tilfældigt og fortalte dem dybest set, hej, du skal lave denne procedure i aften, siger Clarke. Denne metode bekræftede, at UPS kunne implementere proceduren uden at skulle give sine piloter særlig træning.
Derefter tog Boeing-, NASA- og MIT-forskerne ud til syv forskellige steder i Floyds Knobs, der var under flyvestien, og medbragte støjmåleudstyr. Vi kørte ind på folks marker eller holdt op af vejen og satte mikrofoner op, siger Clarke. Var han nervøs for, at proceduren måske ikke reducerede støjen som planlagt? Næh, siger Clarke med et smil. Jeg var nervøs for, at piloterne ville flyve dem rigtigt.
Clarke behøvede ikke at have bekymret sig; efter at holdet analyserede dataene fra testene, fandt det ud af, at tilgangen med kontinuerlig nedstigning reducerede støjen fra mellem 69 og 70 decibel til mellem 62 og 63 decibel. Det er et betydeligt beløb i betragtning af, at en reduktion af støj på tre decibel er mærkbar for den gennemsnitlige person, og en reduktion på 10 decibel opfattes som halvt så høj. Forskerne opdagede også, at flyvemaskiner, der fløj med proceduren, sparede omkring 225 kg brændstof.
Selvom testene i 2002 var en succes, skal der arbejdes mere for at bevise, at proceduren er praktisk i moderat tung lufttrafik. Når flere fly lander hurtigt efter hinanden, bruger flyveledere typisk flyenes hastighed, når de udjævner sig til at anslå, hvor langt de er fra landingsbanen og hinanden. Et fly, der bruger den kontinuerlige nedstigningstilgang, flyver dog aldrig i vater, og dets hastighed aftager konstant. Hvis mange fly flyver denne tilgang, er det svært for flyveledere at forudsige, hvor tæt de vil være på hinanden, når de nærmer sig landingsbanen. Proceduren Clarke designet til 2002-testen forsøgte at tage højde for dette ved at holde flyenes hastigheder så konstante som muligt under den indledende nedstigning, men den blev kun testet i let trafik.
Til september vil Clarke dog teste proceduren i moderat tæt trafik. Han designer en tilgang, som 20 UPS-fly vil flyve, når de kommer ind i lufthavnen inden for to minutter efter hinanden. Clarke håber, at denne test vil bevise, at flyveledere kan klare landing af flere fly ved hjælp af den nye tilgang. Hvis alt går vel, vil holdet derefter ansøge FAA om godkendelse af Louisville-procedurerne, en proces, som Clarke vurderer, kan tage mindre end et år.
Tavse flyvemaskiner
I mellemtiden bringer Clarke sin ekspertise til Cambridge-MIT Institutes multidisciplinære Silent Aircraft Initiative, som blev lanceret sidste efterår. Det treårige initiativ samler forskere fra University of Cambridge og MIT, samt eksperter fra industri- og regeringspartnere, for at designe et fly, der er så støjsvagt, at dets støj ville være umærkeligt uden for lufthavnen. Aeronautik- og astronautikassistentprofessor Karen Willcox, SM '96, PhD '00, bruger Clarkes støjsimulator i sine evalueringer af holdets eksperimentelle design.
Mens de fleste af ingeniørerne i initiativet vil arbejde på det nye fly, vil Clarke fokusere på at skabe en kontinuerlig nedstigningstilgang til eksisterende kommercielle fly i Gatwick-lufthavnen i London. Holdet håber at gennemføre en flyvetest i 2005 og få proceduren implementeret på Gatwick i 2006.
Clarkes arbejde med den kontinuerlige nedstigningstilgang vil hjælpe Silent Aircraft Initiative med at argumentere for, at dets arbejde vil hjælpe Storbritanniens økonomi - en fælles mission for alle CMI fælles forskningsprojekter ( se From Cambridge to Cambridge, MIT News, maj 2003 ). Støjsvage landingsprocedurer kan have brede økonomiske fordele for lufthavne, flyselskaber og lokalsamfund. For eksempel kunne lufthavne, der har støjudgangsforbud, flyve flere flyvninger og dermed skære ned på trængsel og forsinkelser-problemer, der i sidste ende fører til højere driftsomkostninger for flyselskaber og billetpriser. På lang sigt kan mere støjsvage landinger hjælpe med at afhjælpe samfundets bekymringer over konstruktionen af nye landingsbaner. Et dramatisk mere støjsvage fly ville øge antallet af flyvninger, der kan flyve ind og ud af lufthavne på verdensplan, markant, men det vil tage årtier at gennemføre. Det tager 10 år at udvikle et fly, og derefter yderligere 15 år, før et betydeligt antal af dem kommer ind i flåden, siger professor i luftfart og astronautik Ian Waitz, der leder den økonomiske komponent af initiativet. Men de operationsting, som J-P Clarke er involveret i, dem, et år eller to nede ad vejen, kan ændre tingene.
Faktisk, hvis Clarkes tilgang bliver godkendt for Louisville og Gatwick, kan beboerne i Floyds Knobs og London se frem til at sove meget mere trygt om blot et par år.