Ruhige Landung

Um 1:00 Uhr morgens an einem kalten Oktobermorgen im Jahr 2002 stand John-Paul Clarke '91, SM '92, ScD '97 in einem feuchten Feld in Floyds Knobs, IN, und lauschte darauf, dass zwei United Parcel Service-Jets nach Louisville brüllten Internationaler Flughafen. Die erste war das Fliegen eines traditionellen abgestuften Landemusters, bei dem die Höhe mehrmals schrittweise verringert wurde, bevor sie die Landebahn erreichte. Von dort, wo Clarke etwa 650 Meter tiefer stand, war der Lärm laut genug, um die schlummernden Bewohner von Floyds Knobs zu wecken. Das andere Flugzeug folgte 20 Minuten später einem experimentellen Muster, das der außerordentliche Professor für Luft- und Raumfahrt entwickelt hatte: Es blieb länger in einer höheren Höhe, bevor es auf den Flughafen landete, ein Verfahren, das sowohl die Grenzen der Flugmanagementsysteme an Bord als auch der Fluglotsen ausreizt. . Auch ohne die Aufzeichnung der Daten durch die Tonanlage neben ihm, wusste Clarke, dass sein Verfahren deutlich leiser war. Man konnte wirklich einen Unterschied hören, erinnert er sich.

Clarke war nur einer von sieben Forschern, die in dieser Nacht und mehreren anderen den Fluglärmpegel in Floyds Knobs überwachten. Als alle Daten analysiert waren, bestätigte sich, was er vermutet hatte: Der experimentelle Landevorgang reduzierte den Lärm am Boden zwischen drei und sechs Dezibel, mehr als genug, um wahrnehmbar zu sein. Darüber hinaus sparten Flugzeuge, die das Verfahren von Clarke nutzten, Treibstoff. Seit diesen ersten Tests hat Clarkes Team – mehrere MIT-Aero-Astro-Absolventen und etwa ein Dutzend Forscher von Boeing, dem NASA Ames Research Center und dem NASA Langley Research Center – sein Design so verfeinert, dass Fluglotsen mehrere Flugzeuge verwalten können, die das Verfahren fliegen bei mäßig starkem Verkehr. Im Rahmen der Silent Aircraft Initiative des Cambridge-MIT Institute erstellt Clarke unterdessen ein ähnliches Verfahren für den Flughafen Gatwick in London. Wenn die Federal Aviation Administration und die britischen National Air Traffic Services Clarkes Entwürfe für Louisville und Gatwick genehmigen, werden sie den Bewohnern von Floyds Knobs und London die dringend benötigte Lärmminderung bieten und den Weg für andere Flughäfen ebnen, die an der Gestaltung interessiert sind ähnlich leise Ansätze.

Die stille Herausforderung



Als wichtiges Paketsortierzentrum für UPS hat Louisville ein besonders schwieriges Lärmproblem. In den frühen Morgenstunden landen mehr als 90 UPS-Jets auf dem Flughafen. Der Kampf gegen den Lärm, den diese Flugzeuge erzeugen, war teuer; seit 1991 hat die Flughafenbehörde mehr als 1.600 Familien mit Kosten von mehr als 180 Millionen US-Dollar umgezogen. Trotzdem kann es sich der Flughafen nicht leisten, alle zu verlegen, die jemals von ankommenden 767ern geweckt wurden. Im Jahr 2000 las James DeLong, damals General Manager des Flughafens, einen von Clarkes Papieren über die Machbarkeit leiserer Landeanflüge. Ich war Pilot, und als ich [Clarkes Zeitung] durchlas, verstand ich, was er erreichen wollte, erinnert sich DeLong, der inzwischen im Ruhestand ist. Es hatte nicht nur ein großes Potenzial zur Lärmreduzierung, sondern es hatte auch das Potenzial, Treibstoff zu sparen, es hatte das Potenzial, die Kapazität von Flughäfen zu erhöhen, also war es eine Win-Win-Situation, wie ich sein Konzept verstand. Zwei Jahre später lud er Clarke ein, ein solches Landeverfahren zu entwickeln und zu testen, das von der bestehenden UPS-Flotte verwendet werden könnte.

Ich [war] über 30 Jahre im Flughafengeschäft und kam zu dem Schluss, dass das größte Einzelproblem des Flughafensystems – was eine Bedrohung für die Fähigkeit zur Befriedigung der zukünftigen Nachfrage nach Flugreisen darstellt – der Lärm ist, sagt DeLong.

Wie weit ist der nächste bewohnbare Planet entfernt?

Die Idee hinter dem neuen Design, das als Continuous-Descent-Ansatz bezeichnet wird, ist täuschend einfach. Das Standardlandeverfahren ist ein stufenartiger Anflug, bei dem Flugzeuge auf rund 50 Kilometern mehrmals abwechselnd sinken und einflachen, bevor sie die Landebahn erreichen. Dies erfordert nicht nur, dass Flugzeuge länger in niedrigerer Höhe fliegen, wo mehr von ihrem Lärm auf die Gemeinden heruntergefiltert wird, sondern es erfordert auch zusätzliche Kraft von den Triebwerken, um das Flugzeug waagerecht zu halten, was noch mehr Lärm erzeugt. Aber Clarkes Plan sah vor, dass das Flugzeug länger in größerer Höhe bleiben und dann in den Flughafen sinken sollte, ohne abzuflachen.

Bei der Entwicklung des Verfahrens musste sich das Team einer Reihe von Herausforderungen stellen. Clarke musste sicherstellen, dass es den Lärm am Boden deutlich reduziert, dass es bei unterschiedlichen Wetterbedingungen sicher ist und die Fluglotsen mit mehreren ankommenden Flugzeugen umgehen können, die das neue Muster fliegen. Sie müssen sicherstellen, dass Sie alle unterschiedlichen Ziele und Einschränkungen gleichzeitig im Blick haben, sagt Clarke. Sie können nicht nur versuchen, ein Thema zu optimieren, da Sie am Ende ein anderes verletzen.

Während der anfänglichen Entwurfsphase verwendete Clarke ein von ihm entwickeltes Lärmsimulationsprogramm, um zu entscheiden, welche physikalische Flugbahn am leisesten wäre. Das Programm ermöglicht es Forschern, den genauen Kurs, den ein Flugzeug fliegen soll, zusammen mit den topografischen Eigenschaften und der Bevölkerungsdichte des Gebiets, über das es fliegt, einzugeben. Dann berechnet das Programm den Lärm, den das Flugzeug am Boden verursacht, und die Anzahl der davon betroffenen Personen. Nachdem Clarke mehrere mögliche Wege evaluiert hatte, verwendeten er und die Forscher von Boeing Commercial Airplanes einen Boeing-Simulator, der die gesamte Cockpit-Hardware und Steuerung einer echten 767 enthält, um ein detailliertes schrittweises Pilotverfahren zu erstellen. Diese Simulatorsitzungen bestätigten auch, dass das Flugzeug das Verfahren unter verschiedenen Windbedingungen bewältigen konnte.

Reality-Check

Egal wie gut ein Verfahren in einem Simulator aussieht, aber ein realer Test ist der einzige Weg, um zu sehen, ob es wirklich funktioniert. Ende Oktober und Anfang November 2002 überwachten Clarke, seine MIT-Kollegen, die Boeing- und NASA-Forscher, zwei Piloten, ein Meteorologe von UPS und ein Fluglotse vom Kontrollturm von Louisville acht Nächte lang die nächtlichen Flüge auf Lärm. Jede Nacht wählten sie zwei UPS-Flugzeuge aus: eines für das traditionelle Landeverfahren und das andere für den kontinuierlichen Sinkflug. Vier oder fünf Besatzungen auf dem Weg nach Louisville erhielten vor dem Abheben Informationspakete, in denen das Verfahren beschrieben wurde. Sobald die Flugzeuge in der Luft waren, wurden zwei Besatzungen benachrichtigt, dass sie für die Teilnahme ausgewählt wurden. Wir haben die Piloten nach dem Zufallsprinzip ausgewählt und ihnen im Grunde gesagt, hey, du wirst diese Prozedur heute Abend machen, sagt Clarke. Diese Methode bestätigte, dass UPS das Verfahren implementieren konnte, ohne seinen Piloten eine spezielle Ausbildung geben zu müssen.

Dann machten sich die Forscher von Boeing, NASA und MIT zu sieben verschiedenen Orten in Floyds Knobs auf, die sich unter der Flugbahn befanden, und brachten Geräuschmessgeräte mit. Wir fuhren in die Felder der Leute oder hielten von der Straße ab und stellten Mikrofone auf, sagt Clarke. War er nervös, dass das Verfahren den Lärm möglicherweise nicht wie geplant reduziert? Nein, sagt Clarke mit einem Lächeln. Ich war nervös, dass die Piloten sie richtig fliegen würden.

Clarke hätte sich keine Sorgen machen müssen; Nachdem das Team die Daten aus den Tests analysiert hatte, stellte es fest, dass der kontinuierliche Abstiegsansatz den Lärm von 69 bis 70 Dezibel auf 62 bis 63 Dezibel reduzierte. Das ist ein beachtlicher Betrag, wenn man bedenkt, dass eine Reduzierung des Lärms um drei Dezibel für den Durchschnittsmenschen wahrnehmbar ist und eine Reduzierung um 10 Dezibel als halb so laut empfunden wird. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass Flugzeuge, die das Verfahren durchführten, etwa 225 Kilogramm Treibstoff einsparen.

das nächste Tik-Tok

Obwohl die Tests im Jahr 2002 erfolgreich waren, muss die Praxistauglichkeit des Verfahrens im mäßig starken Flugverkehr noch weiter nachgewiesen werden. Wenn mehrere Flugzeuge kurz hintereinander landen, verwenden Fluglotsen normalerweise die Geschwindigkeit der Flugzeuge, wenn sie sich nivellieren, um abzuschätzen, wie weit sie von der Landebahn und voneinander entfernt sind. Ein Flugzeug, das den kontinuierlichen Sinkflug verwendet, fliegt jedoch nie waagerecht und seine Geschwindigkeit verlangsamt sich kontinuierlich. Wenn viele Flugzeuge diesen Anflug fliegen, ist es für die Fluglotsen schwierig vorherzusagen, wie nahe sie sich beim Anflug auf die Landebahn befinden werden. Das von Clarke für den Test 2002 entwickelte Verfahren versuchte dies zu berücksichtigen, indem es die Geschwindigkeiten der Flugzeuge während des anfänglichen Sinkflugs möglichst konstant hielt, es wurde jedoch nur im leichten Verkehr getestet.

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Im September dieses Jahres wird Clarke das Verfahren jedoch bei mäßig starkem Verkehr testen. Er entwirft einen Ansatz, bei dem 20 UPS-Flugzeuge fliegen, wenn sie innerhalb von zwei Minuten den Flughafen erreichen. Clarke hofft, dass dieser Test beweisen wird, dass Fluglotsen die Landung mehrerer Flugzeuge mit dem neuen Ansatz bewältigen können. Wenn alles gut geht, wird das Team dann bei der FAA die Genehmigung des Louisville-Verfahrens beantragen, ein Prozess, der laut Clarke weniger als ein Jahr dauern könnte.

Lautlose Flugzeuge

Inzwischen bringt Clarke seine Expertise in die multidisziplinäre Silent Aircraft Initiative des Cambridge-MIT Institute ein, die im vergangenen Herbst ins Leben gerufen wurde. Die dreijährige Initiative bringt Forscher der Universität Cambridge und des MIT sowie Experten aus Industrie- und Regierungspartnern zusammen, um ein Flugzeug so leise zu konstruieren, dass sein Lärm außerhalb des Flughafens nicht wahrnehmbar wäre. Karen Willcox, Assistenzprofessorin für Luft- und Raumfahrt, SM '96, PhD '00, verwendet Clarkes Geräuschsimulator bei ihren Bewertungen der experimentellen Designs des Teams.

Während die meisten Ingenieure der Initiative an dem neuen Flugzeug arbeiten, wird sich Clarke auf die Entwicklung eines kontinuierlichen Sinkflugs für bestehende Verkehrsflugzeuge am Flughafen Gatwick in London konzentrieren. Das Team hofft, 2005 einen Flugtest durchführen zu können und das Verfahren 2006 in Gatwick implementieren zu lassen.

Clarkes Arbeit am Continuous-Descent-Ansatz wird der Silent Aircraft Initiative helfen, dafür zu sorgen, dass ihre Arbeit der britischen Wirtschaft helfen wird – eine Mission, die allen gemeinsamen Forschungsprojekten des CMI gemeinsam ist ( siehe From Cambridge to Cambridge, MIT News, Mai 2003 ). Ruhigere Landeverfahren könnten für Flughäfen, Fluggesellschaften und Gemeinden weitreichende wirtschaftliche Vorteile haben. Beispielsweise könnten Flughäfen, die über eine Lärmsperre verfügen, mehr Flüge durchführen und so Staus und Verspätungen reduzieren – Probleme, die letztendlich zu höheren Betriebskosten und Ticketpreisen der Fluggesellschaften führen. Langfristig könnten leisere Landungen dazu beitragen, die Bedenken der Bevölkerung hinsichtlich des Baus neuer Start- und Landebahnen zu mildern. Ein dramatisch leiseres Flugzeug würde die Zahl der Flüge, die weltweit an- und abfliegen können, erheblich erhöhen, aber es wird Jahrzehnte dauern, bis es Früchte trägt. Es dauert 10 Jahre, ein Flugzeug zu entwickeln, und dann weitere 15 Jahre, bis eine beträchtliche Anzahl von ihnen in die Flotte aufgenommen wird, sagt Ian Waitz, Professor für Luft- und Raumfahrt, der die Wirtschaftskomponente der Initiative leitet. Aber die Operationen, an denen J-P Clarke beteiligt ist, die ein oder zwei Jahre später die Dinge ändern können.

Wenn Clarkes Ansatz für Louisville und Gatwick genehmigt wird, können sich die Bewohner von Floyds Knobs und London darauf freuen, in nur ein paar Jahren viel besser zu schlafen.

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