211service.com
Aterrizaje silencioso
A la 1:00 am de una fría mañana de octubre de 2002, John-Paul Clarke '91, SM '92, ScD '97, estaba parado en un campo húmedo en Floyds Knobs, IN, escuchando a dos aviones de United Parcel Service rugir en Louisville. Aeropuerto Internacional. El primero vino volando con un patrón de aterrizaje escalonado tradicional en el que disminuyó gradualmente la altitud varias veces antes de llegar a la pista. Desde donde estaba Clarke, a unos 650 metros más abajo, el ruido era lo suficientemente fuerte como para despertar a los residentes de Floyds Knobs dormidos. El otro avión siguió 20 minutos más tarde volando un patrón experimental que el profesor asociado de aeronáutica y astronáutica había diseñado: permaneció a una altitud mayor por más tiempo antes de descender al aeropuerto, un procedimiento que empuja los límites tanto de los sistemas de gestión de vuelo a bordo como de los controladores de tráfico aéreo. . Incluso sin que los datos fueran registrados por el equipo de sonido a su lado, Clarke sabía que su procedimiento era significativamente más silencioso. Realmente se podía escuchar la diferencia, recuerda.
Clarke fue solo uno de los siete investigadores que monitorearon los niveles de ruido de las aeronaves en Floyds Knobs esa noche y varias otras. Cuando se analizaron todos los datos, se confirmó lo que había sospechado: el procedimiento de aterrizaje experimental redujo el ruido en el suelo entre tres y seis decibeles, más que suficiente para ser perceptible. Es más, los aviones que utilizaban el procedimiento de Clarke ahorraron combustible. Desde esas primeras pruebas, el equipo de Clarke, varios estudiantes graduados de aeroastro del MIT y alrededor de una docena de investigadores de Boeing, el Centro de Investigación Ames de la NASA y el Centro de Investigación Langley de la NASA, ha refinado su diseño para que los controladores de tráfico aéreo puedan administrar varios aviones que vuelan el procedimiento. en tráfico moderadamente pesado. Mientras tanto, Clarke está creando un procedimiento similar para el aeropuerto de Gatwick en Londres como parte de la iniciativa Silent Aircraft del Cambridge-MIT Institute. Si la Administración Federal de Aviación y los Servicios Nacionales de Tráfico Aéreo del Reino Unido aprueban los diseños de Clarke para Louisville y Gatwick, proporcionarán un alivio de ruido muy necesario para los residentes de Floyds Knobs y Londres, y abrirán el camino para otros aeropuertos interesados en diseñar enfoques silenciosos similares.
El desafío silencioso
Como un importante centro de clasificación de paquetes para UPS, Louisville tiene un problema de ruido particularmente difícil. En las primeras horas de la mañana, más de 90 aviones UPS aterrizan en el aeropuerto. Hacer frente al ruido que generan esos aviones ha sido caro; Desde 1991, la autoridad aeroportuaria ha trasladado a más de 1.600 familias a un costo de más de $ 180 millones. Aún así, el aeropuerto no puede permitirse el lujo de trasladar a todos los que alguna vez han sido despertados por los 767 entrantes. En 2000, James DeLong, entonces director general del aeropuerto, leyó uno de los documentos de Clarke sobre la viabilidad de aproximaciones de aterrizaje más silenciosas. Yo era piloto, y mientras leía [el artículo de Clarke], entendí lo que estaba tratando de lograr, recuerda DeLong, quien desde entonces se jubiló. No solo tenía un gran potencial de [reducción] del ruido, sino que tenía el potencial de ahorrar combustible, tenía el potencial de aumentar la capacidad de los aeropuertos, por lo que era beneficioso para todos, según entendí su concepto. Dos años después, invitó a Clarke a diseñar y probar un procedimiento de aterrizaje que pudiera ser utilizado por la flota existente de UPS.
Estuve en el negocio aeroportuario durante más de 30 años y llegué a la conclusión de que el problema más grave que enfrenta el sistema aeroportuario, en lo que representa una amenaza para la capacidad de adaptarse a la demanda futura de viajes aéreos, es el ruido, dice DeLong.
La idea detrás del nuevo diseño, llamado enfoque de descenso continuo, es engañosamente simple. El procedimiento de aterrizaje estándar es una aproximación escalonada en la que los aviones descienden y nivelan alternativamente varias veces durante unos 50 kilómetros antes de llegar a la pista. Esto no solo requiere que los aviones vuelen a menor altitud durante más tiempo, donde más de su ruido se filtra a las comunidades, sino que también requiere fuerza adicional de los motores para mantener el avión nivelado, lo que crea aún más ruido. Pero el plan de Clarke requería que el avión permaneciera a mayor altitud por más tiempo y luego descendiera al aeropuerto sin nivelarse.
El equipo tuvo que abordar una serie de desafíos mientras desarrollaba el procedimiento. Clarke tuvo que asegurarse de que reduciría significativamente el ruido en tierra, que era seguro en diferentes condiciones climáticas y que los controladores de tráfico aéreo podían manejar varios aviones entrantes que volaban con el nuevo patrón. Debe asegurarse de tener todos los diferentes objetivos y limitaciones a la vista al mismo tiempo, dice Clarke. No puede simplemente intentar optimizar en un tema, porque terminará violando otro.
Durante la etapa de diseño inicial, Clarke utilizó un programa de simulación de ruido que desarrolló para ayudarlo a decidir qué ruta de vuelo física sería la más silenciosa. El programa permite a los investigadores indicar el rumbo exacto que quieren que vuele un avión, junto con las características topográficas y la densidad de población del área sobre la que sobrevuela. Luego, el programa calcula el ruido que genera el avión en tierra y el número de personas afectadas por él. Después de que Clarke evaluó varios caminos posibles, él y los investigadores de Boeing Commercial Airplanes utilizaron un simulador de Boeing que incluye todo el hardware y los controles de la cabina de un 767 real para crear un procedimiento piloto detallado paso a paso. Estas sesiones de simulador también verificaron que el avión podría manejar el procedimiento bajo diferentes condiciones de viento.
Verificación de la realidad
No importa qué tan bien se vea un procedimiento en un simulador, sin embargo, una prueba del mundo real es la única forma de ver si realmente funciona. Durante ocho noches a fines de octubre y principios de noviembre de 2002, Clarke, sus colegas del MIT, los investigadores de Boeing y la NASA, dos pilotos, un meteorólogo de UPS y un controlador de tráfico aéreo de la torre de control de Louisville monitorearon los vuelos nocturnos en busca de ruido. Cada noche seleccionaron dos aviones UPS: uno para volar el procedimiento de aterrizaje tradicional y el otro para volar el enfoque de descenso continuo. Cuatro o cinco tripulaciones que se dirigían a Louisville recibieron paquetes informativos que describían el procedimiento antes de despegar. Una vez que los aviones despegaron, se notificó a dos tripulaciones que habían sido elegidos para participar. Escogimos a los pilotos al azar y básicamente les dijimos, oye, vas a hacer este procedimiento esta noche, dice Clarke. Este método verificó que UPS pudiera implementar el procedimiento sin tener que dar entrenamiento especial a sus pilotos.
Luego, los investigadores de Boeing, NASA y MIT se dirigieron a siete ubicaciones diferentes en Floyds Knobs que estaban debajo de la ruta de vuelo, trayendo consigo equipos de medición de ruido. Condujimos hacia los campos de la gente, o nos salimos de la carretera y configuramos micrófonos, dice Clarke. ¿Estaba nervioso de que el procedimiento no redujera el ruido como estaba planeado? No, dice Clarke con una sonrisa. Estaba nervioso de que los pilotos los volaran bien.
Clarke no tenía por qué preocuparse; Después de que el equipo analizó los datos de las pruebas, descubrió que el enfoque de descenso continuo redujo el ruido de entre 69 y 70 decibeles a entre 62 y 63 decibeles. Esa es una cantidad significativa, considerando que una reducción de tres decibelios en el ruido es perceptible para la persona promedio, y una reducción de 10 decibelios se percibe como la mitad de fuerte. Los investigadores también descubrieron que los aviones que realizaban el procedimiento ahorraban alrededor de 225 kilogramos de combustible.
Aunque las pruebas de 2002 fueron un éxito, es necesario trabajar más para demostrar que el procedimiento es práctico en un tráfico aéreo moderadamente intenso. Cuando varios aviones aterrizan en rápida sucesión, los controladores de tráfico aéreo suelen utilizar la velocidad de los aviones cuando se nivelan para aproximar qué tan lejos están de la pista y entre ellos. Sin embargo, un avión que utiliza la aproximación de descenso continuo nunca vuela nivelado y su velocidad se desacelera continuamente. Si muchos aviones vuelan con este enfoque, es difícil para los controladores de tráfico aéreo predecir qué tan cerca estarán unos de otros cuando se acerquen a la pista. El procedimiento que Clarke diseñó para la prueba de 2002 intentó dar cuenta de esto manteniendo las velocidades de los aviones lo más constantes posible durante el descenso inicial, pero solo se probó en tráfico ligero.
Este septiembre, sin embargo, Clarke probará el procedimiento en un tráfico moderadamente intenso. Él está diseñando un enfoque en el que 20 aviones de UPS volarán cuando lleguen al aeropuerto con dos minutos de diferencia entre sí. Clarke espera que esta prueba demuestre que los controladores de tráfico aéreo pueden gestionar el aterrizaje de varios aviones utilizando el nuevo enfoque. Si todo va bien, el equipo solicitará a la FAA la aprobación de los procedimientos de Louisville, un proceso que Clarke estima que podría llevar menos de un año.
Aviones silenciosos
Mientras tanto, Clarke está aportando su experiencia a la iniciativa multidisciplinaria Silent Aircraft del Cambridge-MIT Institute, que se lanzó el otoño pasado. La iniciativa de tres años reúne a investigadores de la Universidad de Cambridge y MIT, así como a expertos de socios industriales y gubernamentales, para diseñar un avión tan silencioso que su ruido fuera imperceptible fuera del aeropuerto. La profesora asistente de aeronáutica y astronáutica Karen Willcox, SM ‘96, PhD ‘00, está utilizando el simulador de ruido de Clarke en sus evaluaciones de los diseños experimentales del equipo.
Si bien la mayoría de los ingenieros de la iniciativa trabajarán en el nuevo avión, Clarke se centrará en crear un enfoque de descenso continuo para los aviones comerciales existentes en el aeropuerto de Gatwick en Londres. El equipo espera realizar una prueba de vuelo en 2005 e implementar el procedimiento en Gatwick en 2006.
El trabajo de Clarke en el enfoque de descenso continuo ayudará a la Iniciativa de Aeronaves Silenciosas a argumentar que su trabajo ayudará a la economía del Reino Unido, una misión común a todos los proyectos de investigación conjunta de CMI ( ver From Cambridge to Cambridge, MIT News, mayo de 2003 ). Los procedimientos de aterrizaje más silenciosos podrían tener amplios beneficios económicos para los aeropuertos, las aerolíneas y las comunidades. Por ejemplo, los aeropuertos que tienen toques de queda por ruido podrían operar más vuelos, reduciendo así la congestión y los retrasos, problemas que en última instancia conducen a mayores costos operativos de las aerolíneas y precios de los boletos. A largo plazo, los aterrizajes más tranquilos podrían ayudar a aliviar las preocupaciones de la comunidad sobre la construcción de nuevas pistas. Un avión dramáticamente más silencioso aumentaría significativamente la cantidad de vuelos que pueden entrar y salir de los aeropuertos de todo el mundo, pero llevará décadas lograrlo. Se necesitan 10 años para desarrollar un avión, y luego otros 15 años antes de que un número significativo de ellos ingrese a la flota, dice el profesor de aeronáutica y astronáutica Ian Waitz, quien lidera el componente económico de la iniciativa. Pero las cosas operativas en las que J-P Clarke está involucrado, esas, dentro de uno o dos años, pueden cambiar las cosas.
De hecho, si se aprueba el enfoque de Clarke para Louisville y Gatwick, los residentes de Floyds Knobs y Londres pueden esperar dormir mucho más profundamente en solo un par de años.