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Atterraggio tranquillo
All'una di notte di una fredda mattina di ottobre del 2002, John-Paul Clarke '91, SM '92, ScD '97, si trovava in un campo umido a Floyds Knobs, IN, ad ascoltare due jet della United Parcel Service che ruggivano verso Louisville Aeroporto internazionale. Il primo è arrivato volando su un tradizionale schema di atterraggio a gradini in cui è diminuito in modo incrementale l'altitudine diverse volte prima di raggiungere la pista. Dal punto in cui si trovava Clarke, a circa 650 metri più in basso, il rumore era abbastanza forte da svegliare i dormienti residenti dei Floyds Knobs. L'altro aereo è seguito 20 minuti dopo volando su un modello sperimentale progettato dal professore associato di aeronautica e astronautica: è rimasto a un'altitudine più elevata prima di scendere in aeroporto, una procedura che spinge i limiti sia dei sistemi di gestione del volo di bordo che dei controllori del traffico aereo . Anche senza che i dati fossero registrati dall'apparecchiatura audio accanto a lui, Clarke sapeva che la sua procedura era significativamente più silenziosa. Si sentiva davvero la differenza, ricorda.
Clarke era solo uno dei sette ricercatori che monitoravano i livelli di rumore degli aerei a Floyds Knobs quella notte e molti altri. Quando tutti i dati sono stati analizzati, hanno confermato ciò che aveva sospettato: la procedura di atterraggio sperimentale ha ridotto il rumore a terra tra tre e sei decibel, più che sufficienti per essere evidente. Inoltre, gli aerei che volavano secondo la procedura di Clarke risparmiavano carburante. Da quei primi test, il team di Clarke - diversi studenti laureati in aero-astrologia del MIT e una dozzina di ricercatori di Boeing, NASA Ames Research Center e NASA Langley Research Center - ha perfezionato il suo design in modo che i controllori del traffico aereo possano gestire più aerei che volano la procedura in traffico moderatamente intenso. Nel frattempo, Clarke sta creando una procedura simile per l'aeroporto di Gatwick a Londra come parte della Silent Aircraft Initiative del Cambridge-MIT Institute. Se la Federal Aviation Administration e i National Air Traffic Services del Regno Unito approvano i progetti di Clarke per Louisville e Gatwick, forniranno la necessaria riduzione del rumore per i residenti di Floyds Knobs e Londra e apriranno la strada ad altri aeroporti interessati alla progettazione simili approcci silenziosi.
La tranquilla sfida
Essendo uno dei principali centri di smistamento pacchi per UPS, Louisville ha un problema di rumore particolarmente difficile. Nelle prime ore del mattino, più di 90 jet UPS atterrano all'aeroporto. Combattere con il rumore generato da quegli aerei è stato costoso; dal 1991 l'autorità aeroportuale ha trasferito più di 1.600 famiglie per un costo di oltre 180 milioni di dollari. Tuttavia, l'aeroporto non può permettersi di spostare tutti coloro che sono mai stati svegliati dai 767 in arrivo. Nel 2000, James DeLong, allora direttore generale dell'aeroporto, lesse uno dei documenti di Clarke sulla fattibilità di approcci di atterraggio più silenziosi. Ero un pilota e mentre leggevo [l'articolo di Clarke], ho capito cosa stava cercando di ottenere, ricorda DeLong, che da allora è andato in pensione. Non solo aveva un grande potenziale per la [riduzione] del rumore, ma aveva anche il potenziale per risparmiare carburante, aveva il potenziale per aumentare la capacità degli aeroporti, quindi era un vantaggio per tutti, come ho capito il suo concetto. Due anni dopo, invitò Clarke a progettare e testare una tale procedura di atterraggio che potesse essere utilizzata dalla flotta esistente di UPS.
Sono stato nel settore aeroportuale per oltre 30 anni e ho concluso che il problema più grave che deve affrontare il sistema aeroportuale, in ciò che rappresenta una minaccia alla capacità di soddisfare la futura domanda di viaggi aerei, è il rumore, afferma DeLong.
L'idea alla base del nuovo design, chiamato approccio a discesa continua, è apparentemente semplice. La procedura di atterraggio standard è un approccio a gradini in cui gli aerei scendono e si stabilizzano alternativamente più volte per circa 50 chilometri prima di raggiungere la pista. Ciò non solo richiede che gli aerei volino a un'altitudine inferiore più a lungo, dove una parte maggiore del loro rumore filtra fino alle comunità, ma richiede anche una forza aggiuntiva dai motori per mantenere il livello dell'aereo, il che crea ancora più rumore. Ma il piano di Clarke prevedeva che l'aereo rimanesse più a lungo a un'altitudine più elevata e poi scendesse in aeroporto senza stabilizzarsi.
Il team ha dovuto affrontare una serie di sfide durante lo sviluppo della procedura. Clarke ha dovuto assicurarsi che avrebbe ridotto significativamente il rumore a terra, che fosse sicuro in diverse condizioni meteorologiche e che i controllori del traffico aereo potessero gestire più aerei in arrivo che volavano secondo il nuovo schema. Devi assicurarti di mantenere tutti i diversi obiettivi e vincoli in vista allo stesso tempo, dice Clarke. Non puoi semplicemente cercare di ottimizzare su un argomento, perché finirai per violarne un altro.
Durante la fase di progettazione iniziale, Clarke ha utilizzato un programma di simulazione del rumore che ha sviluppato per aiutarlo a decidere quale traiettoria di volo fisica sarebbe stata la più silenziosa. Il programma consente ai ricercatori di collegare l'esatta rotta in cui vogliono che un aereo voli, insieme alle caratteristiche topografiche e alla densità di popolazione dell'area su cui sta sorvolando. Quindi il programma calcola il rumore che l'aereo crea a terra e il numero di persone colpite. Dopo che Clarke ha valutato diversi possibili percorsi, lui e i ricercatori della Boeing Commercial Airplanes hanno utilizzato un simulatore Boeing che include tutto l'hardware della cabina di pilotaggio e i controlli di un vero 767 per creare una procedura pilota dettagliata passo dopo passo. Queste sessioni al simulatore hanno anche verificato che l'aereo potesse gestire la procedura in diverse condizioni di vento.
Controllo di realtà
Non importa quanto sia buona una procedura in un simulatore, tuttavia, un test nel mondo reale è l'unico modo per vedere se funziona davvero. Per otto notti tra la fine di ottobre e l'inizio di novembre 2002, Clarke, i suoi colleghi del MIT, i ricercatori della Boeing e della NASA, due piloti, un meteorologo dell'UPS e un controllore del traffico aereo della torre di controllo di Louisville hanno monitorato i voli notturni per il rumore. Ogni notte hanno selezionato due aerei UPS: uno per eseguire la procedura di atterraggio tradizionale e l'altro per eseguire l'approccio a discesa continua. Quattro o cinque equipaggi diretti a Louisville ricevettero dei pacchetti informativi che descrivevano la procedura prima del decollo. Una volta che gli aerei erano in volo, a due equipaggi è stato comunicato che erano stati scelti per partecipare. Abbiamo scelto i piloti a caso e in pratica abbiamo detto loro, ehi, farai questa procedura stasera, dice Clarke. Questo metodo ha verificato che UPS potesse implementare la procedura senza dover fornire ai suoi piloti una formazione specifica.
Quindi i ricercatori della Boeing, della NASA e del MIT si sono diretti in sette diverse località di Floyds Knobs che si trovavano sotto la traiettoria di volo, portando con sé apparecchiature per la misurazione del rumore. Siamo entrati nei campi della gente, o ci siamo fermati fuori strada e abbiamo installato i microfoni, dice Clarke. Era nervoso che la procedura potesse non ridurre il rumore come previsto? No, dice Clarke con un sorriso. Ero nervoso che i piloti li pilotassero bene.
Clarke non doveva preoccuparsi; dopo che il team ha analizzato i dati dei test, ha scoperto che l'approccio a discesa continua ha ridotto il rumore da 69 a 70 decibel a 62-63 decibel. È una quantità significativa, considerando che una riduzione del rumore di tre decibel è evidente per la persona media e una riduzione di 10 decibel è percepita come la metà. I ricercatori hanno anche scoperto che gli aeroplani che effettuano la procedura hanno risparmiato circa 225 chilogrammi di carburante.
Sebbene i test del 2002 siano stati un successo, è necessario lavorare ancora per dimostrare che la procedura è pratica nel traffico aereo moderatamente pesante. Quando più aerei atterrano in rapida successione, i controllori del traffico aereo in genere utilizzano la velocità degli aerei quando si stabilizzano per approssimare la distanza tra loro e la pista. Tuttavia, un aereo che utilizza l'approccio in discesa continua non vola mai livellato e la sua velocità decelera continuamente. Se molti aerei volano in questo modo, è difficile per i controllori del traffico aereo prevedere quanto saranno vicini l'uno all'altro mentre si avvicinano alla pista. La procedura progettata da Clarke per il test del 2002 ha tentato di tenerne conto mantenendo la velocità degli aerei il più costante possibile durante la discesa iniziale, ma è stata testata solo con traffico leggero.
Questo settembre, tuttavia, Clarke testerà la procedura in un traffico moderatamente intenso. Sta progettando un approccio in base al quale 20 aerei UPS voleranno all'arrivo in aeroporto entro due minuti l'uno dall'altro. Clarke spera che questo test dimostrerà che i controllori del traffico aereo possono gestire l'atterraggio di più velivoli utilizzando il nuovo approccio. Se tutto andrà bene, il team farà domanda alla FAA per l'approvazione delle procedure di Louisville, un processo che Clarke stima potrebbe richiedere meno di un anno.
Aerei silenziosi
Nel frattempo, Clarke sta portando la sua esperienza alla Silent Aircraft Initiative multidisciplinare del Cambridge-MIT Institute, che è stata lanciata lo scorso autunno. L'iniziativa triennale riunisce ricercatori dell'Università di Cambridge e del MIT, nonché esperti di partner industriali e governativi, per progettare un aeroplano così silenzioso che il suo rumore sarebbe impercettibile fuori dall'aeroporto. L'assistente professore di aeronautica e astronautica Karen Willcox, SM '96, PhD '00, sta usando il simulatore di rumore di Clarke nelle sue valutazioni dei progetti sperimentali del team.
Mentre la maggior parte degli ingegneri dell'iniziativa lavoreranno sul nuovo aeroplano, Clarke si concentrerà sulla creazione di un approccio a discesa continua per gli aerei commerciali esistenti all'aeroporto di Gatwick a Londra. Il team spera di condurre un test di volo nel 2005 e di implementare la procedura a Gatwick nel 2006.
Il lavoro di Clarke sull'approccio a discesa continua aiuterà la Silent Aircraft Initiative a sostenere che il suo lavoro aiuterà l'economia del Regno Unito, una missione comune a tutti i progetti di ricerca congiunti CMI ( vedi From Cambridge to Cambridge, MIT News, maggio 2003 ). Procedure di atterraggio più silenziose potrebbero avere ampi vantaggi economici per aeroporti, compagnie aeree e comunità. Ad esempio, gli aeroporti che hanno il coprifuoco potrebbero operare più voli, riducendo così la congestione e i problemi di ritardo che alla fine portano a costi operativi e prezzi dei biglietti più elevati. A lungo termine, atterraggi più silenziosi potrebbero aiutare ad alleviare le preoccupazioni della comunità sulla costruzione di nuove piste. Un aereo notevolmente più silenzioso aumenterebbe in modo significativo il numero di voli che possono volare dentro e fuori gli aeroporti di tutto il mondo, ma ci vorranno decenni per portarlo a compimento. Ci vogliono 10 anni per sviluppare un aeroplano, e poi altri 15 anni prima che un numero significativo di essi entri nella flotta, afferma il professore di aeronautica e astronautica Ian Waitz, che guida la componente economica dell'iniziativa. Ma le cose dell'operazione in cui è coinvolto J-P Clarke, quelle, un anno o due lungo la strada, possono cambiare le cose.
In effetti, se l'approccio di Clarke viene approvato per Louisville e Gatwick, i residenti di Floyds Knobs e Londra possono aspettarsi di dormire molto più profondamente in appena un paio d'anni.