Zum Einfluß steiler An- und Abflugverfahren auf den

Zum Einfluß steiler An- und Abflugverfahren auf den Fluglärm
und den Treibstoffverbrauch
R. König, S. Kreth
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), Institut für Flugsystemtechnik
DGLR Workshop "Umweltfreundliches Fliegen", Braunschweig, 16.-17. Juni 2010
Folie 1
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Übersicht
Einleitung
Standard An- und Abflugverfahren
Schallquellen am Flugzeug und Schallausbreitung
Steile An- und Abflugverfahren
Flugleistungen, Flugsicherheit und Zulassungsfragen
Wirtschaftlichkeit und Kapazität
Vergleich steiler Abflugverfahren mit Standardverfahren
Vergleich steiler Anflugverfahren mit Standardverfahren
Theoretische Auswirkungen eines Anflugs mit mehr als 3,0°
auf den Fluglärm
Zusammenfassung und Ausblick
Folie 2
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Einleitung (1)
Steile Abflugbahnen führen nicht grundsätzlich zu weniger Fluglärm und steile
Anflugbahnen nicht grundsätzlich zu weniger Treibstoffverbrauch.
Sicherlich vermindert sich der Schallpegel mit dem Abstand zur Schallquelle
und damit direkt unterhalb einer höher liegenden Flugbahn.
Lärmpegel seitlich zur Bahn können aber größer werden, da die
Bodendämpfung bei einer höher liegenden Bahn "später" einsetzt.
Steile Anflugbahnen sind nur mit Leerlaufschub bei gleichzeitig hohem
Widerstand möglich.
Das bedeutet frühzeitiges Ausfahren von Landeklappen und Fahrwerk sowie
eine relativ niedrige Fluggeschwindigkeit.
Damit verlängern sich die Anflugzeiten und auch ein Triebwerk im Leerlauf
verbraucht Treibstoff.
Folie 3
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Einleitung (2)
Um diese Effekte auch darstellen zu können, müssen die Modelle für die
Simulation von Flugbahn und Fluglärm folgendes nachbilden:
Maximalschub und reduzierter Schub für den Startvorgang, Schub für
den Steigflug
Leerlaufschub für den Anflug in Abhängigkeit von der Klappenstellung
(Flight Idle)
Entsprechende Treibstoffverbräuche
Schallpegel-Quellmodelle für Triebwerk, Vorflügel, Klappen und
Fahrwerk
Folie 4
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Standard An- und Abflugverfahren (1)
MODATA-FLX - Modified ATA mit reduziertem Startschub
7000 ft
(2134 m)
Height
above
Ground
Level
FLAP RETRACTION
GEAR RETRACTION
250 kt
3000 ft
(914 m)
1500 ft
(457 m)
V2+10 kt
2 nm
(3,7 km)
4 nm
(7,4 km)
6 nm
(11,1 km)
8 nm
(14,8 km)
10 nm
(18,5 km)
12 nm
(22,2 km)
Distance
Folie 5
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Standard An- und Abflugverfahren (2)
LDLP - Low Drag Low Power
CDA - Continuous Descent Approach
Height
above
Ground
Level
Level Flight
Glide Path
Open
Descent
7000ft
(2133m)
CDA
Point of Descent
Deceleration Point
Config 1
Config 2
Gear
Config 3/4
LDLP
3000ft
Level Flight
(914m)
On Glide
Path
2000ft
(609m)
1000ft
(304m)
~30nm
(55km)
Distance
~16nm
~9nm ~6nm ~3nm
(30km)
(17km) (11km) (6km)
Folie 6
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Schallquellen am Flugzeug und Schallausbreitung (1)
Vorflügel
Klappen
Triebwerke
Fahrwerke
Triebwerkslärm bei Strahlflugzeugen besteht aus Ein-, Auslass und
Turbinenlärm und ist hauptsächlich vom Schubniveau abhängig
Klappen- und Vorflügellärm ist abhängig vom Ausschlag und hängt zudem
von der Fluggeschwindigkeit ab (~5. Potenz!)
Fahrwerkslärm ist in gleicher Weise abhängig von der Fluggeschwindigkeit
Folie 7
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Schallquellen am Flugzeug und Schallausbreitung (2)
Die Schallausbreitung unterliegt verschiedenen Dämpfungen. Die
wesentlichen davon sind:
Dämpfung durch die Geometrie der Ausbreitung: Verteilung der
Schallenergie auf einer Kugeloberfläche. Eine Abstandsverdoppelung
verringert den Schallpegel um 6 dB.
Die Dämpfung durch die Luft: Anregung der Moleküle zu Schwingungen
und damit Umwandlung der Schallenergie in Wärmeenergie. Die
Luftdämpfung ist temperatur-, feuchtigkeits- und frequenzabhängig. Hohe
Frequenzen werden stärker gedämpft als niedrige Frequenzen.
Die Dämpfung durch den Bodeneinfluß: Flach auftreffender Schall dringt
teilweise in den Boden ein, wird phasenverschoben reflektiert und
überlagert sich mit dem direkten Schall, so dass eine Abminderung
eintreten kann.
Folie 8
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Schallquellen am Flugzeug und Schallausbreitung (3)
Bodendämpfung bzw. "akustischer Bodeneffekt"
gleiche
Entfernung
geringfügig größere
Entfernung
niedriger
Auftreffwinkel
85 dBA
Das höher fliegende
Flugzeug wirkt leiser, da
der Abstand größer ist
60 dBA
Das niedriger fliegende Flugzeug
wirkt leiser, da der Bodendämpfungseffekt größer ist als
der Abstandseffekt
Folie 9
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Flugleistungen, Flugsicherheit und Zulassungsfragen (1)
Beschleunigung
Schub
Widerstand
+ Bahnwinkel ≈
−
Erdbeschleunigung
Gewicht
Auftrieb
Start und Steigflug mit Schub/Gewicht
größer bzw. gleich Widerstand/Auftrieb
5
Beschleunigung am Boden bei
geringer Bahnneigung (1)
Steigflug mit maximalem
Bahnwinkel und konstanter
Geschwindigkeit (2)
4
3
Beschleunigung und Steigflug mit
verringertem Bahnwinkel (3)
Steigflug mit maximalem
Bahnwinkel und konstanter
Geschwindigkeit (4)
2
1
Horizontalflug mit konstanter
Geschwindigkeit (5)
Folie 10
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Flugleistungen, Flugsicherheit und Zulassungsfragen (2)
Beschleunigung
Schub
Widerstand
+ Bahnwinkel ≈
−
Erdbeschleunigung
Gewicht
Auftrieb
Sinkflug und Landung mit Schub/Gewicht
kleiner oder gleich Widerstand/Auftrieb
Horizontalflug mit konstanter
Geschwindigkeit (1)
Sinkflug mit konstanter Geschwindigkeit und minimalem Bahnwinkel (2)
Horizontalflug mit konstanter Geschwindigkeit und Schub/Gewicht
gleich Widerstand/Auftrieb (3)
1
2
3
4
5
Verzögerung auf die Landegeschwindigkeit im Horizontalflug und im
Bahnneigungsflug (4)
Bahnneigungsflug mit konstanter
Geschwindigkeit und Schub/Gewicht
kleiner Widerstand/Auftrieb (5)
Folie 11
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Flugleistungen, Flugsicherheit und Zulassungsfragen (3)
Start und Steigflug
Gewährleistung von Hindernisfreiheit
Einhaltung von Minimalgeschwindigkeiten
Triebwerksausfall am Boden vor V1: Abbremsen und Stillstand vor Landebahnende
Triebwerksausfall am Boden nach V1: Steigflug mit Gewährleistung der
Hindernisfreiheit
Triebwerksausfall in der Luft: Nachweis von minimalen Steiggradienten
Sinkflug und Landung
Gewährleistung von Hindernisfreiheit
Einhaltung von Minimalgeschwindigkeiten
Höhenabhängige maximale Sinkgeschwindigkeiten (z.B. unterhalb von 1000 ft über
Grund maximal 1000 ft / Minute)
Bei 1000 ft über Grund muß das Flugzeug in der Geschwindigkeit, in der Bahn, im
Schub und in der Konfiguration stabil sein
Ausreichend kurze Reaktionszeit des Triebwerks für den Durchstart
Einhaltung der Wirbelschleppenstaffelung
Folie 12
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Flugleistungen, Flugsicherheit und Zulassungsfragen (4)
Sinkflug und Landung
Zulassung für steile Anflugbahnen: Nachweis, dass stationär 2° mehr geflogen
werden kann (Beispiel London City: 5,5° Anflug. A318 mußte 7,5° nachweisen)
3° Anflug ist ICAO (International Civil Aviation Organization) Standard. Bisher kann
davon nur aus Hindernisgründen abgewichen werden. 3° bis 3,5° nur bei CAT-I
Sichtbedingungen
Folie 13
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Wirtschaftlichkeit und Kapazität
Weniger Treibstoffverbrauch beim Start und Abflug durch
schnellstmöglicher Geschwindigkeitsaufbau
frühestmögliches Einfahren der Klappen im Steigflug
schnelles Steigen im Gegensatz zu steilem Steigen
Weniger Treibsoffverbrauch beim Anflug und Landung durch
weitestgehender Anflug mit Leerlaufschub
spätestmögliche Geschwindigkeitsreduktion
Kapazitätserhöhung durch
beim Abflug schnellstmöglich vom Flughafen weg
bei der Landung schnellstmöglich an den Flughafen heran
Folie 14
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Vergleich steiler Abflugverfahren mit Standardverfahren (1)
Modified-ATA
ICAOA
Modified-ATA
ICAOA
Height
above
Ground
Level
Reduced Take-off Thrust (MODATA-FLX)
Reduced Take-off Thrust (ICAOA-FLX)
Max Take-off Thrust
(MODATA-TOGA)
Max Take-off Thrust
(ICAOA-TOGA)
MODATA-FLX
ICAOA-FLX
MODATA-TOGA
ICAOA-TOGA
FLAP RETRACTION
3000 ft
(914 m)
1500 ft
(457 m)
5 km
10 km
Distance
15 km
Folie 15
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Vergleich steiler Abflugverfahren mit Standardverfahren (2)
Vergleich von
Modified-ATA Reduced Take-off Thrust (MODATA-FLX) mit
ICAOA
Reduced Take-off Thrust (ICAOA-FLX) und
Modified-ATA Max Take-off Thrust
(MODATA-TOGA)
Kontur wird größer
Kontur wird kleiner
Folie 16
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Vergleich steiler Abflugverfahren mit Standardverfahren (3)
1. Vergleich
Modified-ATA Reduzierter Startschub
ICAOA
Reduzierter Startschub
2. Vergleich
Modified-ATA Reduzierter Startschub
Modified-ATA Maximaler Startschub
Direkt unter der Flugbahn
2 km vom
Startpunkt
2 km seitlich
9 km vom
Startpunkt
4 km seitlich
Folie 17
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Vergleich steiler Abflugverfahren mit Standardverfahren (4)
Folie 18
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Vergleich steiler Anflugverfahren mit Standardverfahren (1)
LDLP - Low Drag Low Power (Reference)
OLDLP - Optimized Low Drag Low Power (Optimiertes Horizontalsegment, spätes Fahrwerk)
SLDLP - Steep Low Drag Low Power (3,5° Gleitpfad, Flaps3 vorgezogen)
Height
above
Ground
Level
Level Flight
Glide Path
7000ft
(2133m)
Open
Descent
LDLP
Point of Descent
Deceleration Point
Config 1
Config 2
Gear
Config 3/4
OLDLP
SLDLP
3
3000ft
Level Flight
A320 a/c
(914m)
On Glide
Path
4
2000ft
(609m)
1000ft
(304m)
~30nm
(55km)
Distance
~16nm
~9nm ~6nm ~3nm
(30km)
(17km) (11km) (6km)
Folie 19
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Vergleich steiler Anflugverfahren mit Standardverfahren (2)
Früher Flaps3 vergrößert
den Lärm
Größere Höhe und weniger Schub
verringern den Lärm
Folie 20
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Vergleich steiler Anflugverfahren mit Standardverfahren (3)
LDLP - Low Drag Low Power (Reference)
ACDA - Advanced CDA (Steep from Level Flight, Glide Path Intercept from above)
SCDA - Segmented CDA (Open Descent, Deceleration Segment, Steep Segment,
Glide Path Intercept from above)
Level Flight
Height
above
Ground
Glide Path
Level
Open
Descent
SCDA
7000ft
(2133m)
ACDA
LDLP
Point of Descent
Deceleration Point
Config 1
Config 2
Gear
Config 3/4
3000ft
Level Flight
A320 a/c
(914m)
On Glide
Path
2000ft
(609m)
1000ft
(304m)
~30nm
(55km)
Distance
~16nm
~9nm ~6nm ~3nm
(30km)
(17km) (11km) (6km)
Folie 21
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Vergleich steiler Anflugverfahren mit Standardverfahren (4)
Frühe Konfigurationsänderungen
Weiter Bereich einer Lärmreduktion
Folie 22
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Vergleich steiler Anflugverfahren mit Standardverfahren (5)
Folie 23
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Vergleich steiler Anflugverfahren mit Standardverfahren (6)
Folie 24
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Theoretische Auswirkungen eines 3,2° Anflugs auf den Fluglärm
Der 3.2° Gleitpfad liegt um bis zu 246 ft über dem 3.0°
Gleitpfad, das bedeutet weniger Lärm durch höhere Bahn.
Der Gleitpfadeinflug verlagert sich beim 3.2° Anflug um ca. 0,7
NM in Richtung Landebahnschwelle.
Das Initialisieren einer vor dem Gleitpfadeinflug einzunehmenden Klappenstellung sollte sich deshalb ebenfalls um ca. 0,7
NM in Richtung Landebahnschwelle verlagern, was zu später
einsetzendem Zellenlärm führt.
Das Ausfahren des Fahrwerks in 2.000 ft Höhe verlagert sich
um ca. 0,4 NM in Richtung Landebahnschwelle, wodurch der
vom Fahrwerk ausgehende Lärm später einsetzt.
Die notwendige Schuberhöhung, um in 1000 ft Höhe einen
stabilen Flugzustand vorliegen zu haben, verlagert sich um ca.
0.3 NM in Richtung Landebahnschwelle, wodurch der vom
Triebwerk ausgehende Lärm später einsetzt.
Durch den auf 3,2° erhöhten Bahnwinkel ergibt sich im stabilen
Endanflug unterhalb von 1.000 ft Höhe ein geringeres
Schubniveau und damit weniger Lärm (vorausgesetzt die
Endanflugklappenstellung bleibt gleich).
Größerer Abstand zur Lärmquelle, späteres Einsetzen von
Zellen-, Fahrwerks- und Triebwerkslärm sowie weniger
Triebwerkslärm durch ein niedrigeres Schubniveau führen bei
einem 3.2° Anflug zu einer Lärmrduktion von 1-2 dB.
Folie 25
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Zusammenfassung und Ausblick
Steile Abflugverfahren:
Schallpegelzunahme seitlich der projezierten Bahn
Verkleinerung der "hohen" Pegelflächen bei Vergrößerung der "niedrigen"
Pegelflächen
Erhöhung des Treibstoffverbrauch
Erhöhung des Zeitbedarfs
Steile Anflugverfahren:
Lärmminderung im Endanflug
Enge Grenzen durch Sicherheit, Vorgaben der ICAO und unter
Beibehaltung betrieblicher Abläufe
Eine Änderung der betrieblichen Abläufe kann zu einer Schallpegelerhöhung führen
Verringerung des Treibstoffverbrauches
Verringerung des Zeitbedarfs
Folie 26
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010
Vielen Dank
für Ihre
Aufmerksamkeit
Dr. Ing. R. König
DLR
Dipl. Ing. S. Kreth
DLR
Inst. f. Flugsystemtechnik
[email protected]
Inst. f. Flugsystemtechnik
[email protected]
0531 / 295 - 2668
0531 / 295 - 3214
Folie 27
Steile An- und Abflugverfahren > R. König, S. Kreth > Juni 2010