Devamlı Tırmanma Operasyonlarının Yakıt Tüketimine
Transkript
Devamlı Tırmanma Operasyonlarının Yakıt Tüketimine
Devamlı Tırmanma Operasyonlarının Yakıt Tüketimine Etkisinin Gerçek Uçuş Verilerine Dayalı Analizi Analysis of Continuous Climb Operations Impact on Fuel Consumption Based on Actual Flight Data 1 2 Hakkı AKSOY , Öznur USANMAZ , Enis T. TURGUT 3 ABSTRACT: In this study, effect of vertical flight inefficiency metric, level off (low level flight segment during climb), on fuel consumption during climb caused by different reasons is evaluated by using Boeing 737-800 FDR(Flight Data Recorder) data. Fuel savings due to continuous climb operations (CCO) verified by the analysis made by using FDR data. Five different flights from İzmir Adnan Menderes Airport to Sabiha Gökçen Airport inspected and observed that one of the flights includes a level off at flight level of 15,000 ft and 140 seconds during climb. We assumed that if this flight were flown at 28,000 ft of cruise level, according to FDR data, the consumed fuel would have been 10 kg less than the original flight and in 140 seconds distance flown would have been 1.4 NM longer Key Words: Vertical flight inefficiency, continuous climb operations, fuel consumption ÖZET: Uçuş verimliliğinin düşmesine sebep olan dikey uçuş verimsizliğinin etkisinin ele alındığı bu çalışmada farklı nedenler ile uçakların tırmanma fazında düşük irtifalarda gerçekleştirdikleri “level off” olarak isimlendirilen düz uçuş bölümlerinin yakıta olan etkisi Boeing 737-800 tipi uçağa ait uçuş verileri kullanılarak analiz edilmiştir. Gerçek uçuş verileri ile yapılan analizlerde devamlı tırmanma operasyonlarının yakıt tasarrufu sağlayacağı doğrulanmıştır. İzmir Adnan Menderes Havalimanı’ndan kalkıp Sabiha Gökçen Havalimanı’na iniş gerçekleştiren beş farklı uçuş incelenmiş ve incelenen beş uçuştan birinde tırmanma fazında düz uçuş meydana geldiği gözlenmiştir. Bu uçuşun 15,000 ft irtifada meydana gelen 140 saniyelik düz uçuş bölümü özel olarak incelenmiştir. Tespit edilen düz uçuşun, seyir irtifasında 28,000 ft irtifada gerçekleştirilmesi durumunda aynı sürede (140 saniyede) 10 kg yakıt tasarrufu sağlanacağı ve aynı sürede 1.4 NM daha fazla yol kat edileceği görülmüştür. Anahtar Kelime: Dikey uçuş verimsizliği, devamlı tırmanma operasyonları,yakıt tüketimi GİRİŞ Uçak operasyonlarının hava kalitesine olan zararlı etkilerinin artması ve operatörlerin maliyet giderlerini azaltma ihtiyacı, terminal hava sahasında uygulanan geliş ve kalkış prosedürleri ile uçakların yakıt tüketimi ve emisyon konularını çevresel ve ekonomik anlamda önemli bir araştırma konusu haline getirmektedir. Meteorolojik koşullar, hava sahası kısıtlamaları, kapasite, diğer trafiklerin etkisi veya hava trafik kontrol (ATC: Air Traffic Control) talimatları yatay ve dikey uçuş verimsizliğinin temel kaynakları olarak 1 Arş. Gör., Anadolu Üniversitesi, hakkiaksoy@anadolu.edu.tr Doç. Dr., Anadolu Üniversitesi, ousanmaz@anadolu.edu.tr 3 Doç. Dr., Anadolu Üniversitesi, etturgut@anadolu.edu.tr 2 262 görülmektedir. Uçuş profilinin geliş fazında uygulanacak Devamlı Alçalma Operasyonları (CDO) ve tırmanma fazında uygulanacak Devamlı Tırmanma Operasyonları (CCO), dikey verimsizliği ortadan kaldırarak çevresel ve ekonomik fayda sağlayacak yöntemler olarak görülmektedir (ICAO Doc 9931,2010;ICAO Doc 9993, 2013). Bu çalışmanın odağında bulunan CCO, kalkış yapacak uçağın performansına göre belirlenen optimum dikey profilin uygulanmasına olanak sağlayan uygun hava sahası tasarımı, aletli prosedür tasarımı ve uygun hava trafik kontrol müsaadesinin imkan verildiği uçak işletme tekniği olarak tanımlanmaktadır (Bkz. Şekil 1).Burada bahsedilen optimum dikey profil, kalkıştan ilk seyir seviyesine uzanan tırmanma rotasıdır (ICAO Doc 9993, 2013) Şekil-1: Geleneksel ve devamlı tırmanma operasyonu Kalkış-seyir-geliş fazından oluşan kısa mesafeli uçuşlara bakıldığı zaman harcanan yakıtın önemli bir kısmının tırmanma fazında gerçekleştiği görülmektedir (Turgut, 2011). Bir kısa mesafeli uçuşta harcanan yakıtın önemli kısmının tırmanma fazında gerçekleşmesi, tırmanma fazında gerçekleştirilecek CCO operasyonlarının önemini artırmaktadır. Literatüre bakıldığında, devamlı alçalma operasyonlarının sağladığı faydaları ele alan çalışmaların yoğunlukta olduğu, fakat devamlı tırmanma operasyonlarının faydalarını inceleyen çalışmaların az olduğu görülmektedir. Roach ve Robinson (2010) tarafından Dallas-Forth Worth uluslararası havalimanı (DFW) için yapılan çalışmada, DFW havalimanından kalkış yapan uçak gelen trafiğin etkisinden dolayı 10,000 feet irtifada ortalama 100 saniye düz uçuş gerçekleştirerek 31,000 feet seyir irtifasına 450 gallons(1,705 kg) yakıt tüketerek ulaşırken, kalkışı takiben 31,000 feet seyir irtifasına ulaşıncaya kadar devamlı tırmanması halinde 7 gallons(26.5 kg) daha az yakıt tüketeceği gözlenmiştir. Dalmau ve Prats (2014) tarafından yapılan çalışmada, geleneksel dikey uçuş profili yerine sınırlayıcı etkenlerden arındırılmış ve optimum tırmanma, seyir ve alçalma profiline sahip uçuşun ne kadar tasarruf sağlayacağı ele alınmıştır. Airbus A320 tipi uçak referans alınarak yapılan çalışmada uçuş mesafesine göre %1-2 arasında yakıt tasarrufu ve % 1-5 arasında ise zaman tasarrufu sağlandığı gözlenmiştir. Sprong (2005) tarafından gerçekleştirilen çalışmada, Atlanta Hartsfield-Jackson Havaalanı’ndaki geleneksel kalkış prosedürü (SID: Standart Instrument Departure) uygulaması yerine saha seyrüsefer (RNAV: Area Navigation) SID prosedürlerinin uygulanmasının kapasiteye etkisini ele alınmış ve devamlı tırmanma operasyonun sağlayacağı faydaya değinilmiştir. RNAV SID uygulanması ile uçağın pozisyon bilgi hassasiyetin artması, yaklaşma ve yol kontrol arasındaki trafiğin devrini kolaylaştırmış ve geleneksel SID durumunda uygulanmak zorunda kalınan düz uçuş (level-off) kısımlarının azalmasını sağlamıştır. Böylece 10,000 ft civarında yoğunlaşan düz uçuş %41 oranında azalmış ve günlük toplam 1011 NM mesafe kazancı sağladığı gözlenmiştir.Bu çalışmada kullanılan FDR (Flight Data Recorder) verileri, kalkışı takiben gerçekleştirilecek 263 devamlı tırmanma operasyonlarının sağlayacağı yakıt tasarrufunu analitik yöntemlere dayanmadan gerçek uçuş verileri ile inceleme fırsatı sağlamıştır ve sonuçlar çalışmanın devamında sunulmuştur. YÖNTEM Bu çalışmada, İzmir Adnan Menderes Havalimanından kalkış yapıp Sabiha Gökçen Havalimanına giden ve Boeing 737-800 tipi uçak ile gerçekleştirilen beş farklı uçuşun tırmanma profili FDR tarafından kaydedilen gerçek uçuş verileri referans alınarak incelenmiştir. Adı geçen uçak modelinde yüksek by-pass oranına sahip, kısa ve orta menzilde kullanılan CFM56-7B tip turbofan motor kullanılmaktadır. Excel formatında alınan FDR verileri, kalkış meydanından varış meydanına kadar irtifa, enlem, boylam, yer hızı, yakıt akışı gibi 31 adet parametreden oluşmaktadır. Bu verilerden zaman, air-ground bilgisi, irtifa, yakıt akışı, enlem ve boylam bilgisi kullanılarak uçağın teker kestiği noktadan, tırmanma fazından yol fazına geçiş yaptığı nokta olan TOC (Top of Climb) noktasına kadar olan dikey profili Şekil 2 ‘de sunulmuştur. TOC noktası beş uçuş incelenerek bulunmuştur. Kalkış meydanı ile varış meydanı arasının kısa mesafeli olması sebebi ile (en kısa 222 NM-en uzun 269 NM kaydedilmiştir) beş uçuşun ortalama TOC irtifası 28,400 ft, standart sapması 2332 ft olarak hesaplanmıştır ve TOC 28,000 ft olarak belirlenmiştir. Beş farklı uçuşun tırmanma fazında gerçekleşen ve dikey verimsizliğin temel kaynağı olan düz uçuş safhalarının süresi, düz uçuş süresince harcanan yakıt miktarı ve ortalama gerçek hava hızı gibi veriler Excel VBA kodları yardımıyla belirlenmiştir. Yazılan Macro kodları her bir uçuşa ait FDR kayıtlarına uygulanarak analizler yapılmıştır. Şekil-2: Uçuşlara ait dikey tırmanma profili ANALİZ SONUÇLARI İzmir Adnan Menderes Havalimanından kalkış yapıp Sabiha Gökçen Havalimanına giden ve Boeing 737-800 tipi uçak ile gerçekleştirilen beş farklı uçuşun tırmanma profili incelenmiş olup, hava sahası kısıtlamasından, diğer trafiklerin etkisinden veya ATC müsaadelerinden dolayı tırmanma esnasında düşük veya orta seviyelerde “level-off” olarak ifade edilen düz uçuşların sebep olduğu verimsizliklerin yakıt tüketime üzerindeki etkileri araştırılmış ve devamlı tırmanma profiline sahip kalkış trafiği ile “düz uçuş” içeren tırmanma profiline sahip trafiğin yakıt tüketimleri karşılaştırılmıştır. 264 Beş farklı uçuş verisinin dikey uçuş profilini gösteren irtifa verisi FDR tarafından her saniye kaydedilmiştir. Bu sayede beş uçuşun tırmanma fazından yol fazına geçiş yaptığı nokta olan TOC’a kadar olan dikey profilleri incelenmiş ve bunlardan birinin “Uçuş 9” tırmanış fazında verimsizliğe sebep olan “level off” içerdiği gözlenmiştir. “Level off” içeren uçuşa ait dikey uçuş profili Şekil 3’ te gösterilmiştir. Level off Şekil-3: Uçuş 9’a ait tırmanma fazında düz uçuş içeren dikey uçuş profili Tırmanma esnasında 15,000 feet irtifada gerçekleşen düz uçuş bölümü FDR kayıtlarına göre 140 saniye sürmüştür. Devamlı tırmanma ve devamlı alçalma prosedürlerini inceleyen çalışmalarda “level-off” irtifası ile yakıt akışının ters orantılı olduğu (Turgut,2011; Shresta vd.,2009;Canarslanlar vd.,2010) ve yüksek irtifalara çıkıldıkça “level-off” esnasındaki yakıt akışının azaldığı ifade edilmektedir. Bu anlamda, incelenen uçuşun tırmanma sırasında 15,000 feet irtifada gerçekleştirdiği 140 saniyelik uçuş, devamlı tırmanma prosedürü uygulanarak yol safhasında 28,000 feet irtifada gerçekleştirilseydi daha az yakıt harcanacak ve aynı mesafe, hava yoğunluğunun azalması sebebi ile daha kısa sürede kat edilecekti. Kullanılan FDR verisinin hız ve yakıt akışını kaydetmesi, analitik bir modellemeye gerek kalmadan bu kıyaslamanın yapılmasına olanak sağlamaktadır. FDR tarafından 140 saniyelik “level off” süresinde uçağın ortalama ağırlığı 57.19 ton ve kaydedilen 1 ve 2 numaralı motorların toplam ortalama yakıt akışı 0.715 kg/s olarak gözlenmiştir. 140 saniye sonunda tüketilen toplam yakıt miktarı ise 99 kg olarak kaydedilmiştir. Aynı uçuş referans alındığında, 140 saniyelik uçuşun 15,000 feet irtifa yerine hemen hemen aynı hava şartlarında ve ortalama 56.65 ton ağırlık ile 28,000 feet irtifada gerçekleştirildiği bir senaryo için ortalama yakıt akışı 0.636 kg/s olarak hesaplanmış olup, bu süre boyunca tüketilen toplam yakıt miktarı da 89 kg olarak bulunmuştur. Bunun yanı sıra yüksek irtifada aynı sürede daha az yakıtla daha fazla yol alındığı görülmüştür. 15,000 feet irtifada 140 saniyede 99 kg yakıt ile 13.3 NM mesafe alınırken, 28,000 feet irtifada aynı sürede 89 kg yakıt ile 14.7 NM mesafe alınmıştır. Analiz sonuçlarına göre düşük seviyelerde yüksek irtifalara göre daha fazla yakıt tüketilmesinin ve düşük irtifaya göre yüksek irtifalarda aynı sürede daha fazla yol kat edilmesinin en önemli temel iki sebebi irtifa ve hız faktörüdür (Turgut,2011;Shresta vd,2009; Dalmau ve Prats,2014; DeArmon ve Mahashabde,2014; Dorfman vd., 2015). Özellikle Jin ve ark. tarafından yakıt tüketiminin irtifa ve hıza bağlı değişiminin analitik modellenmesinin yapıldığı çalışmada, düşük irtifalarda daha yüksek olan hava yoğunluğuna bağlı olarak aerodinamik sürüklemenin ciddi oranda artması sebebi ile yakıt tüketimi düşük irtifalarda daha yüksek 265 çıkmaktadır. Bu sonuç tarafımızca yapılan çalışma sonucuna göre doğrulanmaktadır ve aynı sürede yüksek irtifada 10 kg daha az yakıt tüketildiği görülmektedir. İrtifanın yanısıra hız da en önemli faktörlerdendir. Aynı çalışmada hız faktörünün etkisine de değinilmiştir. Her uçak tipinin farklı irtifalar için optimum hız aralığı olduğuna vurgu yapılan çalışmada, uçakların optimum hız aralığında uçmasının yakıt tasarrufu sağlayacağı farklı senaryolar ile doğrulanmıştır. Uçuş kayıtlarına göre, gerçekleşen uçuşun 15,000 ft irtifada 289 knot gösterge hızına (IAS), 342 knot yer hızına (GS) ve 28,000 ft irtifada 272 knot gösterge hızına ve 377 knot yer hızına sahip olduğu görülmektedir. Her iki irtifada da karşı rüzgar alan uçuşun yüksek irtifada daha düşük IAS ile daha yüksek GS’e sahip olmasının nedeni hava yoğunluğunun azalarak aerodinamik sürüklemenin minimuma yaklaşmasındandır. 28,000 ft irtifada daha düşük itki ile daha hızlı yol kat eden uçak 140 saniyede daha az yakıt harcayarak 1.4 NM daha fazla yol almıştır. SONUÇ Operatörlerin yakıt giderlerini ve olumsuz çevresel etkileri azaltmak için uçuş verimliliğinin artırılması gerekmektedir. Bu çalışma ile tırmanma fazında gerçekleşen ve dikey uçuş verimsizliğine sebep olan level off etkisi analitik modellemeye iytiyaç duyulmadan Boeing 737-800 tipi uçağa ait gerçek uçuş verileri kullanılarak analiz edilmiştir. Analiz sonuçları göstermektedir ki tırmanma esnasında uygulanacak devamlı tırmanma operasyonları önemli oranda yakıt ve zaman tasarrufları sağlayacaktır. Analiz edilen uçuşlardan birinin tırmanma fazında 15,000 ft irtifada 140 saniye gerçekleşen level off, 28,000 ft irtifada gerçekleşse 10 kg daha az yakıt kullanılabileceği ve aynı sürede 2.1 NM daha fazla yol kat edilebileceği görülmüştür. Bu çalışmanın devamında kapsam daha da genişletilerek yoğun trafiğe sahip bir meydanda geliş ve kalkış rotaları incelenerek dikey verimsizlik noktaları belirlenip yakıt ve emisyon değerlendirmesi yapılabilir. Yapılacak bu çalışma prosedür tasarımcıları için bir ön çalışma olabileceği ve meydana ait kalkış ve geliş rotalarının optimum dikey profile sahip bir şekilde yeniden tasarlanmasında yardımcı olabileceği düşünülmektedir. KAYNAKÇA: ICAO Doc 9993 (2013), Continuous Climb Operations (CCO) Manual ICAO Doc 9931 (2010), Continuous Descent Operations (CDO) Manual Turgut, Enis Turhan (2011), “Estimating Aircraft Fuel Flow for a Three-Degree Flight-Path-Angle Descent”, Journal of Aircraft, Vol. 48 No. 3 Shresta, Sanjiv; Neskovic, Dejan; Williams, Stephen S. (2009) “Continuous Descent Benefits and Impacts During Daytime Operations ” , Eigth USA/Europe Air Traffic Management Research and Development Seminar , Napa,CA,USA Canarslanlar, Ali Ozan, Turgut, Enis Turhan ve Usanmaz Öznur (2010)“CDAProsedürünün Enerji ve Emisyon Değerlendirmesi: Sabiha Gökçen Havaalanı Uygulaması”,III. Ulusal Havacılık ve Uzay Konferansı,Anadolu Üniversitesi, Eskişehir Roach Keenan., Robinson John E. (2010)“A Terminal Area Analysis of Continuous Ascent Departure Fuel Use at Dallas/Fort Worth International Airport”,10th AIAA Aviation Technology, Integration and Operations Conference, Fort Worth, Texas. 266 Dalmau, Ramon; Prats, Xavier (2014) “How much fuel and time can be saved in a perfect flight trajectory? Continuous cruise climbs vs. conventional operations”, International Conference on Research in Air Transportation (ICRAT). Sprong, Kevin R. (2005) “ Measuring the Effects of RNAV Departure Procedures on Airport Efficiency”, 24th Digital Avionics Systems Conference. DeArmon, Jim; ve Mahashabde, Anuja;Hogan,Brendan (2014) “Departure Flow Efficiency and The Identification Of Causes for Inefficiencies”, Digital Avionics Systems Conference. Dorfman, Saul; Daily, Jeff; Gonzalez, Travis; Kondo, Genki S. (2012) “NAS-Wide Vertical Profile Analysis: Level Segments in Arrival and Departure Flows”, Integrated Communications, Navigation and Surveillance Conference, Herndon, VA. Mayer, Ralf H.; Haltli, Brennan M; Klein, Katie A. (2006) “Evaluation of RNAV Departure Operations at Dallas Fortworth İnternational Airport”, 25th Digital Avionics Systems Conference . Jin, Li, Cao Yi, Sun Dengfeng (2013) “Investigation Of Potential Fuel Savings Due To Continuous-Descent Approach”. Journal of Aircraft,Vol. 50 No. 3. 267