Wybrane aspekty ruchu statku powietrznego podczas fazy lądowania

Transkrypt

1 Paulina Stańczyk 1, Anna Stelmach 2 Politechnika Warszawska, Wydział Transportu Wybrane aspekty ruchu statku powietrznego podczas fazy lądowania 1. WPROWADZENIE Transport lotniczy odgrywa ważną rolę podczas przemieszczania ludności. Relatywnie niski koszt oraz duża prędkość powodują, że jest on wybierany przez coraz większą liczbę podróżnych. W celu zapewnienia maksymalnego bezpieczeństwa pasażerom, każdy lot wykonywany jest według ściśle określonych procedur. Jednym z najbardziej krytycznych etapów lotu jest lądowanie ostatnia faza, która polega na przejściu statku powietrznego z lotu do operacji naziemnych [4]. Wybór procedury podejścia zależny jest od rodzaju operacji lotniczych, kategorii statku powietrznego oraz ukształtowania terenu znajdującego się w bezpośrednim sąsiedztwie lotniska. Rekonstrukcja przebiegu lotu możliwa jest dzięki zapisom pochodzącym z rejestratora parametrów lotu [13], potocznie zwanego "czarną skrzynką". W artykule, zaprezentowano wyniki odtworzenia przebiegów czasowych wybranych parametrów lotu. Pozwoliło to na wyznaczenie charakterystycznych segmentów wraz ze współrzędnymi położenia samolotu. 2. ANALIZA DANYCH W celu odtworzenia przebiegu lotu, podczas lądowania samolotu, przeanalizowano zapisy z rejestratora parametrów lotu. Do analizy wykorzystano dane pochodzące z samolotu PLL Lot Embraer 170. Wszystkie loty wykonywane były w zbliżonych warunkach atmosferycznych. Spośród bazy 18 lotów, wykonywanych na tej samej trasie, dobrano te, których operacja lądowania wykonana została na drodze startowej 33, warszawskiego lotniska Fryderyka Chopina. Ze wszystkich rejestrowanych parametrów (analogowych oraz dwustanowych) do analizy fazy lądowania wykorzystano: czas [s]; czujnik ziemia/powietrze; prędkość przyrządową [kt]; prędkość podróżną [kt]; kurs magnetyczny [ ]; wysokość barometryczną [ft]; pozycję klap; pozycję podwozia. Segment fazy lądowania jest to fragment lotu charakterystyczny dla wszystkich operacji lądowania wykonywanych na danym kierunek drogi startowej. Podczas badań dokonano odtworzenia przebiegów czasowych wybranych parametrów lotu. Pozwoliło to na wyznaczenie charakterystycznych segmentów wraz ze współrzędnymi położenia samolotu. Na rys. 1 przedstawiono przebiegi prędkości przyrządowych analizowanych lotów. 1 paulina.stanczyk@gmail.com 2 ast@wt.pw.edu.pl 982

2 Rys. 1. Wykres przebiegu prędkości przyrządowych analizowanych lotów Punktem rozpoczęcia analizy był moment, w którym pilot zaczął wysuwać klapy. Średnia prędkość przyrządowa (CAS) dla analizowanych lotów wynosiła w tym momencie 205 [kt] (379,660 km/h). Następnie redukcja prędkości przyrządowej do wartości ok. 185 [kt] (342,620 km/h)oraz stopniowa zmiana pozycji klap, aż do ustawienia ich w pozycji 3 (kąt wysunięcia klap wynosi 10 ). Jest to konfiguracja, przy której zostaje zainicjowane wysunięcie podwozia. Wartość kursu magnetycznego została ustabilizowana na 327, aż do momentu zjazdu z drogi startowej. Prędkość przyrządowa osiągnęła wartość ok. 160 [kt] (296,32 km/h). Następnie klapy zostały ustawione w pozycji do lądowania (kąt wysunięcia klap wyniósł 20 ), a podwozie całkowicie wysunięte i zablokowane. Statek powietrzny znalazł się na ścieżce podejścia i zniżał się ze stałą prędkością ok [FPM] (10, ,630 km/h). Następnym segmentem lądowania było przyziemienie samolotu i włączenie rewersu (maksymalny, wsteczny ciąg silników). Po zredukowaniu prędkości do 60 [kt] (111,12 km/h) pilot wyłączył maksymalny ciąg wsteczny silników, schował klapy (kąt wysunięcia klap wyniósł 0 ) i zredukował prędkość do 30 [kt] (55,56 km/h). Nastąpił zjazd z drogi startowej na wyznaczoną drogę kołowania, co było momentem końcowym analizy. Zestawienie charakterystycznych parametrów dla poszczególnych segmentów analizowanych lotów zawarto w tab. 1. Tab. 1 Opis poszczególnych segmentów analizowanych lotów Numer segmentu I II III IV Opis charakterystycznych parametrów Prędkość przyrządowa (CAS) ok. 205 [kt]. Zainicjowanie wysuwania klap. Zredukowanie prędkości przyrządowej (CAS) do ok. 185 [kt]. Klapy w pozycji 3 (kąt wysunięcia klap wynosi 10 ). Kurs magnetyczny 327 do końca procedury lądowania. Zredukowanie prędkości przyrządowej (CAS) do ok. 160 [kt]. Wypuszczenie podwozia. Podwozie wypuszczone. Klap w pełnej pozycji (kąt wysunięcia klap wynosi 20 ). 983 Logistyka 4/2012

3 Tab. 1 cd. Opis poszczególnych segmentów analizowanych lotów SP znajduje się na ścieżce podejścia. V Stała prędkość opadania na poziomie ok [FPM]. Przyziemienie. VI Maksymalny ciąg wsteczny silników. Zredukowanie prędkości do 60 [kt]. VII Wyłączenie maksymalnego ciągu wstecznego. Stopniowa zmiana pozycji klap aż do całkowitego schowania. Źródło: opracowanie na podstawie Instrukcji użytkowania w locie statku powietrznego EMB170 PLL LOT Na rysunku 2 zaprezentowano pozycje klap oraz prędkości przyrządowe wraz z podziałem na charakterystyczne segmenty lądowania przykładowego lotu. Rys. 2. Wykres zmiany położenia klap oraz prędkości przyrządowej w czasie podczas lądowania dla wybranego lotu Źródło: opracowanie własne W tabeli 2 zaprezentowano czasy trwania poszczególnych segmentów lądowania dla analizowanych lotów. Na ich podstawie można zauważyć, iż średni czas fazy lądowania statku powietrznego wyniósł 363 [s]. Odchylenie standardowe dla tej próby wynosi aż 54,8. Analizując czasy trwania poszczególnych segmentów dla analizowanych lotów, zauważyć można, że największe różnice w czasie trwania zaobserwowano dla segmentów I i II. Wartości ich odchyleń standardowych wynoszą odpowiednio 36,7 i 64,4. Czas trwania segmentu I dla lotu 3 wynosi 114 [s]. Dla pozostałych lotów wartości te nie przekraczają 60 [s]. Natomiast na dużą wartość odchylenia standardowego, dla segmentu II, największy wpływ ma czas trwania tego segmentu dla lotu 4. Wynosi on 210 [s], przy wartościach dla pozostałych lotów nieprzekraczających 90 [s]. Dla pozostałych segmentów wartości odchylenia standardowego nie przekraczają 9. Jest to spowodowane faktem, iż czasy ich trwania dla poszczególnych lotów są zbliżone. 984

4 Tab. 2 Czasy trwania poszczególnych segmentów dla analizowanych lotów Czas trwania poszczególnych segmentów [s] I II III IV V VI VII Suma lot lot lot lot lot Średnia 48,8 88,4 14,4 44,6 110,2 31,4 25,2 363 σ 36,7 64,4 2,0 8,6 7,0 5,7 5,7 54,8 3. ODTWORZENIE TRAJEKTORII LOTU Trajektoria lotu to krzywa, którą w przestrzeni zakreśla poruszający się statek powietrzny [11]. Do wyznaczenia trajektorii fazy lądowania analizowanego lotu wykorzystano następujące parametry, pochodzące z rejestratora: prędkość podróżna - GSPEED [m/s]; kurs magnetyczny MHEAD [rad]; wysokość barometryczna - PRALT [m]. Do przeliczenia wartości poszczególnych parametrów zapisywanych przez rejestrator na jednostki w układzie SI wykorzystano zależności: GSPEED [m/s] = (GSPEED [kt]*1852)/3600 (1) gdzie, 1 [kt] = 1 [NM/h] = 1852 [m/h] MHEAD [rad] = (MHEAD [ ] * Π)/180 (2) PRALT [m] = PRALT [ft] * 0,3048 (3) gdzie, 1 [ft] = 0,3048 [m] W celu wyznaczenia chwilowych współrzędnych położenia samolotu, należało dokonać następujących obliczeń: Współrzędna X: X = GSPEED [m/s] * cos (MHEAD [rad]) (4) X i = X i-1 + X i * t gdzie, t = 1 [s] (5) Współrzędna Y: Y = GSPEED [m/s] * sin (MHEAD [rad]) (6) Y i = Y i-1 + Y i * t gdzie, t = 1 [s] (7) Współrzędna Z: Z i = PRALT * 0,3048 gdzie, 1[ft] = 0,3048 [m] (8) Przykładową trajektorię fazy lądowania pojedynczego lotu przedstawiono na rysunku 3. Zestawienie trajektorii dla wszystkich analizowanych lotów przedstawiono na rysunku Logistyka 4/2012

5 Rys. 3. Trajektoria fazy lądowania przykładowego lotu wraz z jej rzutem na płaszczyznę ziemi Rys. 4. Trajektorie fazy lądowania analizowanych lotów wraz z rzutami na płaszczyznę ziemi 986

6 Kolejnym bezpośrednim krokiem poprzedzającym modelowanie lotu z użyciem sztucznej sieci neuronowej jest normalizacja wartości czasu oraz prędkości przyrządowej zgodnie z przytoczonymi wzorami: Czas = (9) Prędkość przyrządowa = (10) = (11) = (12) W ten sposób przygotowane dane można użyć jako dane wejściowe do sztucznej sieci neuronowej, a następnie przy wykorzystaniu metody wstecznej propagacji błędów opracować model analizowanej fazy lotu statku powietrznego [3], [10]. Przykładowe wyniki modelowania zostały zaprezentowane w pracach [6]-[9]. 4. PODSUMOWANIE Celem artykułu było przedstawienie wyników badań poświęconych analizie fazy lądowania lotu statku powietrznego, prezentacja przebiegu lotu podczas lądowania samolotu na kierunku 33 drogi startowej, lotniska Chopina w Warszawie. Do realizacji tego celu wykorzystano dane pochodzące z pokładowego rejestratora eksploatacyjnego samolotu Embraer 170. Kalibracja rejestratora, do atmosfery wzorcowej, spowodowała konieczność wprowadzenia korekty niektórych parametrów (np. wysokości). W celu dokonania analizy, konieczne było zapoznanie się z [14]-[16]: mapą Standardowego Dolotu Instrumentalnego dla RWY 33, warszawskiego lotniska Chopina; mapą Instrumentalnego Podejścia dla RWY 33, warszawskiego lotniska Chopina; dokumentacją techniczną samolotu Embraer 170. Na podstawie zapisów z rejestratora dokonano odtworzenia przebiegów czasowych następujących parametrów fazy lądowania podczas wybranych lotów: prędkość przyrządowa (CAS); położenie klap; trajektoria lotu. Pozwoliło to na wyznaczenie 7 charakterystycznych segmentów fazy lądowania. Podczas analizy powyższych przebiegów zauważono odstępstwo przebiegu lotu 4. od pozostałych analizowanych lotów. Zainicjowanie wysuwania podwozia, w przypadku lotu 4., następuje po ustawieniu klap w pełnej pozycji. Dla pozostałych analizowanych lotów, wysuwanie podwozia rozpoczęte zostaje przy ustawieniu klap w pozycji 3. Skutkiem tego odstępstwa było znaczne wydłużenie czasu trwania lądowania, w stosunku do pozostałych lotów. Przeprowadzone badania służą stworzeniu modelu, który może zostać zaimplementownany do symulatorów lotów. Te z kolei służą do szkolenia kandydatów na pilotów. Dzięki przedstawionemu modelowi można zamodelować wielokrotnie loty, przy zmiennych warunkach technicznych statku powietrznego, warunkach atmosferycznych i ocenić dycyzje podejmowane przez użytkownika. Takie rozwiązanie pozwoli wyeliminować, już w procesie szkolenia pilotów, decyzje mające tragiczne konsekwencje. 987 Logistyka 4/2012

7 Streszczenie Transport lotniczy odgrywa ważną rolę podczas przemieszczania ludności. Relatywnie niski koszt oraz duża prędkość powodują, że jest on wybierany przez coraz większą liczbę podróżnych. W celu zapewnienia maksymalnego bezpieczeństwa pasażerom, każdy lot wykonywany jest według ściśle określonych procedur. Celem artykułu jest odtworzenie przebiegu lotu podczas wykonywania operacji lądowania na lotnisku Chopina w Warszawie. Do realizacji tego zamiaru wykorzystano dane pochodzące z pokładowego rejestratora eksploatacyjnego samolotu Embraer 170. Spośród dostępnych danych, należało wyselekcjonować te, które bezpośrednio odnosiły się do fazy lądowania. Odtworzenie przebiegów czasowych wybranych parametrów lotu (prędkość przyrządowa, pozycja klap, trajektoria lotu) pozwoliło na wyznaczenie 7 charakterystycznych segmentów fazy lądowania wraz ze współrzędnymi położenia samolotu. Ostatnim etapem analizy było wyliczenie współrzędnych X, Y, Z, które zostały wykorzystany do określenia lokalizacji samolotu. Podczas analizy powyższych przebiegów zauważono odstępstwo przebiegu lotu 4. od pozostałych analizowanych lotów. Zainicjowanie wysuwania podwozia, w przypadku lotu 4., następuje po ustawieniu klap w pełnej pozycji. Dla pozostałych analizowanych lotów, wysuwanie podwozia rozpoczęte zostaje przy ustawieniu klap w pozycji 3. Skutkiem tego odstępstwa było znaczne wydłużenie czasu trwania lądowania, w stosunku do pozostałych lotów. Słowa kluczowe: fazy lotu, lądowanie statku powietrznego, modelowanie matematyczne. Selected aspects of modeling the landing phase of the aircraft Abstract At present, air transport plays significant role while moving from one place to another. Nowadays, because of its relatively low price, it is used by more and more people. To ensure safety of the passengers each flight must be performed in accordance with the specific procedures. The aim of this article is a reconstruction of the flight during landing of the aircraft at Warsaw Chopin Airport. The analysis is based on the data obtained from Embraer s 170 flight data recorder. It was necessary to select only those data which were directly corresponding to the landing phase. The reconstruction of the selected flight parameters (calibrated air speed, flaps position, flight trajectory) was used to indicate 7 characteristic segments of the landing phase. The final step of this analysis was to calculate X, Y, Z coordinates which were used to determine the location of the aircraft. While analyzing the data one can notice that the flight number 4 varies from the rest of the flights. Transit of the undercarriage begins while flaps are extended to the full position. In comparison, for the rest of the flights transit of the undercarriage begins while the flaps position is 3. This resulted in extended landing time. Key words: flight phase, aircraft landing, mathematical modeling LITERATURA [1] Accident Prevention Manual Doc 9422-AN/923 ICAO. [2] JAA Airline Transport Licence Theoretical Knowledge Manual, Oxford Aviation Services Limited [3] Chuang, C., Su, S., Hsiao C.: The Annealing Robust Backpropagation (ARBP) Learning Algorithm, IEEE Transactions on Neural Networks, vol. 11, September 2000 [4] Malarski, M.: Inżynieria ruchu lotniczego. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa, [5] Manerowski J.: Identyfikacja modeli dynamiki ruchu sterowanych obiektów latających, Wydawnictwo Naukowe Akson, Warszawa, [6] Stańczyk P., Stelmach A.: Modelowanie ruchu samolotu podczas operacji startu i lądowania z wykorzystaniem sztucznych sieci neuronowych, red. Skorupski J.: Współczesne problemy inżynierii ruchu lotniczego - modele i metody, p , Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [7] Stańczyk P., Stelmach A.: Artificial Neural Networks Applied to the Modeling of Aircraft Landing Phase, 10-th European Conference of Young Research and Scientists - Proceedings, ISBN: , Zilina 2013, pp [8] Stelmach A.: Modeling of the selected aircraft flight phase using data from Flight Data Recorder, Archives of Transport, vol. XXIII, NO 4, pp , Warszawa [9] Stelmach A.: Identyfikacja modeli matematycznych faz lotu samolotu, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [10] Tadeusiewicz, R.: Sieci neuronowe, Akademicka Oficyna Wydawnicza: Kraków, [11] Wydawnictwo Naukowe PWN: Mały Słownik Języka Polskiego. PWN, Warszawa, 1995 [12] Załącznik 2 ICAO Przepisy ruchu lotniczego. [13] Załącznik 13 ICAO. Badanie wypadków i incydentów lotniczych. [14] Mapa Instrumentalnego podejścia dla RWY33 lotniska Chopina w Warszawie. [15] Mapa Standardowego Dolotu Instrumentalnego dla RWY33 lotniska Chopina w Warszawie. [16] Instrukcja Użytkowania w locie dla statku powietrznego EMB