Ανάλυση αποστολής πολιτικών αεροσκαφών

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως αρχικό στόχο τον εμπλουτισμό του υπολογιστικού πακέτου (CAMACM – Commercial Aircraft’s Mission Analysis Computational Model) του Εργαστηρίου Θερμικών Στροβιλομηχανών του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών, προκειμένου να έχει τη δυνατότητα να διαχειρίζεται και να αναλύει αποστολές που αποτελούνται από πολλαπλές ανόδους, οριζόντιες πλεύσεις και καθόδους ενώ μελετήθηκε και η επίπτωση αυτής της πρακτικής αυτής στην κατανάλωση καυσίμου των αποστολών. Σε δεύτερη φάση, έγινε πιστοποίηση των εξαγόμενων αποτελεσμάτων μέσω σύγκρισής τους με εκείνα που υπαγορεύονται από άλλους διεθνείς οργανισμούς. Για την επίτευξη του παραπάνω στόχου, πραγματοποιήθηκε βιβλιογραφική ανασκόπηση σχετικά με τους υπάρχοντες οργανισμούς που ασχολούνται με θέματα προσομοίωσης τροχιάς και παρακολούθησης καταναλισκόμενου καυσίμου ενώ παρουσιάστηκε και η μοντελοποίηση των παραμέτρων που χρησιμοποιείται σε κάθε περίπτωση. Επιπλέον, έγινε αναφορά σε ένα από τα πιο γνωστά υπολογιστικά πακέτα που χρησιμοποιείται ευρέως στην αεροπορική βιομηχανία καθώς και στις δυνατότητές του. Στη συνέχεια, διαφοροποιήθηκε ο υπάρχων κώδικας, τόσο το κύριο μέρος του όσο και η υπορουτίνα που καλείται για την εκτέλεση των υπολογιστικών διαδικασιών προκειμένου να εξασφαλισθεί η σωστή ροή του προγράμματος αλλά και η τροφοδότηση της υπορουτίνας με τα σωστά κάθε φορά δεδομένα. Επιπλέον, μελετήθηκαν τρεις (3) διαφορετικές αποστολές: μία μικρής εμβέλειας (Αεροδρόμιο Gatwick Λονδίνου - Εδιμβούργο με απόσταση 573 km), μία μεσαίας εμβέλειας (Αεροδρόμιο Αθηνών - Αεροδρόμιο Heathrow Λονδίνου με απόσταση 2424 km) και μία μεγάλης εμβέλειας (Αεροδρόμιο Αθηνών - Αεροδρόμιο John F. Kennedy Νέας Υόρκης με απόσταση 7927 km). Για τη μελέτη των παραπάνω αποστολών χρησιμοποιήθηκαν τα αεροσκάφη Boeing 737-400, Airbus A320 και Airbus A330-300 σε συνδυασμό με τους κινητήρες CFM56-3C1, CFM56-7B2, TRENT 772B και RB211-524G. Για κάθε αεροσκάφος μελετήθηκαν σενάρια αποστολών με αποκλειστικά βηματική άνοδο, με αποκλειστικά βηματική κάθοδο και με συνδυασμό των δύο. Στη συνέχεια, τα ίδια σενάρια εκτελέστηκαν και με χρήση των δεδομένων της BADA (Base of Aircraft Data-Eurocontrol) σχετικά με το προφίλ ανόδου και τη συσχέτιση απαιτούμενης ώσης – κατανάλωσης καυσίμου και επιχειρήθηκε σύγκριση των αποτελεσμάτων των δύο μεθόδων. Με την ολοκλήρωση της εργασίας αυτής, το υπολογιστικό μοντέλο CAMACM ήταν πλέον σε θέση να προβεί σε ανάλυση αποστολών με περισσότερα υψόμετρα πλεύσης σε ποικιλία άλλων παραμέτρων, ενώ μέσω της σύγκρισης με τα δεδομένα της BADA αποδείχθηκε ότι οι αποκλίσεις είναι πολύ μικρές -ίσως και μικρότερες της μίας ποσοστιαίας μονάδας- ενώ όπου υπήρχε αύξησή τους παρατηρήθηκε ότι οφειλόταν στη χρήση διαφορετικού μοντέλου κινητήρα από εκείνο που υπαγόρευε η παραπάνω βάση δεδομένων. Παρατέθηκαν προτάσεις για περαιτέρω μελέτη του αντικειμένου όπως η μοντελοποίηση περισσότερων κινητήρων και αεροσκαφών, η μοντελοποίηση της επίδρασης των καιρικών συνθηκών στην τροχιά του αεροσκάφους, η πιθανή τρισδιάστατη προσέγγιση της παρακολούθησης τροχιάς και η μελέτη της επίδρασης της βηματικής πλεύσης.

This diploma thesis was developed in order to enrich the computational model (CAMACM - Commercial Aircraft's Mission Analysis Computational Model) of the Laboratory of Thermal Turbomachines of the Department of Mechanical Engineering so that it would have the ability to process and analyze missions featuring multiple climbs, horizontal cruises and descents, while the effect of said technique on the missions’ fuel consumption was also studied. Moreover, CAMACM’s final results were certified, via a comparison with those given from other international organizations. To reach this goal, a bibliographic research was realized with regard to the existing organizations that deal with subjects of profile simulation and monitoring of fuel consumption while the methodology used each time was described. Moreover, one of the most famous computational model and its abilities were presented. Afterwards, the existing source code was altered -both its main part as well as its subroutine which is used in order to perform all computational procedures- so as to ensure the proper flow of the program as well as the supply of the subroutine with the proper data each time. Moreover, three (3) different missions were studied: a short-range one (London Gatwick Airport - Edinburgh with a distance of 573 km), a middle-range one (Athens Airport - London Heathrow Airport with a distance 2424 km) and a long-range one (Athens Airport - New York John F. Kennedy Airport with a distance of 7927 km). The study of these missions was implemented using the following aircrafts: Boeing 737-400, Airbus A320 and Airbus A330-300 in combination with engines CFM56-3C1, CFM56-7B2, TRENT 772B and RB211-524G. For each aircraft, a series of missions were conducted using exclusively step climb, exclusively step descent as well as combinations of the two. Afterwards, the same missions were also executed using BADA data (Base of Aircraft Data-Eurocontrol) with regard to the climb profile and the cross-correlation of required thrust and fuel consumption and there was an attempted comparison between the results of the two methods. With the completion of this thesis, the CAMACM computational model was henceforth capable of proceeding in mission analysis with multiple cruise levels with a variety of other parameters, while via the comparison with BADA data, it was proved that the occurring divergences are very small - perhaps even smaller than one percent, while in the occasion those increased it was observed that it was due to the use of a different engine model than the one mentioned in BADA. Certain proposals were issued for further study such as the simulation of more commercial aircrafts and engines, the simulation of the effect of weather conditions on a plane’s flight profile, the 3-dimensional approach on the aircraft’s trajectory and the study of the effect of step climb on flights.