Βελτίωση Λογισμικού Ανάλυσης Αποστολής Αεροσκαφών

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία είχε ως στόχο τον εμπλουτισμό του ήδη υπάρχοντος λογισμικού CAMACM (Commercial Aircraft’s Mission Analysis Computational Model) του ΕΘΣ/ΕΜΠ ώστε να επιτευχθεί όσο το δυνατόν πληρέστερη κάλυψη όλων των σύγχρονων μεθόδων προσομοίωσης μιας αποστολής. Για το σκοπό αυτό έγινε αρχικά μια βιβλιογραφική ανασκόπηση αναφορικά με την μοντελοποίηση των αεροδυναμικών χαρακτηριστικών του αεροσκάφους και των κινητήρων, των διεθνών κανονισμών που διέπουν μια πτήση καθώς και των μαθηματικών εξισώσεων που διέπουν τα βασικά στάδια της αποστολής. Τα παραπάνω αποτέλεσαν την βάση για την βελτίωση και τον εμπλουτισμό του λογισμικού. Συγκεκριμένα στο λογισμικό, προστέθηκαν νέες μέθοδοι μοντελοποίησης της ανόδου, της καθόδου και της πλεύσης, ενώ τα τμήματα της απογείωσης και της προσγείωσης έχουν αντικατασταθεί με νέα και ακριβέστερα μοντέλα υπολογισμού. Στα πλαίσια της απογείωσης εντάσσεται και ο υπολογισμός του ισορροπημένου μήκους απογείωσης (BFL) που είναι απαραίτητος για την εξακρίβωση της καταλληλότητας του αεροδρομίου και της επιτυχούς απογείωσης του αεροσκάφους. Στα τμήματα της ανόδου και της καθόδου προστέθηκαν οι αντίστοιχες διαδικασίες όπως περιγράφονται στο BADA οι οποίες είναι πολύ κοντά στο τρόπο που πραγματοποιούνται οι πτήσεις σήμερα. Στο στάδιο της πλεύσης προστέθηκαν δύο ακόμη τεχνικές προσομοίωσης σταθερού συντελεστή άνωσης με σταθερό υψόμετρο και σταθερό mach αντίστοιχα. Η πρώτη απαιτεί μείωση της ταχύτητας του αεροσκάφους ενώ η δεύτερη απαιτεί συνεχόμενη αύξηση του υψομέτρου του, καθώς το βάρος του μειώνεται. Η δεύτερη αν και χαρακτηρίζεται ως ιδανική πλεύση δεδομένου ότι δίνει την μικρότερη κατανάλωση καυσίμου, δεν είναι εφαρμόσιμη σήμερα λόγω αυξημένης εναέριας κυκλοφορίας και διατήρησης των αεροδιαδρόμων. Μια ενδιάμεση λύση που εφαρμόζεται σήμερα είναι η βηματική πλεύση κυρίως για αποστολές μεσαίας με μεγάλης εμβέλειας όπου το βάρος του αεροσκάφους μειώνεται σημαντικά. Στην περίπτωση αυτή έχουμε σταδιακή μετάβαση σε μεγαλύτερα υψόμετρα μετά από συνεννόηση με τον πύργο ελέγχου. Στα πλαίσια της παρούσας εργασίας η συγκεκριμένη τεχνική πλεύσης απλοποιήθηκε, ενώ η θέση και ο αριθμός των βημάτων έχουν πλήρως παραμετροποιηθεί. Επίσης στο λογισμικό προστέθηκε η δυνατότητα υπολογισμού του διαγράμματος ωφέλιμου φορτίου- απόστασης (payload-range) το οποίο είναι πολύ σημαντικό κατά τη σχεδίαση και υιοθέτηση νέων αποστολών και πιθανώς νέων καυσίμων. Σημαντική αναβάθμιση του λογισμικού αποτελεί επίσης η απλοποίηση των αρχείων εισόδου, τα οποία είναι απευθείας τα αρχεία της BADA για το κάθε αεροσκάφος, πράγμα που διευκολύνει την εισαγωγή των απαραίτητων δεδομένων και την εναλλαγή μεταξύ των αεροσκαφών. Το νέο λογισμικό δοκιμάστηκε σε πληθώρα περιπτώσεων για δύο ευρέως διαδεδομένα αεροσκάφη, του Airbus A320-200 για πτήσεις μικρής-μεσαίας εμβέλειας, και του Boeing 747-400 για πτήσεις μεγάλης εμβέλειας. Οι δοκιμές περιλαμβάνουν τόσο απλές αποστολές όσο και σύνθετες με πολλά περισσότερα τμήματα και εναλλαγές αναδεικνύοντας την ευελιξία του νέου λογισμικού. Έγινε σύγκριση διαφορετικών τεχνικών υλοποίησης των διαφόρων τμημάτων μιας αποστολής αναδεικνύοντας τα μειονεκτήματα και πλεονεκτήματα τους. Επίσης έγινε σύγκριση με μια πραγματική πτήση όπου αποδείχτηκε ότι η πραγματική πτήση είναι πολύ κοντά στην προσομοιωμένη όσον αφορά τα διαθέσιμα στοιχεία της πτήσης (ταχύτητα και υψόμετρο). Τέλος, εξετάστηκε η επίδραση εναλλακτικών καυσίμων τύπου Blend σε αναλογία 50/50 συμβατικό JetA/βιοκαύσιμο τόσο στην κατανάλωση καυσίμου όσο και στην εμβέλεια του αεροσκάφους με σύγκριση των αντίστοιχων διαγραμμάτων ωφέλιμου φορτίου-απόστασης. Τα συγκεκριμένα καύσιμα έχουν μεγαλύτερη θερμογόνο ικανότητα αλλά μικρότερη πυκνότητα οπότε έχουν ένα όφελος όσον αφορά την κατανάλωση καυσίμου αλλά έχουν το μειονέκτημα της μικρότερης διαθέσιμης ποσότητας καυσίμου για τις ίδιες δεξαμενές.

This diploma thesis’ purpose is the enrichment of the existing software CAMACM (Commercial Aircraft’s Mission Analysis Computational Model) of LTT/NTUA in order to succeed a better cover of all the modern methods that simulate an aircraft mission. Firstly, we had to make a bibliographic review of the aerodynamic and engine modeling methods. At the review are also included the International Flight Rules and the mathematical equations that are used in every part of the mission. All these are the base for the software improvement and enrichment. Specifically at the software, new methods were added in three segments: Climb, Descent and Cruise. New more precise calculation models are used for Take-off and Landing. The calculation of Balanced Field Length (BFL) is included at the Take-Off segment and it is necessary for authorization of the airport and the safe take-off of the aircraft. The BADA method, that is very close with the real climbing and descent procedure, is added to the software in Climb and Descent segments. Two new modeling methods are used in Cruise maintaining constant lift coefficient. The first one is also maintaining constant altitude and the other one keeps constant the Mach number. As a result, in the first method the airspeed is being reduced and in the second one the altitude is being increased. The ideal Cruise is the one with the increasing altitude because it has the minimum fuel consumption, but it cannot be used because of the increased Air Traffic. The solution between the ideal Cruise and the classic one is the Step-Cruise and it suits better in middle and long range flights. At Step-Cruise the aircraft is elevating in steps in higher flight levels after Air Traffic Controllers’ permission. The software is now able to create Payload-Range diagrams that are very important for studying new mission methods and probably new fuel. The very significant improvement is the input files that now are the BADA files of each aircraft. This makes faster and easier to change and try new aircraft. The airplanes that are used mostly in this thesis are the Airbus A320-200, for short and mid-range flights, and Boeing 747-400 for long-range flights. These airplanes were used in both simple and more complex missions in order to prove the flexibility of the improved software. A comparison with a real flight showed that the software results are very close with the available real data (velocity and altitude). Finally, new alternative fuels are used and especially a 50-50 blend of Jet-A and biofuels in order to examine their impact in the range and the fuel consumption of the aircraft. The blend fuel has bigger thermogenic capacity but smaller density that equals less fuel for the same volume.