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Atterrissage tranquille
À 1 h du matin, par une froide matinée d'octobre 2002, John-Paul Clarke '91, SM '92, ScD '97, se tenait dans un champ humide à Floyds Knobs, IN, écoutant deux jets de United Parcel Service rugir vers Louisville Aéroport international. Le premier est venu en volant un modèle d'atterrissage en gradins traditionnel dans lequel il a progressivement diminué l'altitude plusieurs fois avant d'atteindre la piste. De l'endroit où se tenait Clarke, à environ 650 mètres plus bas, le bruit était suffisamment fort pour réveiller les habitants endormis de Floyds Knobs. L'autre avion a suivi 20 minutes plus tard en volant un modèle expérimental que le professeur agrégé d'aéronautique et d'astronautique avait conçu : il est resté à une altitude plus élevée plus longtemps avant de descendre dans l'aéroport, une procédure qui repousse les limites des systèmes de gestion de vol embarqués et des contrôleurs aériens. . Même sans que les données soient enregistrées par l'équipement sonore à côté de lui, Clarke savait que sa procédure était nettement plus silencieuse. On pouvait vraiment entendre une différence, se souvient-il.
Clarke n'était que l'un des sept chercheurs à surveiller les niveaux de bruit des avions à Floyds Knobs cette nuit-là et plusieurs autres. Lorsque toutes les données ont été analysées, cela a confirmé ce qu'il avait soupçonné : la procédure d'atterrissage expérimentale a réduit le bruit au sol entre trois et six décibels, plus que suffisant pour être perceptible. De plus, les avions utilisant la procédure Clarke ont économisé du carburant. Depuis ces premiers tests, l'équipe de Clarke, composée de plusieurs étudiants diplômés en aéro-astro du MIT et d'une douzaine de chercheurs de Boeing, du NASA Ames Research Center et du NASA Langley Research Center, a affiné sa conception afin que les contrôleurs aériens puissent gérer plusieurs avions exécutant la procédure. dans un trafic modérément dense. Pendant ce temps, Clarke crée une procédure similaire pour l'aéroport de Gatwick à Londres dans le cadre de l'initiative Silent Aircraft du Cambridge-MIT Institute. Si la Federal Aviation Administration et les National Air Traffic Services du Royaume-Uni approuvent les conceptions de Clarke pour Louisville et Gatwick, ils apporteront un soulagement du bruit bien nécessaire aux résidents de Floyds Knobs et de Londres, et ouvriront la voie à d'autres aéroports intéressés par la conception. approches silencieuses similaires.
Le défi silencieux
En tant que plaque tournante majeure du tri des colis pour UPS, Louisville est confrontée à un problème de bruit particulièrement difficile. Aux petites heures de chaque matin, plus de 90 jets UPS atterrissent à l'aéroport. Faire face au bruit que génèrent ces avions a coûté cher ; depuis 1991, l'administration aéroportuaire a déplacé plus de 1 600 familles à un coût de plus de 180 millions de dollars. Pourtant, l'aéroport ne peut pas se permettre de déplacer tous ceux qui ont déjà été réveillés par des 767 entrants. En 2000, James DeLong, alors directeur général de l'aéroport, a lu l'un des articles de Clarke sur la faisabilité d'approches d'atterrissage plus silencieuses. J'étais pilote et en lisant [l'article de Clarke], j'ai compris ce qu'il essayait d'accomplir, se souvient DeLong, qui a depuis pris sa retraite. Non seulement il avait un grand potentiel de réduction du bruit, mais il avait le potentiel d'économiser du carburant, il avait le potentiel d'augmenter la capacité des aéroports, c'était donc un gagnant-gagnant si j'ai compris son concept. Deux ans plus tard, il a invité Clarke à concevoir et tester une telle procédure d'atterrissage qui pourrait être utilisée par la flotte existante d'UPS.
J'étais dans le secteur aéroportuaire depuis plus de 30 ans et j'ai conclu que le problème le plus grave auquel le système aéroportuaire est confronté - ce qui représente une menace pour la capacité de répondre à la demande future de voyages aériens - est le bruit, explique DeLong.
L'idée derrière la nouvelle conception, appelée approche de descente continue, est d'une simplicité trompeuse. La procédure d'atterrissage standard est une approche par étapes dans laquelle les avions descendent et se stabilisent alternativement plusieurs fois sur environ 50 kilomètres avant d'atteindre la piste. Non seulement cela oblige les avions à voler plus longtemps à basse altitude, où une plus grande partie de leur bruit se répercute sur les communautés, mais cela nécessite également une force supplémentaire de la part des moteurs pour maintenir l'avion à niveau, ce qui crée encore plus de bruit. Mais le plan de Clarke prévoyait que l'avion reste plus longtemps à une altitude plus élevée, puis descende à l'aéroport sans se stabiliser.
L'équipe a dû relever un certain nombre de défis tout en développant la procédure. Clarke devait s'assurer que cela réduirait considérablement le bruit au sol, qu'il était sûr dans différentes conditions météorologiques et que les contrôleurs aériens pouvaient gérer plusieurs avions entrants volant le nouveau modèle. Vous devez vous assurer de garder tous les différents objectifs et contraintes en vue en même temps, explique Clarke. Vous ne pouvez pas simplement essayer d'optimiser sur un sujet, car vous finirez par en violer un autre.
Au cours de la phase de conception initiale, Clarke a utilisé un programme de simulation de bruit qu'il a développé pour l'aider à décider quelle trajectoire de vol physique serait la plus silencieuse. Le programme permet aux chercheurs de déterminer la trajectoire exacte qu'ils souhaitent suivre pour un avion, ainsi que les caractéristiques topographiques et la densité de population de la zone qu'il survole. Ensuite, le programme calcule le bruit que l'avion crée au sol et le nombre de personnes affectées par celui-ci. Après que Clarke ait évalué plusieurs chemins possibles, lui et des chercheurs de Boeing Commercial Airplanes ont utilisé un simulateur Boeing qui comprend tout le matériel de cockpit et les commandes d'un vrai 767 pour créer une procédure de pilotage détaillée étape par étape. Ces sessions sur simulateur ont également permis de vérifier que l'avion pouvait gérer la procédure dans différentes conditions de vent.
Vérification de la réalité
Quelle que soit la qualité d'une procédure dans un simulateur, cependant, un test dans le monde réel est le seul moyen de voir si cela fonctionne vraiment. Pendant huit nuits fin octobre et début novembre 2002, Clarke, ses collègues du MIT, les chercheurs de Boeing et de la NASA, deux pilotes, un météorologue d'UPS et un contrôleur aérien de la tour de contrôle de Louisville ont surveillé les vols nocturnes pour détecter le bruit. Chaque nuit, ils ont sélectionné deux avions UPS : l'un pour effectuer la procédure d'atterrissage traditionnelle et l'autre pour effectuer l'approche en descente continue. Quatre ou cinq équipages en direction de Louisville ont reçu des documents d'information décrivant la procédure avant leur décollage. Une fois les avions en vol, deux équipages ont été informés qu'ils avaient été choisis pour participer. Nous avons choisi les pilotes au hasard et leur avons dit, en gros, vous allez faire cette procédure ce soir, dit Clarke. Cette méthode a permis de vérifier qu'UPS pouvait mettre en œuvre la procédure sans avoir à dispenser une formation particulière à ses pilotes.
Ensuite, les chercheurs de Boeing, de la NASA et du MIT se sont rendus à sept endroits différents à Floyds Knobs qui se trouvaient sous la trajectoire de vol, apportant avec eux des équipements de mesure du bruit. Nous sommes entrés dans les champs des gens ou nous sommes sortis de la route et avons installé des microphones, explique Clarke. Était-il nerveux à l'idée que la procédure ne réduise pas le bruit comme prévu ? Non, dit Clarke avec un sourire. J'avais peur que les pilotes les pilotent correctement.
Clarke n'avait pas besoin de s'inquiéter ; Après avoir analysé les données des tests, l'équipe a découvert que l'approche en descente continue réduisait le bruit de 69 à 70 décibels à 62 à 63 décibels. C'est une quantité importante, étant donné qu'une réduction du bruit de trois décibels est perceptible par la personne moyenne, et qu'une réduction de 10 décibels est perçue comme étant deux fois moins forte. Les chercheurs ont également découvert que les avions qui suivaient la procédure économisaient environ 225 kilogrammes de carburant.
Bien que les tests de 2002 aient été un succès, il reste encore du travail à faire pour prouver que la procédure est pratique dans un trafic aérien modérément dense. Lorsque plusieurs avions atterrissent en succession rapide, les contrôleurs aériens utilisent généralement la vitesse des avions lorsqu'ils se mettent en palier pour se rapprocher de la distance qui les sépare de la piste. Cependant, un avion utilisant l'approche en descente continue ne vole jamais en palier et sa vitesse décélère continuellement. Si de nombreux avions effectuent cette approche, il est difficile pour les contrôleurs aériens de prédire à quel point ils seront proches les uns des autres à l'approche de la piste. La procédure conçue par Clarke pour le test de 2002 a tenté de tenir compte de cela en maintenant les vitesses des avions aussi constantes que possible pendant la descente initiale, mais elle n'a été testée que dans un trafic léger.
En septembre, cependant, Clarke testera la procédure dans un trafic modérément dense. Il conçoit une approche que 20 avions UPS voleront lorsqu'ils entreront dans l'aéroport à moins de deux minutes les uns des autres. Clarke espère que ce test prouvera que les contrôleurs aériens peuvent gérer l'atterrissage de plusieurs avions en utilisant la nouvelle approche. Si tout se passe bien, l'équipe demandera ensuite à la FAA d'approuver les procédures de Louisville, un processus qui, selon Clarke, pourrait prendre moins d'un an.
Avions silencieux
Pendant ce temps, Clarke apporte son expertise à l'initiative multidisciplinaire Silent Aircraft du Cambridge-MIT Institute, qui a été lancée l'automne dernier. L'initiative de trois ans rassemble des chercheurs de l'Université de Cambridge et du MIT, ainsi que des experts de partenaires industriels et gouvernementaux, pour concevoir un avion si silencieux que son bruit serait imperceptible à l'extérieur de l'aéroport. Karen Willcox, professeure adjointe d'aéronautique et d'astronautique, SM '96, PhD '00, utilise le simulateur de bruit de Clarke dans ses évaluations des conceptions expérimentales de l'équipe.
Alors que la plupart des ingénieurs de l'initiative travailleront sur le nouvel avion, Clarke se concentrera sur la création d'une approche de descente continue pour les avions commerciaux existants à l'aéroport de Gatwick à Londres. L'équipe espère effectuer un test en vol en 2005 et mettre en œuvre la procédure à Gatwick en 2006.
Les travaux de Clarke sur l'approche de descente continue aideront la Silent Aircraft Initiative à démontrer que ses travaux aideront l'économie du Royaume-Uni, une mission commune à tous les projets de recherche conjoints de CMI ( voir From Cambridge to Cambridge , MIT News, mai 2003 ). Des procédures d'atterrissage plus silencieuses pourraient avoir de larges avantages économiques pour les aéroports, les compagnies aériennes et les communautés. Par exemple, les aéroports qui ont des couvre-feux antibruit pourraient exploiter plus de vols, réduisant ainsi les embouteillages et les problèmes de retards qui conduisent finalement à une augmentation des coûts d'exploitation des compagnies aériennes et des prix des billets. À long terme, des atterrissages plus silencieux pourraient aider à atténuer les inquiétudes de la communauté concernant la construction de nouvelles pistes. Un avion considérablement plus silencieux augmenterait considérablement le nombre de vols pouvant entrer et sortir des aéroports du monde entier, mais il faudra des décennies pour se concrétiser. Il faut 10 ans pour développer un avion, puis encore 15 ans avant qu'un nombre important d'entre eux n'entrent dans la flotte, explique le professeur d'aéronautique et d'astronautique Ian Waitz, qui dirige la composante économique de l'initiative. Mais les opérations dans lesquelles J-P Clarke est impliqué, celles-ci, dans un an ou deux, peuvent changer les choses.
En effet, si l'approche de Clarke est approuvée pour Louisville et Gatwick, les habitants de Floyds Knobs et de Londres peuvent s'attendre à dormir beaucoup plus profondément dans quelques années seulement.