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, [email protected]
Doç. Dr., Anadolu Üniversitesi, [email protected]
3
Doç. Dr., Anadolu Üniversitesi, [email protected]
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