В ноябре прошлого года Airbus объявил о намерении провести в 2020 году серию экспериментальных автоматизированных групповых полетов с участием двух A350-х, что, по словам представителей компании, позволит существенно сократить расходы топлива. Концерн Boeing, в свою очередь, сообщил, что уже провел в 2018 году соответствующие летные испытания, в ходе которых, самолет компании, известный, как Boeing ecoDemonstrator пролетел вслед за Boeing 777F (грузовой модификацией Boeing 777). Все это вместе взятое указывает на то, что, возможно, в скором времени появится другой подход к полетам самолетов коммерческой авиации
У полетов в зоне вихревого следа «Air-wake surfing» имеется длинный список последовательных, подтвержденных результатов исследований, показывающих, что воздушное судно может экономить топливо, находясь в зоне вихревого следа
· Многообещающие перспективы, и реально существующие проблемы
· Авиационные бортовые системы, инструменты планирования и порядок действий
Еще в 1984 году научные сотрудники из Брауншвейгского технического университета (Германия) провели испытания и доказали эффективность этой концепции, добившись 15% уменьшения потребляемой мощности в ходе группового полета двух самолетов Dornier Do 28 при ручном режиме управления. Дальнейшие многочисленные испытания, проведенные с использованием различных типов самолетов, показали, что экономия топлива во время полетов в зоне вихревого следа может составлять от 8% до 18%.
Тогда почему же операторы (коммерческие, или военные) еще не используют данный подход для повышения эффективности? И почему именно сейчас на это обратили внимание? Одна из причин – оснащенность воздушных судов авионикой, дающей возможность совершать такие виды полетов, и в частности технологией ADS-B (automatic dependent surveillance-broadcas – автоматическое зависимое наблюдение-вещание – внедряемая в настоящее время во многих странах технология, позволяющая, как пилотам в кабине самолетов, так и авиадиспетчерам на наземном пункте наблюдать движение воздушных судов с большей, чем было ранее точностью и получать аэронавигационную информацию).
Почему сейчас? «На данный момент, оснащение самолетов технологией ADS-B в США является обязательным. А значит, наши воздушные суда оснащены авионикой, позволяющей сделать полеты в зоне воздушного следа возможными» - говорит Al Sipe – главный инженер по эффективности использования авиационных систем компании Boeing. «Почему мы этого не делаем? Экономия топлива действительно существенная. Возможности у нас есть. Но нормативные требования пока не позволяют нам этого сделать. Так что следующим шагом должно быть изменение существующих нормативных требований» - продолжает он.
В свете накопленного опыта и, опираясь на результаты, полученные Boeing, компания Airbus, в рамках проекта «Fello’fly» планирует провести в 2020 году свои летные испытания и разрабатывает технологии, системы и методы, которые впоследствии помогут операторам безопасно пользоваться преимуществами «wake surfing».
«Нами проделана огромная работа и проведено уже достаточное количество испытаний, чтобы быть уверенными, что мы сможем провести экспериментальные полеты с участием коммерческих воздушных судов. Сначала мы планируем задействовать грузовые самолеты и вместе с компанией Airbus работаем над нормативно-правовыми аспектами» - рассказал Sipe во время проходившей в январе 2020 года конференции «SciTech» Американского института Аэронавтики и астронавтики (American Institute of Aeronautics and Astronautics).
Акцент должен делаться на следующее: на разработку обоснования безопасности таких полетов и передачи его регулирующим органам для изменения существующих правил; на согласование процедур между воздушными судами, эксплуатантами и УВД (ATC - air traffic control – служба Управления воздушным движением) для обеспечения возможности осуществления полетов в зоне вихревого следа; и на разработку экономического обоснования для воплощения замысла в жизнь.
Но есть и проблемы. Одна из них - снижение сопротивления. Вместо того, чтобы поддерживать, устойчивый горизонтальный полет в зоне вихревого следа самолету приходится наклонять нос, чтобы он опускался относительно движущегося вверх воздуха. Как правило, вектор подъемной силы направлен перпендикулярно вектору скорости движения и слегка наклонен вперед. Это компенсирует некоторое сопротивление, требуя меньшей тяги для поддержания горизонтального полета. Что в свою очередь снижает расход топлива.
Вторая – это традиционное групповое пилотирование. Военные самолеты летают сомкнутым строем на расстоянии нескольких размахов крыла друг от друга. Что касается самолетов коммерческой авиации, то они будут лететь, в «разомкнутом боевом порядке» на увеличенной дистанции (на расстоянии до 1 морской мили друг от друга) по так называемой «общей траектории полета» (“cooperative trajectories.”). Такая дистанция (равная 10 и более размахам крыла) имеет свои преимущества, касающиеся экономии расхода топлива и уменьшения нагрузки на летчика.
К тому же есть и ряд эксплуатационно-технических вопросов, на которые еще предстоит дать ответы. При полете строем выгоду, касающуюся экономии топлива, имеет только ведомый самолет. «Кто получает предпочтение? И чья это проблема? Авиакомпаний или УВД?» - спрашивает Sipe.
Нельсон Браун (Nelson Brown) – инженер испытатель, работавший в 2017 году в Летно-исследовательском центре NASA им. Армстронга (NASA Armstrong Flight Research Center) над проектом «Automated Cooperative Trajectories» (ACT) приводит примеры существующих между авиакомпаниями соглашений и предполагает, что в скором времени могут появиться рыночные отношения, действующие по принципу «выгода сегодня, окупаемость – завтра».
Ведомый самолет летит вне вихревого следа чтобы избежать риска его пересечения (источник DLR)
Существует и другой вопрос, насколько велика будет экономия топлива во время реальных полетов. Испытания прототипа автоматизированной системы wake-surfing (для полетов воздушных судов друг за другом в зоне вихревого следа), проведенные совместно Управлением перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA - DefenseAdvanced Research Projects Agency), Научно-исследовательской лабораторией ВВС США (theU.S. Air Force Research Laboratory) и компанией Boeing в 2012-2013 годах с участием, двух, летящих разомкнутым строем военно-транспортных самолетов C-17, позволили достичь 10% экономии топлива более, чем за 90 минут полета.
Но 10% - это в лучшем случае, и такой результат не будет постоянным. «Предположим, что у ведомого, самолета наблюдается устойчивое 8% снижение расхода топлива, тогда пара на этой фазе полета сэкономит примерно 4% топлива» - отметил в своем выступлении на конференции инженер по системам управления компании Boeing Тристан Фланцер (Tristan Flanzer).
«Не стоит забывать, что самолеты не все время летят строем. Так, что с учетом других фаз полета (таких как взлет и посадка) экономия вообще может снизиться до 3%» - говорит он. Тогда возникает следующий вопрос, какая часть авиапарка, принадлежащих оператору самолетов, будет на постоянной основе летать группой. «Если половина всех полетов будет проходить парами, то экономия топлива (на уровне системы) составит всего лишь 1,5%. Таким образом, получается, что реальная выгода будет на порядок ниже заявленной» - добавляет Фланцер.
Безусловно, 1,5% - это тоже существенная экономия. Но использование вихревого следа для более эффективных (с точки зрения экономии топлива) полетов – не сводится только к решению технической задачи. «Для авиакомпаний должны быть подготовлены прозрачные привлекательные предложения. Для понимания технических и эксплуатационных потребностей им нужна четко прописанная концепция действий (CONOPS), доказуемо безопасная архитектура системы и план ее сертификации» - говорит он.
В предлагаемом Boeing CONOPS, включены четыре отдельные фазы: подготовка; вылет и одиночный полет; групповой полет по общей траектории; размыкание и послеполетные действия (post-flight). Предполагается: самолеты оснащены усовершенствованным оборудованием, (автопилотом, автоматом тяги, приемниками ADS-B “In” и современной системой оповещения; летчики прошли обучение, касающееся вывода самолета в ручном режиме из индуцированных вихревым следом нештатных отклонений и их действия были признаны верными. Следует учитывать, что летчики коммерческой авиации (если только они не бывшие военные) не имеют опыта полетов строем, поэтому их обучение чрезвычайно важно.
Полет строем – вводящий в заблуждение термин, поскольку самолеты летят на достаточно безопасном друг от друга расстоянии (источник: Boeing)
Фаза подготовки начинается за несколько месяцев со стратегического планирования необходимого для того, чтобы скорректировать расписание полетов и обеспечить максимум возможностей для групповых полетов. После того, как определены пары и время полетов, для каждого самолета составляется детальный план полета. Перед вылетом первого самолета с экипажами обоих самолетов проводится предполетный инструктаж с указанием обязанностей экипажей ведущего/ведомого самолетов и места их встречи в воздухе.
«Самолеты могут вылететь из разных аэропортов, в разное время, вот почему их вылеты должны быть тщательно скоординированы. Любая задержка успешно нейтрализуется, пока второй самолет еще находится на земле» - говорит Фланцер.
«Ветра на эшелоне, оказывают сильное влияние на эффективность полетов строем. Чтобы направление ветра было наиболее оптимальным для группового полета, эксплуатантам придется проявить гибкость в вопросах времени вылета, дабы не допустить большого отклонения от курса, поскольку это предусматривает дополнительные издержки по топливу» - объяснил во время своего выступления на конференции научный сотрудник Германского центра авиации и космонавтики (DLR) Тобиас Марк (Tobias Mark).
Пока оба самолета находятся в воздухе, их бортовые системы, взаимодействующие с наземными системами управления полетом, в которых используется новейшая, разработанная NASA технология «Interval Management» («Flight Deck Interval Management») помогут авиадиспетчерам скорректировать скорость и скоординировать время прибытия в расчетную точку встречи и гарантированно обеспечить эшелонирование по высоте (между самолетами) в 2000 футов.
Следующая фаза: групповой полет по общей траектории «The cooperative trajectory operations»Она включает четыре подфазы. Первая - визуальное обнаружение, и передача управления от наземных диспетчерских служб, обеспечивающих горизонтальное эшелонирование в 5-50 морских милей к визуальному пилотированию. Используя данные, передаваемые ведущим самолетом, ведомый самолет встраивается позади него на дистанции равной примерно 1 морской мили с интервалом 500 футов слева или справа от прогнозируемого положения вихревого следа ведущего воздушного судна.
Два самолета объединяются в строй, экипажи информируют Управление воздушным движением, что они принимают на себя ответственность за эшелонирование, и экипаж ведущего самолета берет на себя руководство полетом. Далее УВД рассматривает полет пары, как полет двух самолетов, действующих в пределах высоты в 2000 футов.
Теперь, когда группа приняла устойчивое положение, пилот ведомого самолета включает режим полета по «общей траектории» для «захвата» и отслеживания вихревого следа, оставляемого впереди летящим самолетом. Данные о ведущем самолете и информация о своем собственном ЛА используются для определения потенциального положения вихревого следа. При включенном автопилоте и режиме автоматического управления тягой, задействованная функция «захвата вихревого следа» (the wake capture function), перемещает ведомый самолет в оптимальное (с точки зрения комфорта в полете и экономии топлива) положение – на расстояние примерно 200 футов от вихревого следа.
Экипажи, участвовавших в экспериментальных полетах, C-17х и, привлеченных NASA к испытаниям двух самолетов Gulfstream GIII, сообщили лишь о «легком ударе («light chop») во время полета в зоне вихревого следа, но это можно назвать компромиссом между комфортом в полете и экономией топлива. «Когда пассажиры бодрствуют, экипаж может подойти ближе к вихревому следу (для экономии топлива) и отойти дальше от него в ночное время, когда пассажиры спят (для более комфортного полета). Не стоит также забывать и о том, что существует некий «порог атмосферной турбулентности» за пределами которого полеты в зоне вихревого следа невозможны» - объясняет Браун.
После, начала полета в строю ведомый самолет пилотируется посредством автоматического управления. Отображаемая на дисплеях информация, обеспечивает экипажу ситуационную осведомленность на всех этапах полета. Летчики видят положение своего самолета, как относительно ведущего самолета, так и относительно формирующегося за ним вихревого следа. Если, впереди летящему самолету, требуется изменить скорость, высоту или курс, это «намерение» передается ведомому самолету, который на время необходимого маневра может уйти в сторону из зоны вихревого следа. Чтобы не допустить пересечение вихревого следа, и избежать нештатных отклонений и перегрузок, срабатывает система предупреждения и возврата в исходное состояние, отдающая ведомому самолету команду отойти от зоны вихревого следа.
По достижении заданной точки на маршруте пара размыкается. Экипаж ведущего самолета извещает службы УВД, которые и восстановят стандартное эшелонирование между ними.
«Полет по «общей траектории» возможен только на этапе крейсерского режима полета. Таким образом, обеспечиваемое УВД эшелонирование, должно быть выполнено не позднее, чем на расстоянии 150-200 морских миль от пункта назначения» - говорит Фланцер.
Выводы, вытекающие из представленного Boeing CONOPS, указывают на необходимость в инструментах, как для стратегического, так и для детального планирования полета; на значимость системы ADS-B, на оптимальное использование современных инструментов управления интервалами во время перехода (с одной фазы полета на другую), а также на потребность в новых «подрежимах» автоматической системы управления.
Концепция основывается на прогнозировании, а не на измерении положения вихревого следа. Когда ведомый самолет летит на расстоянии равном 20 размахам крыла или 4000 футам, вихревой след, тянущийся за летящим впереди самолетом, может быть значительно отнесен. Скорость, с которой вихревой след опускается, зависит от типа ведущего самолета, его веса и скорости, тогда как скорость, с которой его сносит зависит от ветра на эшелоне. Чтобы сделать прогноз относительно положения вихревого следа, необходимо иметь данные, которые должны поступить от ведущего самолета.
«При отсутствии датчика обнаружения вихревого следа мы должны использовать канал передачи данных «aircraft-to-aircraft». Безусловно, ADS-B привлекателен из-за своей распространенности, но дает ли он достаточно информации и имеет ли достаточное разрешение, чтобы с его помощью спрогнозировать положение вихревого следа? И как, дляобеспечения безопасного эшелонирования, осуществить передачу информации, сохранив при этом ее целостность и безошибочность? Общее мнение таково, что только отдельно взятого ADS-B недостаточно» - говорит Фланцер.
Для уровня надежного прогнозирования положения воздушного следа, необходимого для стандартных полетов коммерческих самолетов по общей траектории, данных, поступающих только с ADS-B будет скорее всего недостаточно. Для других же аспектов полета, ADS-Bобеспечивает достаточно точную информацию. К тому же есть способы улучшить ADS-B и расширить его возможности» - добавляет он.
«Точность определения положения вихревого следа можно повысить, добавив, к передаваемой ведущим самолетом информации, данные о параметрах ветра. Уже идут переговоры о включении такого предложения в ADS-B (Version 3)» - говорит Sipe. Ответчик режима S EHS(Enhanced Surveillance) уже имеет такую информацию, но для получения данных следует запросить самолетный ответчик и обычно это делают только наземные РЛС.
Для летных испытаний с участием Boeing 777F и ecoDemonstrator компания AviationCommunication & Surveillance Systems усовершенствовала свою систему оповещения режимов полетов и предупреждения столкновений TCAS (traffic collision alert system) для возможности запроса данных у ведущего самолета. Система посылает данные ADS-B и EHS на лэптоп ведомого самолета, в котором размещен алгоритм определения положения вихревого следа. В свою очередь лэптоп отправляет команду в «localizer control law» автоматизированной системы управления, который используется для удержания самолета относительно положения вихревого следа. «Так что ADS-B в «паре» с TCAS вполне могут работать» - говорит Фланцер.
Для получения максимальной аэродинамической выгоды положение вихревого следа должно быть известно с точностью до нескольких процентов размаха крыла (около 10 футов) для больших коммерческих самолетов. Точность больше 30 м (100 футов) обычно допускается без использования GPS. «Если оба самолета видят одни и те же спутники, то они могут перемещаться с гораздо большей точностью относительно друг друга. Но это, в свою очередь, потребовало бы нового блока информации от ADS-B. Мы не можем полагаться на самолеты, летящие строем, которые постоянно видят одни и те же спутники. Нам потребуется какой-то способ, чтобы определить положение вихревого следа изнутри» – говорит Sipe.
Несмотря на проблемы, которые еще предстоит решить, полеты в зоне вихревого следа по прежнему остаются перспективными с точки зрения экономии топлива, как для коммерческих, так и для военных полетов. Майор Уилл Гатри (Will Guthrie) пилот топливо-заправщика резерва ВВС США, который также является пилотом американской грузовой авиакомпании FedEx, говорит, что у грузовой авиакомпании есть несколько самолетов, которые каждый день летают в одном направлении в Лос-Анджелес и Сан-Франциско, в Лондон и Париж с интервалом в несколько минут друг от друга. «Не вижу причин, почему бы им не объединиться в пару, и присоединившемуся самолету (который становится ведомым) не извлечь из этого свою выгоду» - отметил он в своем выступлении на конференции.