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Pilotenassistenzsystem LNAS ermöglicht leisere und
treibstoffsparende Anflüge
Mit mehr als 90 Anflügen auf den Flughafen Zürich testeten
Forscher der Empa
und des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) unter
der Leitung der
Swiss SkyLab Foundation ein Assistenzsystem, das Piloten via
Display bei leisen
und zugleich sparsamen Anflügen unterstützt. Ergebnis: die
Lärmemisson und der
Treibstoffverbrauch sinken messbar. Nun soll das vom DLR
entwickelte System zur
Serienreife gebracht werden.
Der Anflug auf einen Flughafen ist in der Regel die
arbeitsintensivste Phase eines Fluges. Die Pilotinnen
und Piloten müssen Geschwindigkeit, Höhe, Triebwerksschub,
Lande- und Bremsklappen kontrollieren und
gleichzeitig auf wechselnde Winde, den Verkehr und die
Anweisungen der Fluglotsen reagieren. Dabei gilt
ein ähnliches Prinzip wie für Autofahrer am Boden:
Vorausschauendes Fahren erlaubt es, Treibstoff zu
sparen. Vorausschauendes Fliegen senkt zusätzlich noch die
Lärmemission. Das Deutsche Zentrum für
Luft- und Raumfahrt (DLR) hat ein Assistenzsystem für den
kontinuierlichen Sinkflug entwickelt, das den
Piloten via Display im Cockpit empfielt, was für einen
umweltfreundlichen Landeanflug zu tun ist. Das
System mit dem Namen LNAS (Low Noise Augmentation System)
berechnet die optimale Höhe, Sinkrate,
die ideale Geschwindigkeit und Konfiguration des Flugzeugs und
korrigiert die Empfehlungen dynamisch
während des Anflugs. Im September 2019 erfolgten mehr als 90
Test-Anflüge auf Piste 14 des Flughafens
Zürich mit dem Assistenzsystem LNAS an Bord des
DLR-Forschungsflugzeugs A320 ATRA (Advanced
Technology Research Aircraft). 70 untereinander vergleichbare
Anflüge flossen in die Auswertung ein. Die
Empa überprüfte die Wirksamkeit mit einer Reihe von
Lärmmessungen entlang der Anflugroute. Nun
liegen die Ergebnisse vor und wurden an das Schweizer Bundesamt
für Zivilluftfahrt (BAZL) übermittelt.
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So sehen Pilotinnen und Piloten das LNAS-Display im Cockpit kurz
vor Beginn des Sinkfluges. Bild: DLR
Höchste Präzision beim Anflug – ein Wettstreit zwischen Pilot
und Computer
Für die Flugversuche wurden 23 Pilotinnen und Piloten der Swiss,
der Edelweiss und der Lufthansa in zwei
Gruppen aufgeteilt. 14 nutzten das Assistenzsystems LNAS und
bekamen damit den optimalen Zeitpunkt
für das Ausfahren von Klappen und Fahrwerk angezeigt. Sie nutzen
dies Information für eine lärm- und
verbrauchsoptimierte Bremsphase während des Anflugs. Die anderen
neun versuchten ohne LNAS-
Computerunterstützung, so geräuscharm und treibstoffsparend wie
möglich zu fliegen. Das Flugzeug
steuerte jeweils einer der teilnehmenden Linienpiloten, als
Copilot fungierte ein Testpilot des DLR. Jeder
der 70 berücksichtigten Anflüge begann jeweils in 7000 Fuss
(2100 Metern über dem Meeresspiegel) mit
220 Knoten (rund 400 km/h). 43 Anflüge wurden mit Hilfe von LNAS
geflogen, 27 ohne LNAS. Stationiert
und betrieben wurde der A320 ATRA vom Flugplatz Dübendorf aus,
auf dem immer wieder
wissenschaftliche Forschungskampagnen stattfinden.
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In den vom DLR ausgewerteten Flugdaten zeigte sich, dass die
Pilotinnen und Piloten mit LNAS die
Sinkflüge viel einheitlicher und exakter flogen als die Kollegen
und Kolleginnen, die ohne Assistenzsystem
unterwegs waren. Auch der Verlauf der Fluggeschwindigkeit war
mit LNAS deutlich gleichmässiger. Auf
den Einsatz von geräuschintensiven Bremsklappen konnte bei den
Anflügen mit LNAS vollständig
verzichtet werden.
Die vertikalen Profile (links) und die Geschwindigkeiten
(rechts) wurden mit LNAS (blau) äusserst gleichmässig geflogen.
Bild: DLR.
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Messkette entlang des Anflugpfades auf Piste 14 des Flughafens
Zürich. Bild: Empa
Wahrnehmbare Reduktion der Lautstärke
Der zentrale Fokus des LNAS-Assistenzsystems liegt in der
Reduktion der akustischen Ausreisser, welche
überproportional zur Lärmbelastung beitragen. Denn einzelne
besonders laute Anflüge sind für Anwohner
besonders störend. Mit Hilfe von LNAS gelang es, diese
Ausreisser zu vermeiden und damit auch die
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lautesten Anflüge um bis zu 3 Dezibel leiser zu machen, was
einer wahrnehmbaren Verringerung der
Lautstärke um etwa ein Drittel entspricht.
Die Lärmemissionen der Flugversuche wurden mit sechs
Messstationen rund 6,3 bis 18 Kilometer vor dem
Aufsetzpunkt erfasst. Dazu wurden auch Messtellen auf deutschem
Gebiet im Landkreis Waldshut
aufgestellt. An den am weitesten entfernten Messpunkten Hasle
und Steinrütte, rund 18 bzw. 16,5
Kilometer vom Aufsetzen entfernt, konnte eine mittlere Reduktion
von rund 1 Dezibel beobachtet werden.
Zwischen Kaiserstuhl und Weiach, rund 10 bis 13 Kilometer vor
dem Aufsetzpunkt, lag der mittlere
Unterschied der Lärmpegel bei bis zu 1,8 Dezibel.
Gemessene Überflugpegel entlang der Anflugroute auf Piste 14 des
Flughafens Zürich: mit LNAS (blau), ohne LNAS (rot).
Grafik: Empa
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Simulation des Fluglärms anhand der gemessenen Daten mit dem
Simulationsprogramm sonAIR der Empa. Gestrichelte
Linie: mit LNAS, durchgezogene Linie: ohne LNAS. 24 Kilometer
vor der Landebahn, mitten im Südschwarzwald, zeichnet
sich eine deutliche Lärmreduktion ab (dunkelblau).
Nachträglich wurden die Anflüge mit dem Empa Fluglärmmodell
sonAIR unter Verwendung der
Flugparameter und meteorologischer Parameter simuliert, um auch
in den Bereichen Aussagen treffen zu
können, wo keine Messtellen aufgestellt werden konnten. Die mit
Hilfe von sonAIR berechneten
Lärmkarten bestätigen die Messergebnisse und zeigen ein
zusätzliches Reduktionspotential im
Südschwarzwald, etwa 24 Kilometer vor der Pistenschwelle mit
einer deutlichen mittleren
Schallpegelreduktion von bis zu 3 Dezibel.
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Ideales Landen mit weniger CO2-Emissionen
Über den Vergleich der Anflüge der beiden Pilotengruppen
ermittelten die Forscher auch die mittlere
Treibstoffeinsparung, die sich durch LNAS erzielen lässt. Auf
den letzten knapp 50 Kilometern vor der
Landebahn brauchten die Pilotinnen und Piloten mit LNAS im
Mittel 8,9 Kilogramm weniger Kerosin als
ohne LNAS. Hochgerechnet auf alle A320 Flüge der Swiss
(Flugbewegungen 2017) könnte LNAS also rund
500 Tonnen Kerosin pro Jahr einsparen. Da das Assistenzsystem
bereits ab der Reiseflughöhe, also ab rund
200 Kilometern vor der Piste eingesetzt werden kann, ist das
Sparpotential noch deutlich grösser.
Konservativ gerechnet ergibt sich eine jährliche Einsparung von
3000 Tonnen Kerosin, was rund 9000
Tonnen CO2 entspricht, wenn lediglich die A320-Flotte der Swiss
mit LNAS ausgerüstet werden würde.
Mit dem Abschlussbericht zu Händen des Schweizer Bundesamts für
Zivilluftfahrt (BAZL) findet ein
dreijähriges Forschungsprojekt seinen Abschluss. Beteiligt waren
die Swiss SkyLab Foundation, die Empa
und das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR). Die
Schweizer Luftwaffe stellte ihren Stützpunkt
Dübendorf während der fünftägigen Testflüge für die
Stationierung des DLR-Forschungsflugzeug ATRA
zur Verfügung. Die Skyguide stand in der Entwicklung beratend
zur Seite und ermöglichte die grosse
Anzahl der Anflüge. Der Flughafen Zürich ermöglichte die
Lärmmessungen ausserhalb der Schweiz.
Das Projekt wurde durch das Bundesamt für Zivilluftfahrt BAZL
über die Spezialfinanzierung Luftverkehr
(nach Art. 87b BV: Verordnung über die Verwendung der
zweckgebundenen Mineralölsteuer für
Massnahmen im Luftverkehr zur Begrenzung der Auswirkungen des
Luftverkehrs auf die Umwelt), das Amt
für Verkehr der Volkswirtschaftsdirektion des Kanton Zürich, das
Bundesamt für Umwelt BAFU und durch
Eigenmittel der Projektpartner finanziert.
Nachfolgendes EU-Forschungsprojekt DYNCAT
Ab Juli 2020 startet koordiniert vom DLR das weiterführende
Forschungsprojekt DYNCAT (Dynamic
Configuration Adjustment in the TMA), an dem neben den
bisherigen Forschungspartnern auch die Swiss
und der Elektronikkonzern Thales Avionics beteiligt ist. Ziel
des im Rahmen der europäischen Programme
Horizon 2020 und SESAR (Single European Sky ATM Research
Programme) geförderten Forschung ist es,
zukünftig die Fähigkeiten des vom DLR entwickelten
LNAS-Assistenzsystems in die zentralen
Navigationsrechner von Verkehrsflugzeugen zu integrieren. So
könnten lärm- und verbrauchsoptimierte
Landeanflüge an Bord vieler schon existierender Airliner Einzug
halten.
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Swiss SkyLab Foundation:
Martin Gerber, Gesamtprojektleiter, [email protected], +41
79 349 10 70, www.skylab.swiss
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt:
Fethi Abdelmoula, Projektleiter LNAS, Institut für
Flugsystemtechnik,
[email protected], +49 531 295 31 08
Falk Dambowsky, Media Relations, [email protected], +49 2203
601 3959, www.dlr.de
Empa:
Jean Marc Wunderli, Abteilungsleiter, Akustik/Lärmminderung,
[email protected], +41 58 765 47 48
Rainer Klose, Media Relations, [email protected], +41 58 765
4733
www.empa.ch/web/s509/sonair
Links:
Website des Forschungsprojekts:
https://www.dlr.de/content/de/artikel/news/2019/03/20190910_optimierung-von-anflugverfahren-zur-
laermminderung.html
Flickr-Galerie mit Bildern zu den Flugversuche:
https://www.flickr.com/photos/dlr_de/albums/72157710768054607
Fluglärmsimulationsprogramm sonAIR:
https://www.empa.ch/de/web/s509/sonair
Swiss SkyLab Foundation
SkyLab ist eine 2016 gegründete Stiftung zur Förderung der
wissenschaftlichen Nutzung von
Flugplattformen in der Schweiz. SkyLab arbeit über den Space Hub
der Universität Zürich (UZH) mit
dem Switzerland Innovation Park Zurich zusammen. SkyLab
organisiert mit der UZH die
regelmässigen Swiss Parabolic Flight Campaigns ab dem Flugplatz
Dübendorf für Forschungen in der
Schwerelosigkeit. Mittelfristig verfolgt SkyLab die Entwicklung
des Standort Dübendorf zu einem
Forschungsflugplatz.
mailto:[email protected]://www.skylab.swiss/mailto:[email protected]:[email protected]://www.dlr.de/mailto:[email protected]:[email protected]://www.empa.ch/web/s509/sonairhttps://www.dlr.de/content/de/artikel/news/2019/03/20190910_optimierung-von-anflugverfahren-zur-laermminderung.htmlhttps://www.dlr.de/content/de/artikel/news/2019/03/20190910_optimierung-von-anflugverfahren-zur-laermminderung.htmlhttps://www.flickr.com/photos/dlr_de/albums/72157710768054607https://www.empa.ch/de/web/s509/sonair
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Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Das DLR ist das Forschungszentrum der Bundesrepublik Deutschland
für Luft- und Raumfahrt und
betreibt Forschung und Entwicklung in Luftfahrt, Raumfahrt,
Energie und Verkehr, Sicherheit und
Digitalisierung. Das DLR Raumfahrtmanagement ist im Auftrag der
Bundesregierung für die Planung
und Umsetzung der deutschen Raumfahrtaktivitäten zuständig. Zwei
DLR Projektträger betreuen
Förderprogramme und unterstützen den Wissenstransfer. Das DLR
betreibt die größte zivile Flotte an
Forschungsflugzeugen in Europa.
Eidgenössische Materialprüfungsanstalt (Empa)
Die Empa ist das interdisziplinäre Forschungsinstitut für
anwendungsorientierte
Materialwissenschaften und Technologie des ETH-Bereichs. Sie
verfügt über drei Standorte –
Dübendorf, St. Gallen und Thun.
