Determinación de condiciones de compatibilidad en un TMA de tamaño medio de procedimiento ACDA de empuje mínimo, y perfil vertical variable, o perfil de velocidad variable, con procedimientos convencionales, minimizando su impacto sobre la capacidad
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(2) m Escuela Técnica Superior de Ingenieros Aeronáuticos UNIVERSIDAD POLITÉCNICA DE MADRID. Tribunal nombrado por el Magfco. Y Excmo. Sr. Rector de la Universidad Politécnica de Madrid. El día de de 200 Presidente: Vocal: Vocal: Vocal: Secretario: Suplente: _ Suplente: _. Realizado el acto de defensa y lectura de la Tesis el día de 200 en la E.T.S J. Aeronáuticos. EL PRESIDENTE. de. LOS VOCALES. EL SECRETARIO.
(3) En el proceso de desarrollo de una tesis doctoral se recibe el apoyo y ayuda de diferentes amigos, compañeros y colegas, y es fácil olvidarse de alguno cuando se llega al final. En este caso me gustaría agradecer el apoyo y ayuda de mis amigos y compañeros en la Universidad, Francisco Sáez, Luis Pérez, José Félix Alonso, Javier Crespo y Javier Clares, por su apoyo en diferentes momentos del trabajo. De igual fomia me gustaría agradecer a mis compañeros en INECO Sistemas Aeronáuticos, por sus diferentes aportaciones técnicas, en especial a Javier Cámara, M^ Luisa Fernández, Andrés Redondo y Lucía González por su labor de corrección y comentarios finales. Agradecer igualmente el soporte de The Boeing Company a través de proyecto de investigación "TIVIACDA" desarrollado en el Departamento de Infraestructura, Sistemas Aeroespaciales y Aeropuertos de la UPM. Y por supuesto, y en especial, a quienes más han tenido que compartir su tiempo con este trabajo, mi familia, Rosa, César y Belén, que han pemiitído que le dedique el tiempo necesario y han soportado los altibajos pacientemente..
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(5) RESUMEN Bajo el título de CDA, Descenso Continuo en Aproximación, se engloban una serie de procedimientos de aproximación que han demostrado recientemente su potencial para la reducción del impacto acústico en la operación de la aeronave en el entorno aeroportuario. En el procedimiento CDA, la aeronave mantiene una determinada altitud hasta un punto definido de inicio del procedimiento (TOD), a partir del cual la aeronave adopta una configuración que le permite realizar el descenso de forma continua, es decir sin tramos escalonados, sin modificar su estado durante la aproximación. Uno de los principales problemas que se plantea en la aplicación de estos procedimientos en escenarios reales, es la compatibilidad con procedimientos convencionales. Ante esta situación, la presente tesis busca, para un área terminal de maniobras (TMA) de densidad de tráfico media (80 mov./liora), definir un escenario operacional que, produciendo el minimo impacto sobre aeronaves y ATC, pemi'ita la utilización máxima de las aproximaciones en descenso continuo (ACDA), para el caso de velocidad vertical constante y ángulo de descenso constante, con la aplicación práctica al TMA de Madrid. Para ello, se han definido seis fases de trabajo, encaminadas a resolver, fundamentalmente, el problema de, ante la solicitud de un piloto de realizar una aproximación ACDA, establecer las separaciones con las aeronaves precedente y siguiente al inicio del procedimiento que garanticen que, durante toda la aproximación, se mantienen los mínimos de separación por estela turbulenta, conservando unos índices de frustrada similares a los obtenidos actualmente, y con unos niveles de seguridad definidos. Los procedimientos ACDA de velocidad vertical constante, y ángulo de descenso constante, planteados en este estudio, con las distancias de separación propuestas, mantienen el índice de frustradas en la aproximación a Madrid - Barajas en valores inferiores, pero próximos, a los actuales, garantizando una probabilidad de accidente inferior a 1 entre 25 millones de operaciones de aproximación, y siendo válidos para el 68% de la flota que opera en este aeropuerto..
(6) ABSTRACT Under the title of CDA, Continuous Descent Approach, are comprised a series of approach procedures which have recently preved their potential for acoustic impact reduction in aircraft operation within the airport área. On a CDA procedure, the aircraft keeps a certain altitude up to an established point where the procedure starts (TOD), from this point on the aircraft adopts a configuration that allows to perfomi the descent continuously, that is, without stepped intervals, without modifying its condition during the approach. One of the main problems arising when putting into practise these procedures on real scenarios, is the congruence with conventional procedures Faced with this situation, the present thesis see/cs to establish, for a given terminal manoeuvre área (TMA) with an average traffic density (80 movements per hour) such as Madrid's, an operational scenario that, while having minimum impact upon aircraft and ATC, pennits a máximum use of continuous descent approaches (ACDA) in case of constant vertical speed and constant descent siope. For this purpose, six work stages have been defined, focused to solve, essentially, the probiem of, faced with the pilot's request to perfomi an ACDA approach, establishing at the start of the procedure the separations with the trailing and leading aircraft that guarantee that, during the whoíe approach, wal<e turbulence separation minima is maintained, keeping missed approach indexes similar to those currently obtained, and with the defined safety levéis. ACDA procedures with a constant vertical speed profile, and a steady descent slope profile, that have been considered on this study, for the separation distances suggested, maintain missed approach indexes in Madrid - Barajas' approach to lower, although closely, valúes than those present now, therefore assuring an accident probability lower than 1 out of 25 million approach operations, and appiying to 68% of the standard fleet of this airport..
(7) PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. ÍNDICE RESUMEN Y CONCLUSIONES I CAPITULO 1. PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO 1 1.1. Introducción 1 1.2. Procedimiento CDA 3 1.3. Advanced Continuous Descent Approaches - ACDAs 5 1.3.1. ACDA con empuje variable 6 1.3.2. ACDA con perfil vertical variable 7 1.3.3. ACDA con velocidad variable 7 1.4. Compatibilidad de procedimiento ACDA con procedimientos convencionales 9 CAPITULO 2. DESCRIPCIÓN DEL ESCENARIO OPERATIVO 11 2.1. Introducción 11 2.2. Descripción del escenario 11 2.2.1. Escenario físico y configuración operativa seleccionada 11 2.2.2. Organización del espacio aéreo 13 2.2.3. Rutas de llegada (STAR) 14 2.2.4. Procedimientos ATC 15 2.2.5. Procedimientos de aproximación 16 2.3. Flota de llegada en Madrid - Barajas 16 2.3.1. Clasificación de aeronaves por categoría 16 2.3.2. Clasificación de aeronaves por modelo :.: .' -. 18 CAPITULO 3. MODEUZACIÓN DEL PROCEDIMIENTO 21 3.1. Introducción 21 3.2. Modelo de energía 22 3.2.1. Resistencia Aerodinámica 24 3.2.2. Modelado para el cálculo del empuje 26 3.2.3. Densidad del aire 27 3.3. Modelo de aproximación en descenso continuo con velocidad vertical constante y motores a ralentí 28 3.3.1. Soluciones al procedimiento 32 3.3.2. Aplicación al B737-700 36 3.4. Modelo de aproximación en descenso continuo con ángulo de descenso constante y motores a ralentí 38 3.4.1. Soluciones al procedimiento 41 3.4.2. Aplicación al B737-700 44 CAPITULO 4. DISEÑO DE PROCEDIMIENTOS ACDA EN MADRID - BARAJAS 47 4.1. Introducción 47 4.2. Descripción de condiciones del procedimiento 47 4.3. Proceso de definición 49 4.3.1. Definición de procedimientos ACDA para cada modelo de aeronave 49 4.3.2. Agrupación de aeronaves por condiciones iniciales del procedimiento 50 4.3.3. Diseño de procedimientos válidos para cada grupo de aeronaves 50 4.3.4. Comprobación de errores en el FAP en trayectorias nominales para cada modelo de aeronave 50 4.3.5. Definición final del procedimiento ACDA 52 4.4. Definición de la transición en el FAP 52 4.5. Procedimiento ACDA con velocidad vertical constante 54 4.5.1. Agrupación de la flota 54 4.5.2. Identificación de condiciones en el TOD 56 4.5.3. Representación de trayectorias y velocidades 58 4.6. Procedimiento ACDA con ángulo de descenso constante 61 4.6.1. Agrupación de la flota 61.
(8) PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. 4.6.2. Identificación de condiciones en el TOD 62 4.6.3. Representación de trayectorias y velocidades 65 4.7. Procedimientos seleccionados 67 CAPÍTULO 5. CALCULO DE SEPARACIÓN ENTRE AERONAVES EN CONDICIONES NOMINALES. 69 5.1. Introducción 69 5.2. Descripción del procedimiento convencional 71 5.3. Procedimiento acda con velocidad vertical constante 73 5.3.1. Tiempos de separación entre aeronaves 74 5.3.2. Selección de aeronaves representativas 77 5.3.3. Distancias mínimas entre aeronaves 79 5.4. Procedimiento ACDA con ángulo de descenso constante 81 5.4.1. Tiempos de separación entre aeronaves 82 5.4.2. Selección de aeronaves representativas 83 5.4.3. Distancias mínimas entre aeronaves 84 5.5. Definición de mínimas de separación en condiciones ideales 86 CAPITULO 6. ANÁLISIS DE FACTORES DE INFLUENCIA SOBRE LA SEPARACIÓN ENTRE AERONAVES. 89 6.1. Introducción 89 6.2. Descripción del proceso de análisis 90 6.2.1. Modelización del factor de influencia 91 6.2.2. Análisis cualitativo del factor de influencia 91 6.2.3. Distfibución estadística de separaciones 92 6.2.4. Composición de distribuciones en tiempo 92 6.2.5. Distribución estadística de separación en distancia 93 6.2.6. Composición de distribuciones en distancia 94 6.3. Análisis de factores de influencia 94 6.3.1. Error del sistema en la determinación de la altitud de vuelo 96 6.3.2. Error del sistema en la fijación del TOD 98 6.3.3. Error de pilotaje en la fijación del TOD 100 6.3.4. Error de pilotaje en la fijación de la velocidad inicial 101 6.3.5. Error por efecto de viento 103 6.3.5.1. Descripción del proceso de análisis del efecto del viento 104 6.3.5.2. Evaluación cualitativa del efecto del viento 106 6.3.5.3. Tiempos de separación por efecto del viento 108 6.4. Obtención de los tiempos de separación 111 6.5. Obtención de distancias de separación 114 CAPITULO 7. ÍNDICE DE FRUSTRADAS Y ANÁLISIS DE RIESGO 121 7.1. Introducción 121 7.2. Simulaciones de montecarlo 122 7.2.1. Selección de parámetros de entrada 123 7.2.2. Selección de aeronaves a evaluar 123 7.2.3. Modelización de las trayectorias y velocidades 124 7.2.4. Evaluación de la distancia mínima de separación 125 7.3. índice de maniobras frustradas 125 7.4. Análisis de riesgo 130 7.4.1. Definición del índice de seguridad o "Target Level of Safety" (TLS) 130 7.4.2. Identificación de la situación de riesgo 131 7.4.3. Probabilidad de Violación de Separación de Seguridad (VSS) 133 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 137.
(9) PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. ANEXO 1.. ELEMENTOS FÍSICOS Y RESTRICCIONES OPERATIVAS DEL ESCENARIO. ANEXO 2.. CARACTERÍSTICAS DE LAS AERONAVES: BASE DE DATOS BADA. ANEXO 3. VELOCIDAD. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO DE MODEUZACIÓN DE LA TRAYECTORIA Y LA A39. ANEXO 4.. SOLUCIONES DE LA ECUACIÓN DE LA ENERGÍA Y ERRORES EN EL FAP. A53. ANEXO 5.. VELOCIDADES DEL PROCEDIMIENTO CONVENCIONAL. A79. ANEXO 6.. EFECTO DE FACTORES DE INFLUENCIA SOBRE LA SEPARACIÓN. A85. ANEXO 7.. PROGRAMAS SOFTWARE. CURRICULUM VITAE. Al A27. A133 C1. ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 1-1 Característica de la aproximación CDA y ACDA 5 Tabla 2-1 Movimientos diarios y clasificación 17 Tabla 2-2 Porcentaje de Aeronaves en un dia tipo en el aeropuerto Madrid-Barajas 19 Tabla 4-1 Grupos de aeronaves en el procedimiento ACDA de velocidad vertical constante 55 Tabla 4-2 Soluciones del procedimiento ACDA / V para aeronaves Grupo I (Velocidad knots, distancia NM) 56 Tabla 4-3 En-ores en velocidad, altitud y distancia en la llegada al FAP 58 Tabla 4-4 Grupos de aeronaves en el procedimiento ACDA de ángulo de descenso constante 62 Tabla 4-5 Soluciones del procedimiento ACDA / V para aeronaves Grupo I (Velocidad knots, distancia NM) 63 Tabla 4-6 En^ores en velocidad, altitud y distancia de aeronaves Gmpo I en ACDA / A 64 Tabla 5-1 Casos de análisis en la aplicación de separaciones 71 Tabla 5-2 Velocidades de aeronaves en procedimiento convencional 72 Tabla 5-3 Tiempos de separación en PARLA. ACDA de velocidad vertical constante (segundos) 75 Tabla 5-4 Tiempos de separación en CANES. ACDA de velocidad vertical constante (segundos) 76 Tabla 5-5. Tiempos de separación en PARLA. ACDA de ángulo de descenso constante (segundos) 82 Tabla 5-6 Tiempos de separación en CANES. ACDA de ángulo de descenso (segundos) 83 Tabla 5-7 Resumen de tiempos de separación entre aeronave ACDA y convencional (segundos) 87 Tabla 6-1 Resumen de tiempos de separación entre aeronave ACDA y convencional con error en la fijación de la altitud de inicio (segundos) 98 Tabla 6-2 Resumen de tiempos de separación entre aeronave ACDA y convencional con error en la fijación del punto de inicio (segundos) 99 Tabla 6-3 Resumen de tiempos de separación entre aeronave ACDA y convencional con error de pilotaje en la fijación del punto de inicio (segundos) 101 Tabla 6-4 Resumen de tiempos de separación entre aeronave ACDA y convencional con error en la velocidad inicial (segundos) 103 Tabla 6-5 Parámetros de distribución normal de vientos 108 Tabla 6-6 Resumen de tiempos de separación entre aeronave ACDA y convencional con efecto de viento Parla - Perales (segundos) 109 Tabla 6-7 Resumen de tiempos de separación entre aeronave ACDA y convencional con efecto de viento Perales - Parla (segundos) 109 Tabla 6-8 Resumen de tiempos de separación entre aeronave ACDA y convencional con efecto de viento Perales - Canes (segundos) 109.
(10) PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. Tabla 6-9 Resumen de tiempos de separación entre aeronave ACDA y convencional con efecto de viento Perales - Barajas (segundos) 110 Tabla 6-10 Resumen de tiempos de separación entre aeronave ACDA y convencional con efecto de viento Barajas - Perales (segundos) 110 Tabla 6-11. Resumen de tiempos de separación entre aeronave ACDA y convencional con efecto de factores de influencia (segundos) 113 Tabla 6-12. Resumen de distancias de separación entre aeronave ACDA y convencional con efecto de factores de influencia (NM) 117 Tabla 6-13 Propuesta de distancia de separación entre aeronave ACDA y convencional en el lAF (NM).. 119 Tabla 7-1 Parámetros de distribuciones estadísticas de factores de influencia Tabla 7-2 Distribución de aeronaves de Grupo 1 Tabla 7-3 Distribución de aeronaves por tipo en Madrid - Barajas Tabla 7-4 Separación de frustrada en los casos analizados Tabla 7-5 índice de frustradas Tabla 7-6 Modificación de Separaciones propuestas Tabla 7-7 índice de frustradas con modificación de separaciones Tabía 7-8 Probabilidad de Violación de Separación de Seguridad Tabla 7-9 Resumen de índice de riesgo. 123 124 124 126 127 129 129 134 135. ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1.1 Aproximación LP / LD 2 Figura 1.2 Perfil vertical de un procedimiento CDA 2 Figura 1.3 Aproximación convencional y ACDA aplicada a Madrid - Barajas 3 Figura 1.4 Procedimiento CDA para un Boeing 737- 300/400 [3] 4 Figura 1.5 Ejemplo de ACDA de empuje variable [50] 6 Figura 1.6 Ejemplo de ACDA con perfil vertical variable [50] 7 Figura 1.7 Ejemplo de ACDA de velocidad variable [50] 8 Figura 2.1 Pistas de Barajas 12 Figura 2.2 Pistas de Barajas 13 Figura 2.3 Configuración Norte del TMA de Madrid 14 Figura 2.4 Rutas de Llegadas RWY 33/36R 15 Figura 3.1 Relación entre Velocidad inicial, Longitud de procedimiento, Velocidad vertical y altitud inicial de un procedimiento ACDA con velocidad vertical constante 35 Figura 3.2 Perfil vertical de la trayectoria en ACDA con velocidad vertical constante y motor a ralentí en B737-700 37 Figura 3.3 Perfil de velocidad VTAS de la trayectoria en ACDA con velocidad vertical constante y motor a ralentí en B737-700 37 Figura 3.4. Empuje a lo largo del procedimiento en ACDA con velocidad vertical constante y motor a ralentí en B737-700 38 Figura 3.5 Relación entre Velocidad inicial. Longitud de procedimiento, Ángulo de descenso y altitud inicial de un procedimiento ACDA con ángulo de descenso constante 43 Figura 3.6. Perfil vertical de la trayectoria en ACDA con ángulo de descenso constante y motor a ralentí. 45 Figura 3.7 Perfil de velocidad VTAS de la trayectoria en ACDA con velocidad vertical constante y motor a ralentí 45 Figura 3.8 Empuje a lo largo del procedimiento en ACDA con velocidad vertical constante y motor a ralentí 46 Figura 4.1 Proceso de cálculo para la definición de procedimientos 49 Figura 4.2 Buffer ACDA con representación de procedimiento ACDA y convencional 53 Figura 4.3 Perfil vertical de aeronaves Gmpo I con ACDA / V 59. IV.
(11) PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. Figura 4.4 Perfil de velocidad verdadera aeronaves Grupo I con ACDA / V 60 Figura 4.5 Perfil vertical de aeronaves Grupo I con ACDA / A 66 Figura 4.6 Perfil de velocidad de aeronaves Grupo I con ACDA /A 67 Figura 5.1. Perfil vertical y velocidades en la aproximación convencional desde Parla 73 Figura 5.2 Perfil vertical y velocidades en la aproximación convencional desde Canes 73 Figura 5.3 Perfil vertical y velocidades en la aproximación convencional y ACDA / V desde Parla 78 Figura 5.4 Perfil vertical y velocidades en la aproximación convencional y ACDA / V desde CANES 79 Figura 5,5 Distancia de separación entre aeronave ACDA / V y convencional con salida de PARLA 79 Figura 5.6 Distancia de separación entre aeronave ACDA / V y convencional con salida de CANES 81 Figura 5.7 Perfil vertical y velocidades en la aproximación convencional y ACDA / A desde Parla 84 Figura 5.8 Perfil vertical y velocidades en la aproximación convencional y ACDA / A desde Canes 84 Figura 5.9 Distancia de separación entre aeronave ACDA /A y convencional con salida de Parla 85 Figura 5.10 Distancia de separación entre aeronave ACDA / A y convencional con salida de Canes 86 Figura 6.1 Proceso de análisis de factores de influencia 90 Figura 6.2 Perfil vertical y velocidades en la aproximación ACDA / V con error en la determinación de la altitud de inicio 97 Figura 6.3 Perfil vertical y velocidades en la aproximación ACDA / V con en^or en la fijación del punto de inicio 99 Figura 6.4 Perfil vertical y velocidades en la aproximación ACDA / V con en"or de pilotaje en la fijación del punto de inicio 100 Figura 6.5 Perfil vertical y velocidades en la aproximación ACDA / V con error en la velocidad inicial. ..102 Figura 6,6 Localización de estaciones meteorológicas y direcciones de análisis 105 Figura 6.7 Perfil vertical y velocidades en la aproximación ACDA / V con efecto de viento 107.
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(13) RESUMEN YCONaUSIONES. RESUMEN Y CONCLUSIONES 1.1.. INTRODUCCIÓN.. Bajo el título de CDA, Descenso Continuo en Aproximación, se engloban una serie de procedimientos de aproximación que han demostrado recientemente su potencial para la reducción del impacto acústico en la operación de la aeronave en el entorno aeroportuario. El espectro de los procedimientos CDA cubre desde el concepto de "Interim CDA", referido a los procedimientos actualmente en aplicación que requieren un equipamiento mínimo de piloto automático y auto throttie, al concepto de "advanced CDA" (ACDA), referido a procedimientos que hacen uso de las capacidades actuales y futuras de los FMS avanzados, para conseguir un descenso a ralentí (Idle thrust) desde los 8000 ft hasta los 2000 ft aproximadamente.. Figura 0.1 Representación de procedimiento ACDA y convencional en Madrid • Barajas. En el procedimiento CDA, la aeronave mantiene una detenninada altitud hasta un punto definido de inicio del procedimiento (TOD^), a partir del cual la aeronave adopta una configuración que le pennite realizar el descenso de fonna continua, es decir sin tramos escalonados, sin modificar su estado durante la aproximación. Uno de los principales problemas que se plantea en la aplicación de estos procedimientos. TOD: "Top pf Descent". Punto de inicio de la aproximación en descenso continuo..
(14) RESUMEN Y CONCLUSIONES. en escenarios reales, es la compatibilidad con procedimientos convencionales. En la figura 0.1 se representa el perfil vertical de un procedimiento convencional junto con un ACDA. Dado que no se puede actuar sobre la aeronave una vez que se ha iniciado el procedimiento, la prestación de servicios ATC durante la aproximación pierde elasticidad, lo que plantea problemas diferentes, desde el punto de vista de control de tráfico aéreo, frente a la operación convencional; •. En primer lugar, ante el posible conflicto de ésta aeronave con otra, precedente o siguiente, solo se puede actuar sobre la segunda.. •. Detemiinados procedimientos ACDA, como se muestra en la figura 0.2, conllevan perfiles verticales diferentes para cada modelo de aeronave, por lo que existe una indetemiinación en la altitud de la aeronave, lo que lleva a no poder aplicar separación en altura.. •. De igual forma, en los procedimientos ACDA la aeronave mantiene controlada la velocidad indicada de la aeronave siguiendo una detemiinada evolución. Sin embargo, la velocidad verdadera se verá afectada por diferentes condiciones del entorno, lo que hace que exista indetemiinación en el tiempo de llegada al FAP, provocando problemas en la aplicación de separaciones en aproximación.. 11000. 1. 10000 FAp 9000. i. 8000 -. 7000 .2 f" 6000. ; i /:. ^. B737 B757 »«80. 5000 ASÍ. azi. 4000 3000 2000 1000 10. 15. 20 25 Longitud (NM). 30. 35. 40. Figura 0.2 Ejemplo de perfil vertical de aeronaves con procedimiento de descenso continuo a velocidad vertical constante Ante esta situación, la presente tesis busca, para un área terminal de man¡obras(TMA) de densidad de tráfico media (80 mov./hora), definir un escenaño operacionai que, produciendo el mínimo impacto sobre.
(15) RESUMEN Y. CONCLUSIONES. aeronaves y ATC, penvita la utilización máxima de las aproximaciones en descenso continuo (ACDA), para el caso de velocidad vertical constante y ángulo de descenso constante. Dado que estas condiciones se pueden presentar en el TMA de Madrid, la aplicación práctica se realiza sobre este escenario. Para ello, se han definido seis fases de trabajo, encaminadas a resolver, fundamentalmente, el problema de, ante la solicitud de un piloto de realizar una aproximación ACDA, establecer las separaciones con las aeronaves precedente y siguiente al inicio del procedimiento que garanticen que, durante toda la aproximación, se mantienen los mínimos de separación por estela turbulenta, conservando unos índices de frustrada similares a los obtenidos actualmente, y con unos niveles de seguridad definidos.. mí<i I. FASE1 I. FA?61. Descrípdón de procedimientos CDA/ACDA. Descripción escenario físico TMA Madrid. B. Análisis de flota de operación en Madrid. FA?62 Modelización de movimiento de la aeronave. TEM. PASE3 I. A. FASE 3 I. Oeñnidón de procedimientos ACDA en Madrid. B. Flota que puede operar procedimientos ACDA en Madrid. Modelización de separación ACDAConvencional. FASES 1. T. A. FASE 5 1. Identíficacián y modettzaaón de Factores extemos. B. Propuesta de separación enire aeronaves. PASES I. A. Análisis de Índice defrusfradas. FASES I. B. Análisis de nesgo de colisión. RESULTADO. •. Calculo de separación entre aeronave ACDA y Convencional. Figura 0.3 Esquema de proceso de cálculo y fases de desarrollo.
(16) RESUMEN Y CONCLUSIONES. En la figura 0.3 se muestra el esquema general del proceso, con las fases descritos y la secuencia lógica entre ellas, con los siguientes objetivos: •. Inicialmente se realiza una breve descripción de las características generales de los procedimientos CDA y ACDA. El trabajo desan-ollará un procedimiento ACDA de velocidad vertical constante (ACDA / V) y un procedimiento ACDA de ángulo de descenso constante (ADCA/A).. •. La fase 1 describe el escenario sobre el que se analiza la aplicación de estos procedimientos, tanto desde un punto de vista físico como de descripción de la flota que opera en los mismos. El objetivo será, en la aplicación práctica sobre el TMA de Madrid, diseñar unos procedimientos que no modifiquen la estaictura actual de rutas de entrada y salida del mismo, y que puedan ser volados por un alto porcentaje de aeronaves de la flota actual de Barajas.. •. Partiendo del Modelo de Energía Total, en la fase 2 se modeliza la evolución de la trayectoria, velocidad y empuje con la distancia volada, en particular en los dos procedimientos ACDA, de velocidad vertical constante y de ángulo de descenso constante.. •. Teniendo en cuenta que las condiciones en las que debe llegar la aeronave al FAP^ de la aproximación están fijadas para cada aeronave, en el caso particular de la aproximación a Madrid - Barajas, en configuración Norte, la fase 3 analiza y detemiina las condiciones que definen los procedimientos ACDA, de forma que se garantice que un elevado porcentaje de aeronaves de la flota de Madrid pueda volar este procedimiento, cumpliendo en el FAP las condiciones fijadas para cada uno de ellos.. •. Dado que el objetivo es la compatibilidad de los procedimientos ACDA con los convencionales, en la fase 4 se modeliza la separación entre aeronaves que vuelen ambos procedimientos, seleccionando para ello aeronaves representativas en ambos casos, y proponiéndose una separación inicial, en tiempo, entre aeronaves que garantice la mínima de estela.. •. La fase 5 identifica y modeliza los diferentes factores que pueden influir sobre el cumplimiento de la distancia mínima de separación, de fonna que se obtienen distribuciones estadística de la con-ección a aplicar sobre la separación obtenida en la fase 4, proponiéndose finalmente una distancia de separación a aplicar al inicio de los procedimientos.. •. Finalmente, en la fase 6 se modifica y corrige la distancia de separación, de forma que se garantice, en primer lugar, un índice de frustradas por "Violación de la mínima de separación". 2 FAP: Punto de inicio de la aproximación final.. IV.
(17) RESUMEN Y CONCLUSIONES. igual o inferior al actual en Barajas, y en segundo lugar un índice deriesgoque garantice que la probabilidad de accidentes es inferior a 1 por cada 25 millones de aproximaciones. 1.2.. CONCLUSIONES DEL ESTUDIO.. De cada una de las fases identificadas, se pueden extraer diferentes conclusiones. 1.2.1.. Escenario físico y flota de operación.. En primer lugar, al mantener la actual estructura de rutas, las separaciones se aplicarán en los puntos de inicio del procedimiento convencional, es decir en los lAF^ de Parla y Canes. Atendiendo a la flota que opera en Barajas, dado que las aeronaves ligeras suponen un porcentaje muy bajo (1,24%), se considerará que éstas nunca operarán de fonria consecutiva a las aeronave ACDA. Por otra parte, las aeronave Medias tipo Jet en Barajas fonnan el 75% de la flota, por lo que los procedimientos que se establezcan deben ir encaminados a este tipo de aviones. 1.2.2.. Modelización del procedimiento.. En un procedimiento ACDA se deben establecer dos tipos de condiciones: •. Condiciones iniciales del procedimiento, es decir velocidad, altitud y distancia de inicio. {VTOD,. HTOD, LTOD).. •. Regla que fija la operación del mismo, es decir en nuestro caso, velocidad vertical o ángulo de descenso fijado.. El aspecto fundamental de la definición del procedimiento es que las tres variables señaladas de inicio, siempre deben mantener unas relaciones entre ellas, es decir, fijado el valor de una de ellas las otras mantienen una relación entre ambas, de fonna que se llega a un conjunto finito de posibles soluciones. Dependiendo de la condición que marque el desanxjllo del procedimiento (velocidad vertical o ángulo de descenso), se puede señalar que: •. Fijada la velocidad vertical o el ángulo de descenso, a mayores altitudes de inicio del procedimiento será necesaria mayor velocidad de inicio y se obtendrá una longitud del procedimiento superior.. ^ lAF: "Initial Approach Fix", punto de inicio de la fase de aproximación inicial..
(18) RESUMEN Y CONCLUSIONES. •. Fijada la velocidad de inicio del procedimiento, al aumentar la velocidad vertical o el ángulo de descenso, se debe iniciar el procedimiento a mayor altura, necesitando entonces una longitud mayor del mismo.. •. De igual forma, fijada la longitud del procedimiento, al aumentar la velocidad vertical o el ángulo de descenso, se debe iniciar el procedimiento a mayor altura, siendo necesaria una mayor velocidad de inicio.. •. Por último, si se fija la altura de inicio del procedimiento, al aumentar la velocidad vertical o el ángulo de descenso, se debe iniciar el procedimiento a menor altura, necesitando por tanto menor longitud. 1 •2.3.. Definición de procedimientos en el TMA de Madrid.. Teniendo en cuenta el escenario físico y operativo del actual TMA de Madrid, los procedimientos ACDA se deben iniciar, sobre las STAR" definidas, pasados los lAF de Paria y Canes, según se acceda al TMA por el Este u Oeste. Dado que existe una limitación de velocidad máxima a 220 kt, con una altitud mínima de 11000 pies, los procedimientos hian quedado definidos de la siguiente fonna: •. Procedimiento de Velocidad vertical de descenso constate; Saliendo del lAF a 11000 pies y 220 kt, manteniendo la velocidad y altitud tiasta 13,7 NM de PDP, iniciar el descenso con motor a ralenti y velocidad vertical de 900 ft/min,. •. Procedimiento de Ángulo de descenso constante Saliendo del lAF a 11000 pies y 215 kt, manteniendo la velocidad y altitud hasta 15,5 NM de PDT, iniciar el descenso con motor a ralenti y ángulo de descenso de 2,6°.. Estos procedimientos pueden ser operados por las aeronaves A320, B727, B737, B757, B767 y MD80, que supone el 68,9% de la actual flota de Barajas: Al modelizar las trayectorias y velocidades de estos procedimientos, se han obtenido unos resultados que a priori no se esperaban:. •• STAR: "Standard Arrival Route". Ruta estándar de llegada al aeropuerto. 5 PDT: Indicativo del VOR/DME de Perales, que se toma como referencia para la marcación de distancias en las actuales aproximaciones a la pista 33 de Madrid - Barajas.. VI.
(19) RESUMEN Y CONCLUSIONES. •. El ACDA de velocidad vertical constante se realiza con pendientes prácticamente constantes para cada aeronave, aunque ligeramente diferentes entre ellas, dentro del gmpo seleccionado de análisis.. •. Por su parte, el ACDA de ángulo constante se realiza con velocidades verticales medias muy similares entre estas aeronaves.. De esta fomia, los tiempos de vuelo del procedimiento son muy similares entre las aeronaves, hecho que facilitará la definición de separaciones únicas entre éstas y las que operen según el procedimiento convencional.. 12A. Separación entre aeronaves.. Se busca la definición y aplicación de separaciones entre aeronaves, en el lAF, de fonna que se garantice que durante la aproximación se mantienen las distancias mínimas de estela turbulenta entre las mismas cuando se intercalan procedimientos convencionales y ACDA. El problema se plantea por la posibilidad de alcance entre dos aeronaves, por diferencia de velocidad de operación. Dado que en el ACDA se produce la reducción de velocidad de forma más lenta, la velocidad media con la que opera una aeronave en el ACDA será superior que si lo hace en convencional. De esta fonna, cuando la aeronave precedente es más lenta (caso de cualquier aeronave volando el procedimiento convencional) las separaciones que se aplican al inicio del procedimiento deben ser mucho mayores que las actuales para garantizar la separación de estela durante todo el trayecto. Por el contrario, si la aeronave precedente es el ACDA, al operar con mayor velocidad, únicamente se debe aplicar la separación al inicio del procedimiento, pues la distancia entre las aeronaves aumenta al desan-ollarse el vuelo. La separación, considerada en tiempo de decalaje en segundos en el lAF, toma los siguientes valores: Procedimiento. lAF. Aeronave. CH. CM. CP. HC. l\IIC. PC. ACDA/V. PARLA. Media. 170. 171. 309. 51. 51. 51. 1CT. 192. 198. 335. 51. 51. 51. Media. 188. 194. 343. 51. 51. 51. 1a. 210. 221. 370. 51. 51. 51. Media. 175. 183. 321. 52. 52. 52. 1CJ. 184. 194. 331. 52. 52. 52. Media. 193. 206. 355. 52. 52. 52. 1a. 202. 213. 362. 52. 52. 52. CANES. ACDA/A. PARLA. CANES. Tabla 1 Resumen de tiempos de separación entre aeronave ACDA y convencional (segundos).. Vil.
(20) RESUMEN Y CONCLUSIONES. En los cuatro procedimientos analizados se ha seleccionado como "Aeronave media"^ el B737, mientras que la "Aeronave 1a"^ es el MD80. 1.2.5.. Modelizacíón de factores de influencia.. Se han identificado y modelizado cinco factores que pueden tener influencia sobre la separación entre aeronaves: •. En-or del sistema para la detenninación de la altitud.. •. En-or del sistema para la fijación del TOD.. •. En^or de pilotaje en la fijación del TOD.. •. En^or de pilotaje en la velocidad de inicio.. •. Efecto del viento. Al corregir la separación en tiempo por la modelización que se ha realizado de los factores anteriores, y definiendo unas distancias de separación que, inicialmente, mantengan los índices de frustradas similares a los actuales, se concluye que: •. En primer lugar hay que destacar que no se aprecian, desde el punto de vista de la separación entre aeronaves en el lAF, diferencias significativas entre los dos tipos de procedimiento ACDA definidos.. •. La aproximación que se inicia en PARLA, con aeronave precedente convencional, necesita, por regla general, una distancia de separación inferior en 1 NM a la que se inicia en CANES.. •. Cuando la precedente es la ACDA, aunque la distancia suele ser superior al iniciarse en CANES, los valores tienen diferencias inferiores entre los diferentes procedimientos.. •. Comparando los dos procedimientos ACDA, el valor de separación para cada pareja de aeronaves en ambos procedimientos tiene valores muy parecidos entre ellos, difiriendo generalmente en la décima de milla.. 6 Aeronave media: Aeronave cuyos tiempos de separación más se aproximan al "Tiempo medio de separación". Esta aeronave se tomará como representativa del comportamiento, en cuanto a separaciones se refiere, del conjunto del grupo seleccionado ^ Aeronave 1a. Aeronave cuyos tiempos medios de separación más se aproximan al "Tiempo 1o", es decir la aplicación de los tiempos medios de separación de esta aeronave al conjunto del grupo garantizan que en el 68% de los casos se mantendrán las separaciones por estela. VIII.
(21) RESUMEN YCONaUSIONES. •. En los casos de ACDA precedente seguido de aeronave media, los valores de separación se encuentran entre las 3 y 4 NM, valores muy próximos a las mínimas de separación por estela. Este resultado es lógico, al pensar que el momento en el que estas aeronaves se encuentran más cerca es al inicio del procedimiento, ya que por su diferencia de velocidades tienen a separarse.. •. En el caso de ser el Heavy el siguiente al ACDA, la distancia sube hasta las 5 NM, ya que al tener rangos de velocidades más parecidos, alguno de los elementos de influencia puede dar problemas de alcance. Sin embargo sigue siendo un valor de separación no demasiado elevado frente a las 3 NM que debe mantener durante la aproximación.. •. Sin embargo, cuando es el convencional la aeronave precedente los valores se elevan siempre por encima de las 11 NM, por las circunstancias ya señaladas de la diferencia en velocidades. Cuando la aeronave involucrada es el Heavy se encuentra entre 12 y 13 NM, sube hasta valores próximos a las 14NM con el medio jet, y en el caso del medio turbo propulsor puede sobre pasar las18NM.. Actualmente al aplicar separaciones entre aeronaves en la aproximación, en operaciones con tramo común desde el lAF, el controlador separa éstas una distancia que puede estar en valores de 1 NM por encima de la separación por estela, e incluso inferiores. Mediante el seguimiento de la operación puede detectar si se puede producir problemas de alcance, modificando las condiciones a alguna de las dos para acomodar las velocidades de ambas. Por tanto, las distancias de separación que se proponen se encuentra en valores muy superiores a los actuales, lo que incidirá de fonna negativa sobre la capacidad del escenario. 1.2.6. índice de frustrada. Analizado el índice de frustradas que se producen con las distancias inicialmente propuestas, a través de un proceso de simulación de Montecario, se hace necesario en algunos casos^, incrementar la distancia inicial entre aeronave, con el fin de garantizar que el índice actual, que se sitúa en 1,15 frustradas por cada 1000 aproximaciones, se mantiene. Las separaciones finales propuestas, en millas náuticas, serán:. 8 Los peores índices se alcanzan cuando opera el Turbopropulsor con el ACDA, por la mayor diferencia en velocidades.. IX.
(22) RESUMEN Y CONCLUSIONES. Procedimiento. lAF. OH. CiVI. CP. HC. iVIC. PC. ACDA/V. PARLA. 12. 12. 18. 5,5. 3. 3. CANES. 13. 13. 19. 5,5. 4. 3. PARLA. 12. 12. 18. 5,5. 3,5. 3. CANES. 13. 13. 19. 5,5. 4. 3. ACDA/A. Tabla 2 IVIodificación de Separaciones propuestas (NM). Con los valores propuestos de separaciones, los índices de frustradas ofrecen valores muy similares en los dos tipos de ACDA analizado, con valores medios de 0,13% en ambos casos, ligeramente inferior al límite definido, ofreciendo resultados prácticamente similares para el inicio en ambos lAFs.. 1.2.7.. Análisis de riesgo.. Teniendo en cuenta que el índice de seguridad TLS, o la probabilidad de que se produzca una colisión por la aplicación del procedimiento ACDA debería ser, como máximo de 4*10 ^ o lo que es lo mismo, 1 Accidente por cada 25 millones de aproximaciones, se analiza, en base a diferentes hipótesis, el TLS de las aproximaciones definidas, obteniéndose que en los cuatro casos considerados el resultado se encuentra por debajo del límite especificado. Procedimiento. lAF. TLS. ACDA/V. PARLA. 3,682*10-9. CANES. 5,553*10-9. PARLA. 4,129*10-9. CANES. 8,220*10-9. ACDA/A. Tabla-3 Resumen de índice de riesgo. 1.3.. CONCLUSIONES Y APORTACIONES.. Se ha probado en esta tesis la posibilidad de compatibilizar la aplicación de procedimientos ACDA, de velocidad vertical constante o ángulo de descenso constante, con procedimientos convencionales, aplicándose al caso del TMA de Madrid como representativo de TMA de tamaño medio, con las siguientes consideraciones: •. Los procedimientos ACDA de velocidad vertical constante, y ángulo de descenso constante, planteados en este estudio, con las distancias de separación propuestas, mantienen el índice de frustradas en la aproximación a Madrid - Barajas en valores inferiores, pero próximos, a los actuales, garantizando una probabilidad de accidente inferior a 1 entre 25 millones de operaciones de aproximación, y siendo válidos para el 68% de la flota que opera en este aeropuerto..
(23) RESUMEN Y CONCLUSIONES. •. Sin embargo, las distancias de separación que se aplican en los lAF son muy superiores a las actuales, por lo que se penalizará en gran medida la capacidad del escenario si se aplican en la forma que aquí se describen, debido fundamentalmente a que mantienen tramos muy largos en común, en los que se deben garantizar las mínimas de separación por estela,. •. Atendiendo a al aviónica que embarque cada aeronave, para la operación con velocidad vertical constante no se requieren capacidades especiales, ya que esta condición la puede mantener cualquier aeronave con piloto automático. Sin embargo la operación con ángulo de descenso constante requiere funcionalidades de la aviónica con la que no todas las aeronaves cuentan.. •. El proceso de cálculo y análisis se ha realizado tomando en todo momento valores de altitudes, referidas al nivel medio del mar. Esto conlleva que la altitud de transición^ se debe establecer por encima del 11000 pies, de forma se garantice que por debajo de esta altitud todas las aeronaves mantienen la misma referencia altimétrica. Hasta la fecha, las diferentes referencias que se han consultado analizan y tratan los procedimientos ACDA desde un punto de vista empírico y experimental, es decir, se ha obtenido diferentes conclusiones acerca de la problemática, desde el punto de vista ATC, de este tipo de aproximación basadas en tomas de datos sobre simuladores de vuelo y algunos experimentos o pruebas en concreto. La falta de muestras estadísticas fiables, hace que la aplicación de procedimientos ACDA se realice actualmente en entornos o periodos de bajo volumen de tráfico, de forma que se puedan aplicar mayores separaciones por la incertidumbre en el comportamiento de la aeronave. El modelo desarrollado en esta tesis pemiite paliar este problema, ya que se pueden evaluar y analizar el conjunto de elementos que actualmente aportan incertidumbre al procedimiento. En concreto, el desan-ollo de un modelo matemático, y su aplicación en procesos de simulación acelerada como se desan'olla en esta tesis abre la posibilidad de analizaren detalle la compatibilidad y aplicación de los procedimientos ACDA en diferentes escenarios: •. En primer lugar permite obtener comportamientos o tendencias generales acerca de la relación que se debe cumplir entre la velocidad, distancia y altitud del punto de inicio del procedimiento, como se demuestra en el capítulo 3.. •. Ante una flota característica el proceso descrito pemiite seleccionar aquellos modelos de aeronave cuyo comportamiento pennitan realizar este tipo de procedimiento con el menor. 5 Altitud de transición: Es la altitud a la cual o por debajo de la cual, se controla la posición vertical de una aeronave por referencia a altitudes y no a niveles de vuelo. El valor de la altitud de transición la establece la Autoridad Aeronáutica y es fijo para un aeródromo.. XI.
(24) RESUMEN YCONaUSIONES. impacto sobre la operación en TMA en cuestión, o si se prefiere, evaluar el impacto que un determinado modelo de aeronave puede producir sobre el conjunto. Esto puede dar pie al desan^ollo de secuenciadores de llegada, que seleccionen aeronaves y condiciones de operación para la optimización del tránsito en un TMA. •. La parametrización de factores de influencia, con un proceso previo de toma de datos que ofrezca un modelo estadístico fiable de comportamiento, pemiite predecir el comportamiento del conjunto de aeronaves, y eliminar la componente de incertidumbre que es el mayor problema desde el punto de vista de control de tráfico aéreo.. •. Disponer de un modelo que permite obtener posición y velocidad en cada instante de la aeronave en diferentes condiciones del entorno, permite la evaluación de la separación mínima entre dos aeronaves, y el impacto de cualquier modificación en las condiciones de éstas. Esto permite la aplicación de metodologías de análisis de riesgo y seguridad, necesarias siempre como paso previo a la implantación de nuevas técnicas o procedimiento.. Como se ha señalado previamente, los valores de separación que se han obtenido van a penalizar en gran medida la capacidad por ser muy superiores a los que actualmente se aplican. Para tratar de paliar esta situación, se plantean dos posibles lineas de análisis: •. La modificación de las restricciones operativas, que permita la fijación de condiciones diferentes de velocidad, longitud y altitud inicial, para tratar de definir diferentes condiciones para el punto de inicio TOD. En segundo lugar, e inicialmente mucho más efectiva, la modificación de la estructura de rutas SID y STAR en el TMA que permitan definir puntos de inicio (TOD) que no se encuentren sobre los actuales procedimientos convencionales. El objeto será separar el tráfico convencional del ACDA, con lAFs diferentes, con lo que el tramo común entre ambos procedimientos sería mucho menor con menores probabilidades de alcance entre aeronaves, por lo que las separaciones se verían reducidas.. XII.
(25) CAPITULO 1. PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. CAPITUL01.. PROCEDIMIENTOS. DE. DESCENSO. CONTINUO 1.1.. INTRODUCCIÓN.. Diferentes técnicas de descenso y aproximación a los aeropuertos se han puesto en práctica en los últimos años, que difieren de los procedimientos convencionales, de descenso y aproximación segmentada. Estas técnicas persiguen diversos objetivos, aunque fundamentalmente enfocados hacia la mejora de las condiciones ambientales en el entomo de cualquier aeropuerto [50]. Entre estas condiciones ambientales se encuentran la mejora de la figura de ruido en la aproximación[2], y mejora de la contaminación de los gases y humos generados por las aeronaves[45]. Adicionalmente a los aspectos ambientales, desde el punto de vista del operador, interesa poner en práctica procedimientos que reduzcan el consumo de combustible, lo que implica una utilización más eficiente de la aeronave [16]. Las investigaciones encaminadas a la reducción de la contaminación acústica se iniciaron en los años 70, con la puesta en práctica de algunas de estas técnicas y procedimientos de aproximación [5,27]. Durante los años 80 la tendencia se orientó a la mejora tecnológica de las aeronaves y de las plantas propulsoras[28]. No es hasta la década de los 90 cuando se empiezan a realizar ensayos con diversas aeronaves y en diferentes aeropuertos encaminados a determinar el impacto acústico producido en el entomo del aeropuerto y la efectividad de las mejoras tecnológicas y operativas analizadas [9,10,28]. El esfuerzo realizado en la década de los 90 lleva a una conclusión clara, es necesario seguir realizando investigaciones conducentes a la reducción de contaminación acústica y ambiental, puesto que así lo demanda la sociedad, mediante las regulaciones particulares de cada uno de los países [17].Entre las diferentes técnicas llevadas a cabo a lo largo del tiempo se encuentran las siguientes[18]: •. Ángulo de descenso aumentado: Se pretende con esta técnica mantener la aeronave a la mayor altitud posible en el entomo del aeropuerto, con lo que el impacto acústico se ve reducido. Con.
(26) CAPITULO 1. PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. esta técnica se incrementa sin embargo el ángulo de descenso respecto del convencional, hasta interceptar la senda en que el descenso se realizaría con un ángulo de 3". Aproximaciones con flaps reducidos/retardados. Este procedimiento también se conoce como aproximaciones a baja potencia/baja resistencia(LP/LD, Low Power/Low Drag). El objetivo de este tipo de procedimientos es retrasar lo máximo posible el establecimiento de la configuración de aterrizaje para la aeronave, ya que en configuración limpia el impacto acústico que produce en el entorno es menor. La figura 1.1 refleja este concepto.. nomnal. Altitud de interceptación de la senda ILS. retrasado. 3° Área con rtmccion de viao. r^ 1. PISTA. Figura 1.1 Aproximación LP/LD. Aproximación por Descenso Continuo(CDA) [3,56]. Bajo el título de CDA, Descenso Continuo en Aproximación, se engloban una serie de procedimientos de aproximación que han demostrado recientemente su potencial para la reducción del impacto acústico en la operación de la aeronave en el entomo aeroportuario. La técnica introduce un descenso continuo desde la mayor altitud posible, descendiendo con motores a ralenti o próximas a ralentí, y en diferentes configuraciones hasta interceptar la senda de planeo a 3°.. Apioximacion ILS. Inicio CDA. Figura 1.2 Perfil vertical de un procedimiento CDA.
(27) CAPITULO 1. PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. Tanto este tipo de procedimiento como otros se han estudiado en diferentes proyectos con el objeto de conocer las ventajas introducidas en lo que a reducción de ruido y mejoras medioambientales se refiere[3]. Algunos de estos procedimientos, en sus versiones más simplificadas se encuentran actualmente en operación en aeropuertos y TMAs importantes como Schiphol y Heathrow durante periodos nocturnos y de baja demanda de tráfico [43,15]. La aplicación de fomia compatible de procedimiento CDA con los procedimientos convencionales en un TMA de tamaño medio, aplicado al caso concreto de Madrid, se analiza a lo largo del presente estudio 1.2.. PROCEDIMIENTO CDA. El procedimiento CDA, aunque inicialmente fue desan-ollado con la intención de reducir el consumo de combustible en aeronaves en la fase de aproximación, rápidamente mostró su eficacia en la reducción de ruido en el entomo próximo a cualquier aeropuerto. Los beneficios obtenidos con esta técnica en lo que a impacto acústico se refiere se debe a dos consideraciones técnicas: •. La altitud a la que se inicia el procedimiento es elevada.. •. El nivel de potencia será el mínimo requerido para la operación segura de la aeronave en cada configuración.. Los procedimientos CDA a diferencia de los procedimientos de aproximación convencionales evitan la utilización de segmentos horizontales durante la fase de descenso, comenzando el proceso lo antes posible a la máxima altitud, hasta interceptar la senda de planeo GS. La figura 1.3 ilustra de fomia básica los procesos convencionales de descenso y los CDA. Los procesos CDA pueden realizarse bien en descenso rectilíneo o curvo.. Figura 1.3 Aproximación convencional y ACDA aplicada a IMadrid - Barajas.
(28) PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. CAPITULO 1. Con este tipo de procedimientos, al ser la altitud mayor, y el empuje de motores más reducido, se obtienen las siguientes ventajas [14,18,50]: •. Reducción del ruido durante la aproximación y durante la estabilización de la aeronave.. •. Reducción del consumo de combustible, ya que la aproximación se realiza con motores a ralentí, además de la reducción de gases contaminantes.. •. Dado que la velocidad media con la que se realiza la aproximación es mayor, se produce un ligero acortamiento del tiempo en que la aeronave llega al umbral de pista. Esta característica dependerá del tipo de aeronave.. Hay que señalar que la tecnología de la aviónica embarcada en las aeronaves no necesita disponer de sofisticados FMS, en el caso de aproximaciones con velocidad vertical constante, sino que con la instmmentación convencional pueden llevarse a cabo este tipo de procedimientos[46]. El espectro de los procedimientos CDA cubre desde el concepto de "Interim CDA", referido a los procedimientos actualmente en aplicación que requieren un equipamiento mínimo de piloto automático y auto throttie [48], al concepto de "advance CDA", referido a procedimientos que hacen uso de las capacidades actuales y futuras de los FMS avanzados, para conseguir un descenso a ralentí (Idle thrust) desde los 8000 ft hasta los 2000 ft aproximadamente [9]. La aplicación de este tipo de procedimiento de descenso se muestra en la figura 1.4, en el caso particular de una aeronave Boeing 737-300/400 [3] frente a las distancias al umbral de la pista y el perfil de velocidades obtenidas en el proceso de descenso. 5000. ft. 14NM. 18NM. ^. 250KÍ8S. 4000 ft, 200 Ms 2500 ft, 190 kts 2000 ft, 190 kts Baliza Exterior, 1300 ft. O UMBRAL. Figura 1.4 Procedimiento CDA para un Boeing 737- 300/400 [3]. Dependiendo de las variables de control que se utilicen en el procedimiento tendremos diferentes tipos de CDA. En los aviones modernos equipados con FMS avanzados, éste calcula el punto inicial del CDA asumiendo una velocidad constante durante la maniobra, tomando como variable el ángulo de descenso..
(29) CAPITULO 1. PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. Si durante la maniobra se producen desviaciones en velocidad de más de 10 l<t, se activa el acelerador (auto throttie) o se activa un mensaje al piloto para que éste aumente la resistencia Por el contrario otros procedimientos se definen con empuje fijo, lo que se traduce en una velocidad controlada que, para unas condiciones atmosféricas estables, permite establecer una relación entre la posición vertical y la distancia horizontal al umbral [41]. Cualquier instmcción ATC que desvie a la aeronave de su trayectoria (trayectoria horizontal, velocidad o altitud) puede conducir a una situación donde sea necesario añadir más empuje o activar frenos aerodinámicos, con el consecuente aumento de ruido[37]. Por lo tanto, en cualquier tipo de procedimiento CDA, las intervenciones ATC deben reducirse a menos que sean estrictamente necesarias para evitar un conflicto. 1.3.. ADVANCED CONTINUOUS DESCENT APPROACHES - ACDAS. Una aproximación ACDA es una aproximación CDA mejorada con tecnología avanzada, tanto hen^mientas ATC como herramientas de abordo para la tripulación, con el objetivo de satisfacer las demandas de capacidad y seguridad [50]. Durante una aproximación ACDA los requisitos de control de velocidad ATC pueden relajarse o incluso eliminarse, ya que se establecen las condiciones al inicio del procedimiento y la velocidad viene marcada por las evolución de la las condiciones dinámicas de la aeronave, a la vez que pueden añadirse nuevas restricciones como por ejemplo la realización de parte de la aproximación a ralenti (trhust idle) o el seguimiento de un cierto perfil vertical[56]. La siguiente tabla compara las aproximaciones CDA y ACDA. CDA. ACDA. Perfil Vertical. Descenso continuo. Descenso continuo. Ratio de descenso. A discreción del piloto. Dependiendo del tipo de ACDA puede ir unido a un perfil vertical prescrito.. Velocidades. Prescritas por ATC. Dependiendo del tipo de ACDA puede ser a discreción del piloto o determinado por el FMS. Configuración empuje. de Depende del tipo de aeronave, ratio de descenso, Dependiendo del tipo de ACDA puede ser requisitos de velocidades ATC y condiciones predeterminado (ttirust idle) meteorológicas. Tecnología. Actual. Futura. Tabla 1-1 Característica de la aproximación CDA y ACDA. Se han identificado tres posibles variaciones o tipos de ACDA [50]:.
(30) PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. CAPITULO 1. •. 'ACDA de empuje variable': Empuje variable, que se adapta de fomia tal que permita seguir una determinada senda vertical y un perfil de velocidades. •. 'ACDA de perfil vertical variable.': La trayectoria vertical es variable y se adapta para mantener una cierta velocidad prefijada con un empuje constante.. •. 'ACDA de velocidad variable': Se fija el empuje y la trayectoria vertical lo que conduce a un perfil de velocidades (que depende del tipo de aeronave y de la configuración) 1.3.1.. ACDA con empuje variable. En este procedimiento el perfil vertical está prescrito, ha sido publicado, y el perfil de velocidades esta fijado por requisitos ATC y por las prestaciones de la aeronave. El empuje se adapta para conseguir este perfil requerido de velocidades, tal y como se indica en la siguiente figura. Puede observarse que puesto que la aeronave vuela con una pendiente constante de 3° y dadas las condiciones aerodinámicas de los aviones modemos, las configuraciones de potencia requeridas estarán muy cercanas al ralenti para la mayor parte de los de gran fuselaje. 1 FIJO 1. Ejemplo de perfil vertical. Ejemplo de perñl de velocidad. FIJO. 7000 6000 5000 £ •a. 4000. 2. 3000 -. < 2000 1000. 00. 5.0. 10,0. 15,0. 20,0. 15,0. Distancia [NM]. Ejemplo de configuración. | FIJO. |. Ejemplo de perfil de empuje. 34.0. I. RESULTADO!!. 35. ! -. 30. L^. i;::. O. I-. /. 20. '5'. 1. i': 0. DO. 10.0. 5.0. Distancia [NM]. 5.00. 10.00. Distancia [NM]. \-^_. | , 5 UJ 10. 1 15,00. _^_-V. 5. 20,00. 0 0. 5.0. 10.0. 15,0. 20.0. Distancia [NM]. Figura 1.5 Ejemplo de ACDA de empuje variable [50] Una ventaja de este procedimiento es la predictabilidad de su comportamiento, pudiendo determinarse en cada instante la posición de la aeronave a lo largo de todo el procedimiento. Una desventaja es que los perfiles de empuje serán distintos para cada aeronave, necesitando algunos mas empuje que otros..
(31) CAPITULO •. PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. ACDA con perfil vertical variable. liz. En este procedimiento la geometría de la trayectoria vertical se utiliza como variable de control. El FMS calcula el perfil vertical y el 100^° a empuje constate al ralenti para una velocidad dada. Este procedimiento se vuela a ralenti hasta un punto anterior a la interceptación del localizador. La distancia remanente se utiliza como colchón para reajuste de velocidades si fuese necesario. RESULTADO. Ejemplo perfil vertical. 1 FIJO. Ejemplo perfil de velocidad. 7000 -. 260. 6000. 240. 5000. E. 220 •g 200. S 4000 •a J 3000. 1. <. 180. « 160 •O. 2000. 8 140. 1000 >. 120 100. 0,0. 5,0. 10,0. 15,0. 20,0. 0,0. 5.0. Distancia [NM]. 1 FIJO. Ejemplo de configuración. g* •a a. n Ua> 'D O t» ". 1. 34.0. 35 30. 1. 15,0. 20.0. 1 FIJO. Ejemplo de perfil de empuje. 29,0 24,0 -. 10,0 Distancia [NM]. /. 5' 26. /. .% 20. 10,0. I 1=. /. LU. 1^-0 9,0 4.0. 1. -1.0 0, JO. 5,00. 10,00. 5. L_ 15.00. 20,00. 00. Distancia (NMI. 5,0. 10.0. 15,. 20.0. Distancia (NM]. Figura 1.6 Ejemplo de ACDA con perfil vertical variable [50]. Una ventaja de este procedimiento está en el empuje a ralenti, que minimiza el ruido de los motores. No obstante su predictabilidad es muy baja, puesto que cada aeronave volará un pertil vertical diferente para garantizar un perfil de velocidades. Puesto que estos perfiles son distintos la localización exacta de la aeronave en cada ínstate dependerá del tipo de aeronave.. 1.3.3.. ACDA con velocidad variable. En este procedimiento la trayectoria vertical y el empuje ( a ralenti) son dados. En estas circunstancias, si la componente de fuerzas a lo largo de la trayectoria de vuelo es opuesta a la dirección del vuelo (por ejemplo resistencia superior a la combinación de empuje y peso) la aeronave decelerará. Una fornia de. 1° TOD (Top of Descent): Punto de inicio de la aproximación ACDA. En adelante cuando nos refiramos a este punto adoptaremos esta nomenclatura..
(32) CAPITULO 1. PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. actuar sobre el perfil de velocidad sin modificar el empuje o el perfil vertical es cambiando la configuración aerodinámica. 1 FIJO "1. Ejemplo de perfil vertical. £ •o 2. RESULTADO. Ejemplo de perfil de velocidad. 7000. 260. 6000. ^. 5000. á£. 220. 4000. •g O. 200. •g. 180. ffl. 160. 240. 3000 -. < 2000. a >. 1000 .. 120 100. 0 0. 5,0. 10,0. 20.0. 15.0. 0 0. 5.0. Distancia [NM]. 1 FIJO. Ejemplo de configuración. 1. 4,0. 1. /. 25 ;::• 20 B. *. 1 FIJO. 30. 1. 19,0. 9,0. 20.0. 35. 3. D>. 15,0. Ejemplo de perfil de empuje. 34,0 g» 29,0 •D Q. 24.0 ^. 10,0. Distancia [NM]. 15. /. H. 1. i. 5. •1.0 0. 30. 5,00. 10.00. 15,0. 20.00. 0 0. Distancia [NM]. 5.0. 10,0. 15.0. 20,0. Distancia [NM]. Figura 1.7 Ejemplo de ACDA de velocidad variable [50]. Una ventaja de este procedimiento es que el empuje permanece constante si bien la predictabilidad es escasa al tener cada aeronave distintos perfiles de velocidad. En el caso del trabajo expuesto en esta tesis, se analizan dos casos particulares de los mencionados: •. 'ACDA de perfil vertical variable': Manteniendo empuje al ralenti se adapta el perfil vertical para mantener una velocidad vertical prefijada^^. •. 'ACDA de velocidad variable': Manteniendo empuje al ralenti se adapta el perfil de velocidades para mantener una trayectoria vertical prefijada^l. La selección de estos dos procedimientos se realiza por ser los que mantienen el empuje a ralenti, que garantiza un menor impacto acústico sobre el entorno. Dado que la función de mantener la velocidad vertical constante la incorporan prácticamente todas las aviónicas modernas [47], se opta por analizar los. " A este procedimiento en el presente estudio se le denominará "Procedimiento ACDA con velocidad vertical constante". ^2 A este procedimiento en el presente estudio se le denominará "Procedimiento ACDA con ángulo de descenso constante"..
(33) CAPITULO 1. PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. dos procedimientos, de forma que independíente del modelo de aeronave, se garantiza que al menos uno de los procedimientos podría ser de aplicación. 1.4.. COMPATIBILIDAD DE PROCEDIMIENTO ACDA. CON PROCEDIMIENTOS. CONVENCIONALES. Con los procedimientos de aproximación actuales, las aeronaves operan, en el entorno de un aeropuerto, bien a una altitud relativamente baja o descendiendo a una velxidad que puede no ser la óptima desde el punto de vista de consumo. Las aeronaves descenderán hasta interceptar la senda de planeo para realizar, después, una aproximación estabilizada en el entorno de los tres grados. Esto puede suceder después de hiaber estado la aeronave durante cierto tiempo en un detemiinado nivel de vuelo [11,13]. Este tipo de procedimientos, denominados convencionales, lleva a un consumo de combustible no óptimo, a una emisión de gases innecesarios y a la generación de ruido excesivo en el entorno aeroportuario. Se presentan por tanto tres problemas ambientales relacionados con el procedimiento convencional de llegada, que se pretenden paliar, en parte, con la aplicación de procedimientos de descenso continuo. Sin embargo, el procedimiento CDA, en sí mismo, tiene algunas desventajas, contempladas sobre todo desde el punto de vista de la prestación del servicio de control de tráfico aéreo[19]: •. El controlador no puede estimar de fornia precisa el tiempo de llegada de la aeronave al punto de estabilización, ya que depende de la velocidad de cada aeronave para la configuración de descenso seleccionada.. •. No se puede establecer separación vertical anticipadamente, en caso que sea necesario.. •. El controlador no dispone de información suficiente sobre las prestaciones de los diferentes tipos de aeronaves, ni sobre la capacidad de acción que el comandante pueda realizar sobre ellas, teniendo en cuenta, además, los vientos dominantes.. •. Una vez iniciado el descenso, no se deben modificar las condiciones establecidas para el mismo, por lo que no se podrán realizar confecciones en la trayectoria y velocidad de la aeronave. Por tanto, las separaciones iniciales que se apliquen a dos aeronaves deben garantizar la separación mínima por estela durante todo el trayecto, manteniendo siempre las condiciones señaladas.. Por otra parte, las aplicaciones de estos procedimientos se están centrando en los casos presentados como ACDA, lo que requiere, como ya se ha mencionado, tecnologías FIVIS avanzadas, por lo que no toda la flota que opere en un aeropuerto puede estar en disposición de volar este tipo de procedimientos..
(34) CAPITULO 1. PROCEDIMIENTOS DE DESCENSO CONTINUO. Teniendo en cuenta estas consideraciones, la utilidad de los procedimientos CDA/ACDA se encuentra en la aplicación de los mismos de fonna compatible con operaciones que se estén desarrollando siguiendo procedimientos de aproximación y aterrizaje convencionales. La aplicación de estos procedimientos en aeropuertos europeos (Heatrow y Schipol) están demostrando su viabilidad, pero presentan un fuerte impacto sobre la capacidad del Sistema, por lo que su utilización se restringe a horas de baja demanda del aeropuerto [43,13]. Si bien garantiza menor ruido, impone mayores separaciones ATC entre dos aeronaves consecutivas, del orden del doble de las normales. Puesto que las velocidades de las aeronaves serán distintas, su separación nominal puede variar de forma importante durante el descenso: Este cambio de separaciones y la imprecisión para determinar el tiempo de llegada al FAP^^ deben tenerse en cuenta en la provisión de separaciones ATC [29]. Por tanto, la utilización de este tipo de procedimientos en diferentes escenarios operativos, está supeditada a: •. Detemiinación de las condiciones que debe cumplir el procedimiento para ser compatible con las perfonnances de la flota que opera en el escenario.. •. Determinación del impacto que tendrá sobre la capacidad del escenario, es decir, como se verá afectada la operación del resto de aeronaves por la aplicación del procedimiento.. Para ello es necesario determinar las actuaciones que se deben realizar sobre dos aeronaves que están volando un procedimiento convencional para pennitir intercalar entre ellas una aeronave que esté volando un procedimiento CDA. El trabajo a desarrollar en este estudio trata, por tanto, de cubrir el propósito siguiente: Para un área terminal de maniobras (TMA) de densidad de tráfico media (80 mov./hora) definir un escenario operacional que, produciendo el minimo impacto sobre aeronaves y ATC, permita la utilización máxima de las aproximaciones en descenso continuo (ACDA), para el caso de velocidad vertical constante y ángulo de descenso constante. Para la aplicación de la metodología que se desantilla, se aplica al caso del TMA de Madrid, considerado como TMA de densidad de tráfico media [30].. 13 FAP (Final Approach Point): Punto de inicio de la aproximación final en un procedimiento de precisión.. 10.
(35) CAPITULO 2. DESCRIPCIÓN DEL ESCENARIO OPERA TIVO. CAPITULO 2. 2.1.. DESCRIPCIÓN DEL ESCENARIO OPERATIVO. INTRODUCCIÓN.. El análisis de la utilización de procedimientos ACDA de forma compatible con procedimientos convencionales se realiza utilizando como escenario de análisis el TMA de Madrid, y en particular las aproximaciones a Madrid - Barajas en configuración Norte. El objeto del capítulo 2 es definir los aspectos relevantes desde el punto de vista operativo [30,31,33]: •. •. Escenario •. Escenario físico y configuración operativa seleccionada.. •. Organización del espacio aéreo circundante del aeropuerto.. •. Rutas de entrada utilizadas.. •. Procedimientos ATC.. •. Procedimientos instrumentales de aproximación. Demanda que opera en el escenario [32].. En el Anexo 1 se presenta la infomiación detallada de este escenario 2.2.. DESCRIPCIÓN DEL ESCENARIO. 2.2.1 •. Escenario físico y configuración operativa seleccionada.. El escenario físico utilizado es el correspondiente al Área Temiinal de Madrid que se extiende, en altura, desde 300 m sobre el nivel del terreno hasta el nivel de vuelo (FL) 205. Dentro del TMA de Madrid están definidos dos CTR: Madrid CTR, que incluye los aeropuertos de Barajas, Getafe y Torrejón y Colmenar CTR que incluye el aeródromo de Colmenar. La Figura 2.1 muestra la fonna y situación del CTR de Madrid dentro del TMA.. 11.
(36) DESCRIPCIÓN DEL ESCENARIO OPERATIVO. CAPITULO 2. Figura 2.1 Pistas de Barajas Como se ha señalado, el estudio se realiza sobre el aeropuerto de Madrid - Barajas. Este aeropuerto puede operar en diferentes configuraciones, dependiendo de las pistas en uso, siendo la más habitual la configuración Norte. En la figura 2.2 se muestra las pistas en uso en Barajas. En configuración Norte, las salidas operan en la pista 36L durante el día (0700-2300 LT), y en la pista 36R durante la noche (2300-0700 LT), mientras que las arribadas se realizan en la pista 33. La descripción que se realiza del escenario se realiza tomando como base esta configuración, centrándonos en el caso de la operación de llegada.. 12.
(37) CAPITULO 2. DESCRIPCIÓN DEL ESCENARIO OPERATIVO. Figura 2.2 Pistas de Barajas 2.2.2.. Organización del espacio aéreo. Con objeto de optimizar los recursos y acelerar y mantener ordenadamente el tránsito aéreo, el TMA de Madrid se divide en diferentes sectores de aproximación, cuya disposición y límites, en configuración Norte y despliegue máximo, se muestra en lafigura2.3.. 13.
(38) DESCRIPCIÓN DEL ESCENARIO OPERATIVO. CAPITULO 2. NORTE. fOESTE. \. ~. ^. ESTE. \. ^ ^ ^ - ^. ^. ^. DIRECTO^ ARRIBADASFigura 2.3 Configuración Norte del TMA de iVIadrid Operativamente, en configuración norte, los sectores Este y Oeste actúan como alimentadores del Director que a su vez alimenta al sector de Arribadas y el sector Norte constituye el sector Despegues. 2.2.3.. Rutas de llegada (STAR). Las rutas de llegada (STAR) en configuración Norte en Barajas, desembocan en dos Puntos de Referencia de Aproximación Inicial (lAF) que son puntos de recalada de dos circuitos de espera alimentadoras situadas simétricamente respecto al VOR/DME que define los lAF: •. PARLA, en el que confluye todo el tránsito procedente del oeste y del sur,. •. CANES, en el que converge el tránsito procedente del norte y del este.. Por tanto, las rutas de llegada que acceden al TMA por el Este finalizan en CANES, mientras que las rutas del Oeste llegan a PARLA. En el Anexo 1 se analiza la utilización de estas rutas por parte de la demanda.. 14.
(39) CAPITULO 2. DESCRIPCIÓN DEL ESCENARIO OPERATIVO. Figura 2.4 Rutas de Llegadas RWY 33/36R 2.2.4.. Procedimientos ATC. La principal restricción, desde el punto de vista ATC, que afecta al diseño de los procedimientos ACDA es la limitación de velocidad que se establece en TMA: •. Limitación de velocidad (lAS máx.) de 250 kt en todo el TMA.. •. lAS máxima de 220 kt a partir de los Puntos Límites de Velocidad (SLP)^'', y en particular al abandonar los lAF.. 1^ En el Anexo 1 se muestra la localización de los diferentes puntos de limitación de velocidad (SLP).. 15.
(40) CAPITULO 2. DESCRIPCIÓN DEL ESCENARIO OPERATIVO. •. Reducción de velocidad al iniciar el viraje para interceptar ILS/LLZ a 170/180 kt.. •. lAS máxima de 160 kt al cruzar: o. 4DMEILSRWY33,18Ly18R.. o. La baliza exterior de RWY 36R.. Desde el punto de vista de separación entre aeronaves, los dos puntos de recalada (PARLA y CANES) actúan como alimentadores. Desde estos puntos, el controlador proporciona vectores radar al localizador de la pista que esté operativa (RWY 33 en el caso de configuración norte) con una separación doble de la que tienen en la secuencia final. El objeto de aplicar esta separación inicial es garantizar que no se produzca alcance entre aeronaves, actuando posteriomiente sobre la velocidad de las mismas para tratar de ajusfar las separaciones. 2.2.5.. Procedimientos de aproximación. En configuración Norte, se define un procedimiento de aproximación instrumental ILS/DME a la pista 33, con dos lAF diferentes (los mencionados CANES y PARLA), siendo común el tramo a partir del IF fiasta el umbral de pista. El procedimiento se inicia a nivel de vuelo (FL) 110, siendo la elevación del umbral de 1933 pies. El estudio se va a realizar tomando como referencia para las operaciones que realizan el procedimiento convencional estos procedimientos publicados. En el Anexo 1 se muestran y describen estos procedimientos. 2.3.. FLOTA DE LLEGADA EN MADRID - BARAJAS.. El análisis de la flota de llegada en Barajas se ha realizado tomando como base 11 días de operación en este aeropuerto [34,52]. Este análisis se realiza atendiendo a aquellos aspectos que influyen en la definición de los procedimientos ACDA objeto de estudio, fundamentalmente centrados en dos elementos: •. Las perfonnances de cada aeronave, que definirán la posibilidad o no de que ésta realice un detenninado descenso, con una configuración y variables de control definidas.. •. La categoría de estela, que definirá una separación mínima a lo largo de la trayectoria entre dos aeronaves. 2.3.1.. Clasificación de aeronaves por categoría.. Para la clasificación de aeronaves, teniendo en cuenta la categoría de estela turbulenta, se puede realizar atendiendo al siguiente criterio:. 16.
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