12.飛行速度調整による時間管理の検討

電子航法研究所研究発表会(第 11 回平成 23 年6月)
12.飛行速度調整による時間管理の検討
航空交通管理領域
1. はじめに
将 来 の 航 空 交 通 管 理 ( ATM : Air
※福田 豊、白川
昌之、瀬之口
敦
2. 航空機の運航モデル
Traffic
航空機の運航と燃料消費量について、航空機性
Management)の運用概念として、航空機のトラ
能モデルを使用して説明する。航空機性能モデル
ジェクトリ(軌道)を計画し、それに基づいて運
は ユ ー ロ コ ン ト ロ ー ル の BADA ( Base of
航する軌道ベース運用(TBO:Trajectory Based
Aircraft Data)を使用した[9]。BADA は、航空
Operation)が検討されている。航空機の軌道は、
機を質点としたエネルギー保存則に基づくモデ
飛行中および地上走行中の両方での 3 次元位置
ルである。
と時間を含む 4 次元の運動の記述である[1]。軌道
航空機の速度は、較正対気速度(Calibrated
は、運航者の希望に基づき、気象条件など運航に
Air Speed:CAS)、真対気速度(True Air Speed:
影響するさまざまな要素を考慮して生成され、コ
TAS)、対地速度(Ground Speed:GS)の 3 種
ンフリクトや悪天の回避などに対応して修正さ
類に区分される。CAS は、ピトー静圧式速度計
れる。TBO により、航空機の出発から到着まで
の速度に対気速度系統の誤差の補正を加えた速
を一元的に管理することができ、運航の効率性な
度で、コックピットの速度計に表示され、飛行操
どを向上することができる。
作に用いられる。TAS は、CAS に対して飛行高
電子航法研究所は、TBO を実現するための航
度における空気密度比および空気の圧縮性の影
空機の軌道を精密に生成する予測モデルを開発
響を修正した速度である。GS は、地表面に対す
している。軌道予測モデルは、航空機性能データ、
る速度で、TAS に飛行経路に対する風速成分を
気象予報データなどを使用して、航空機の 4 次元
加算して求める。航空機は、飛行操作に使用され
軌道を生成する。また、予測モデルで生成した軌
る CAS またはマッハ数を一定にして飛行するこ
道を実運航データと比較して、位置予測の誤差解
とが多い。ここでマッハ数は音速との比で示した
析を実施している[2]-[6]。
航空機の速度である。
地球環境問題への対応から、排出ガスの低減、
航空機の運動計算には、航空機を質点としたエ
消費燃料の低減が望まれている。現在、首都圏空
ネルギー保存則に基づくモデルを使用する。これ
港への交通集中による到着機の滞留による飛行
は、航空機に作用する力(推力と抗力)の仕事率
距離の延伸が発生している[7]。電子航法研究所で
が、機体の運動エネルギーと位置エネルギーの増
は TBO の時間管理により、事前に滞留が予測さ
加率と等しくなるモデルである。ここで、運動エ
れる場合には、巡航中および降下中の飛行速度の
ネルギーは速度、位置エネルギーは高度に対応す
減速により、消費燃料を節約する運用手法を検討
る。例えば、アイドル推力による CAS 一定の降
している[8]。
下では、推力、抗力、速度から降下率を算出する
本報告では、航空機の速度調整による時間管理
ことができる。抗力は速度、空気密度、航空機の
の実現性と便益について検討する。初めに、航空
コンフィグレーション(フラップ、ランディング
機の運航と燃料消費量について、航空機の性能モ
ギアの有無)などの関数となり、速度が増加する
デルより説明する。次に、降下区間および巡航区
ほど抗力は大きくなる。また、推力と燃料消費率
間での速度調整による時間調整についてのシミ
はほぼ比例する関係がある。
図 1 から図 3 に BADA で生成した航空機の軌
ュレーション結果を示し、経路延伸による滞留と
比較する。
道の高度、速度、燃料消費率の例を示す。航空機
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高度(ft)
電子航法研究所研究発表会(第 11 回平成 23 年6月)
CAS 一定速度の上昇から、マッハ数一定速度の
35000
30000
25000
20000
上昇に変化する。この例の遷移高度は 31,560 ft
(9.62km,1 ft = 0.305 m)であり、この高度を
15000
10000
5000
0
通過した飛行時間 1,344 秒の時点から、TAS が
低下している。上昇時の燃料消費率は他の区間に
0
1,000
2,000
3,000
比べて大きい。
4,000
飛行時間(秒)
巡航中はマッハ数一定速度の飛行であり、推力
図 1 高度
は抗力とほぼ均衡する。
高度 33,000 ft(10.06 km)
を、マッハ数 0.84(TAS に換算すると 490 kt(252
真対気速度(kt)
600
m/s, 1 kt = 0.514 m/s))で巡航中の重量 237.6 t
500
400
の航空機の運動エネルギーは 7.5 GJ、位置エネ
300
ルギーは 23.4 GJ、合計エネルギーは 31.0 GJ で
200
ある。運動エネルギーと位置エネルギーの割合は、
100
約 1:3 であり、位置エネルギーが大きい。
0
0
1,000
2,000
3,000
飛行時間(秒)
降下中は、アイドル推力により、位置エネルギ
4,000
ーを運動エネルギーに変えながら、グライダーの
ように降下する。運航速度モデルでは、上昇と同
図 2 真対気速度(TAS)
燃料消費率(kg/min)
様に、高高度ではマッハ数一定速度、遷移高度以
下では CAS 一定速度が高度帯毎に定義されてい
350
300
250
200
150
100
る。アイドル推力のため、図 3 のように降下中の
燃料消費率は小さい。着陸前には、フラップやラ
ンディングギアを使用するコンフィグレーショ
ンとなり、抗力が増加するので、推力を増加させ、
50
0
燃料消費率も増加する。
0
1,000
2,000
3,000
4,000
この計算例の燃料消費量の合計値は 8,951 kg
飛行時間(秒)
である。区間に分けると上昇区間が 6,050 kg、巡
図 3 燃料消費率
の型式は、大型機のボーイング 777-300(B773)、
重量は BADA の参照重量の 237.6 t とした。大気
モデルは標準大気を使用し、風は無風とした。横
軸は飛行時間を示す。離陸から着陸までの飛行時
間は 1 時間 4 分、飛行距離は 429 NM(795 km,
1 NM = 1.852 km)である。
航空機の上昇中は、推力と抗力の差分により、
位置エネルギーと運動エネルギーが増加する [10]。
BADA の運航速度モデルでは、上昇中の航空機
の CAS は、高度帯毎に一定速度が定義されてい
る。CAS 一定速度の上昇においても、高度が上
昇するに従って空気密度が小さくなるため、図 2
のように TAS は増加する。さらに上昇して、高
度が CAS 基準の運航とマッハ数基準の運航の境
界の高度である遷移高度以上になった場合は、
航区間が 2,334 kg、降下区間が 566 kg であり,
割合ではそれぞれ 68%、26%、6%となる。
3. 降下区間と巡航区間の速度調整
3.1 経路延伸による時間調整
航空機の目的空港が混雑している場合に、着陸
待ちのため、空中で時間調整をすること(滞留)
がある。通常、航空管制官からのレーダ誘導の管
制指示により、経路を延伸し、滞留することが多
い。第 2 章の例に対して、滞留時の燃料消費量を
推定する。航空機は滞留のために、降下区間の途
中に高度 15,000 ft で CAS 310 kt の水平飛行を
し、その後は再びアイドル推力で降下する。この
水平飛行区間の TAS は 383 kt、燃料消費率は
131.8 kg/min である。仮に 5 分間の滞留をこの
水平飛行により実現する場合の燃料消費量の増
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最大速度
最小速度
標準速度
失速速度
40000
高度(ft)
30000
高度(ft)
250
260
270
280
290
300
310
30000
20000
20000
10000
10000
0
0
0
100
200
CAS(kt)
300
0
400
図 4 速度調整範囲(CAS)
最大速度
最小速度
200
CAS(kt)
300
400
図 6 速度調整モデル
標準速度
失速速度
310 kt
30000
高度(ft)
40000
30000
高度(ft)
100
20000
20000
250 kt
10000
250
260
270
280
290
300
310
10000
0
280 300 320 340 360 380 400 420 440
飛行距離(NM)
0
0
100
200
300
400
TAS(kt)
500
600
図 5 速度調整範囲(TAS)
図 7 降下区間の軌道
加分は 659 kg、延伸する経路長は 32 NM である。
加速する速度調整範囲は小さいが、減速する速度
また、10 分間の滞留の場合は、それぞれ 1,318 kg、
調整範囲は大きい。また、高度 10,000ft 以下で
64 NM となる。
は CAS が 250 kt 以下とする運用上の制限がある。
巡航高度 33,000 ft から高度 1,000 ft までの降
3.2 降下区間の速度調整による時間調整
下区間における飛行時間、飛行距離、燃料消費量
航空機の降下区間で速度を調整し、時間調整す
を比較する。図 6 のとおり、高度 33,000 ft から
る方法を検討する。航空機の降下区間では、第 2
10,000 ft の区間において、CAS を 310 kt から
章の例のとおり、アイドル推力の降下とする。降
250 kt まで 10 kt 毎に変化させ、飛行軌道を生成
下速度を変更した場合の飛行時間と燃料消費量
した。高度 10,000 ft 以下では標準速度とした。
を求める。
航空機が降下中に減速する場合には、降下率を
図 4 と図 5 に BADA に基づく航空機の降下速
低減させたり、水平飛行区間を飛行することによ
度の調整幅の例を示す。図 4 は CAS を示し、図
り減速する [12]。今回のシミュレーションでは、
5 はそれを変換した TAS を示す。最大速度、最
モデルを簡易化するため、速度の変更時間は、瞬
小速度、失速速度は BADA の飛行性能データか
間的に変化するとし、この遷移区間は省略した。
ら、標準速度は運航速度モデルから算出した。航
図 7 に降下区間の軌道を示す。CAS を低減す
空機の最小速度は、失速速度に安全率を加えて設
ると、抗力が小さくなるので、飛行距離が長くな
定される。また、最大速度は型式毎に CAS とマ
る。この点を考慮して、図では全区間の飛行距離
ッハ数が決められている。全体的に標準速度より
が 429 NM に等しくなるように、降下開始点
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482.0㻌
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1,588㻌
243㻌
138.9㻌
10.0㻌
648.6㻌
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478.0㻌
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270㻌
1,539㻌
194㻌
137.6㻌
8.7㻌
631.6㻌
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483.1㻌
-83.2㻌
280㻌
1,489㻌
144㻌
135.9㻌
6.9㻌
614.3㻌
-118.7㻌
495.6㻌
-70.7㻌
290㻌
1,440㻌
95㻌
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599.1㻌
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300㻌
1,391㻌
46㻌
131.4㻌
2.5㻌
571.9㻌
-42.6㻌
529.3㻌
-37.0㻌
310㻌
1,345㻌
0㻌
128.9㻌
0.0㻌
566.2㻌
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566.2㻌
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電子航法研究所研究発表会(第 11 回平成 23 年6月)
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[3] ⓑᕝ, ⚟⏣, ℩அཱྀ㸪͆⯟✵ᶵᛶ⬟ࢹ࣮ࢱࢆ
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[9] Eurocontol Experimental Center 㸪͆ User
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Manual for the Base of Aircraft Data
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(BADA),
revision
3.7
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EEC
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Technical/Scientific Report No.2008-0003,
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[10] ⓑᕝ㸪⚟⏣㸪℩அཱྀ㸪͆⯟✵ᶵࡢᆶ┤㌶㐨࡟
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[11] Roberson, “Fuel Conservation Strategies:
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Cruise Flight”, Boeing Aero Quarterly
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[13] Eurocontol 㸪͆ AMAN Status Review
2010͇㸪Edition Number: 0.1, Dec. 2010.
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[1] ICAO㸪͆Global Air Traffic Management
Operational
Concept ͇ 㸪 ICAO
Doc
9854AN/458, 2005.
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