Análise do consumo de combustível em navegação aérea por waypoints em 4D

• Autor(es): Fernandes, Márcio Filipe Pereira
• Data: 2012
• Identificador Persistente: http://hdl.handle.net/10400.6/2008
• Origem: uBibliorum
• Assunto(s): Cost index; Controlo de Trajetórias
• Tipo de Documento: Dissertação de mestrado
• Idioma: Português
• Orientador(es): Bousson, Kouamana
• Contribuidor(es): uBibliorum

Descrição

O problema do aumento do preço dos combustíveis tem levado as companhias aéreas a procurar novos métodos de navegação e novas formas de otimizar o consumo de combustível das suas aeronaves. Durante as diferentes fases do voo, existem vários fatores que influenciam direta e indiretamente o consumo total de combustível, tendo estes por isso que ser controlados e otimizados por todos os operadores de aeronaves. Neste trabalho é feita uma análise do consumo de combustível para as fases de subida, cruzeiro e descida, com recurso a um método de navegação 4D definida por waypoints. Este tipo de navegação consiste em percorrer uma sequência de pontos pré-definidos num determinado tempo do voo, que, por sua vez, definem a trajetória do voo. Deste modo, nesta dissertação é analisado um conjunto de diferentes trajetórias para um dado destino, com o objetivo de se avaliar qual delas permite um menor consumo total de combustível. O algoritmo utilizado para a navegação definida por waypoints 4D foi fornecido nas aulas de Otimização e Controlo de Trajetórias. As equações de navegação foram derivadas através do algoritmo de Butcher para sistemas controlados e a sua implementação foi feita no programa Matlab®. Da análise feita para a fase de subida de um voo comercial de médio curso, verifica-se que é possível poupar cerca de 10,8% de combustível consumido em perfis de ângulo de subida superior. Ainda assim é também possível diminuir 5,8% com a aplicação de uma razão de subida máxima e variável. Para voos de pequeno curso, onde o tempo de voo não é suficiente para atingir altitudes elevadas de cruzeiro, verifica-se uma redução de 8,4% de combustível consumido com o prolongamento da fase de subida até altitudes máximas de cruzeiro possíveis. Durante a descida um perfil baseado numa razão de descida máxima permite uma diminuição do consumo de combustível significativa. Comparativamente com outros métodos baseados na otimização de funções diferenciáveis, os métodos utilizados neste trabalho requerem um menor esforço computacional, apresentando no entanto uma boa precisão de resultados finais, podendo estes serem utilizados em diversas aplicações no que respeita à gestão de trajetórias das companhias aéreas. O estudo realizado permite quantificar o consumo de combustível para as diferentes fases de um voo comercial, no qual se verifica que as fases de subida e descida têm um maior impacto no consumo de combustível. Assim, podemos concluir que um bom planeamento e uma boa escolha das trajetórias do voo, principalmente nestas fases, permitem uma diminuição significativa nos custos relacionados com o consumo de combustível das aeronaves.

The problem of rising fuel prices has led airlines to search for new methods of navigation and further ways to optimize the fuel consumption of its aircraft. During the various phases of flight, there are several factors that influence directly and indirectly, the total fuel consumption, and so they must be controlled and optimized by all aircraft operators. In this work an analysis of the fuel consumption during the climb, cruise and descent phases is made using a 4D Waypoint Navigation method. This type of navigation consists of traveling through a sequence of predefined points in a given time of flight, which in turn define the trajectory of the flight. Therefore, a set of different possible paths to a given destination are analyzed, in order to assess which of these provides lower total fuel consumption. The algorithm used for 4D Waypoint Navigation was provided in class of Trajectory Optimization and Control. The navigation equations were derived by Butcher´s algorithm for controlled systems, and their implementation was made in Matlab® . From the performance analysis of the initial climb phase of a commercial medium haul flight, it is possible to save 10,8% of the fuel consumed by using a higher flight path angle during the climb. It is also possible to save 5,8% of fuel with the application of a maximum and variable climb flight path angle. For a short haul flight, were the time of the flight isn’t enough to reach higher flight level, the fuel consumption can be reduced by 8,5% with the extension of the climb phase until the reach of the higher possible flight level. During the descent, the use of a maximum descent profile allows a significant decrease in the fuel consumption. Comparatively to the others methods based on the differential functions optimization, the methods used in this work require a lower computational effort, presenting at the same time a good result precision, which can be used in diverse applications in regard to the airlines trajectory management. This study allows the quantification of fuel consumption for different phases of a commercial flight, in which it’s verified that the climb and descent phases have the higher impact in the fuel consumption. Therefore, a good planning and choice of the flight trajectories, especially in these phases, allows a significant decrease in the cost related to the fuel consumption of the aircrafts