Volcanic ash toolbox : a numerical method for assessing potential exposure of turbojet engines to volcanic events

The 2010 disruption due to the Eyjafjallajökull eruption caused a growth of interest in the effects of volcanic ash on turbojet engines and aircrafts. Since the dispersion of very fine ash in the atmosphere can cause major damage and economic loss to aeronautical manufacturers, the identification of the affected engines and aircrafts becomes important. This work focuses on the description of a numerical code, developed during a 6 month internship in Rolls-Royce PLC, capable of solving this query. The Volcanic Ash Toolbox can be employed for detecting engines and aircrafts exposed to volcanic ash or other severe weather conditions. If there is the suspicion that an engine event was caused by a meteorological condition, the numerical code will check it. This assessment, however, goes through the definition of both the perimeter of the weather pattern and the flight path. The first one is provided by external meteorological services whereas the route coordinates may be acquired from flight records. Where geographical coordinates aren’t available, the route can be estimated from its departure and arrival airports. The evaluation of the flight path is done using the Great Circle approximation: the two airports are connecting using an arch of circumference centred at the centre of the Earth. The exposure time is then calculated with an empirical formula based on the average cruise Mach number and altitude. This software can finally be used to identify which airports and routes may be most subjected to eruptions. This last application however can detect flight encounters due to volcanic activity of the past. Future events cannot be unfortunately forecasted.

Nel 2010 l’eruzione del vulcano islandese Eyjafjallajökull ha provocato la chiusura dello spazio aereo europeo e di conseguenza una notevole perdita economica per il mondo aeronautico. Per evitare che una simile situazione si ripetesse nel futuro, gli enti aeronautici hanno iniziato ad indagare gli effetti delle ceneri vulcaniche sui velivoli ed i loro motori. Particolare attenzione è stata rivolta allo sviluppo di una tecnica di monitoraggio in grado di identificare gli aerei e gli esoreattori effettivamente entrati in contatto con polveri vulcaniche. In questo modo si può, infatti, indirizzare meglio il lavoro di manutenzione sul singolo motore. Il presente lavoro si basa sullo sviluppo, effettuato durante uno stage di 6 mesi in Rolls-Royce PLC, di un codice numerico Volcanic Ash Toolbox che possa determinare quali esoreattori siano stati esposti a nubi di ceneri vulcaniche, o più generalmente a condizioni meteorologiche estreme. Il software, sviluppato totalmente in ambiente Matlab, correla dati meteorologici/climatici provenienti da servizi meteorologici o da centri di monitoraggio dell’attività vulcanica con informazioni riguardanti i dettagli di volo di motori attualmente in servizio. Il codice valuta se sia avvenuta un’intersezione tra la rotta di volo, che è stimata numericamente con l’approssimazione Great Circle, e l’estensione geografica della nube di ceneri vulcaniche. Il fine del software non è confinato alla sola identificazione dei motori potenzialmente entrati in contatto con polveri vulcaniche ma anche alla stima del tempo di esposizione. Quest’ultimo dato è, infatti, fondamentale per poter avere un’idea del possibile danno causato internamente all’esoreattore ed è quindi essenziale ai fini di una corretta manutenzione dello stesso. Una versione modificata del codice può infine identificare le rotte ed eventualmente gli operatori maggiormente interessati dai fenomeni eruttivi. Tuttavia quest’ultima applicazione necessita di maggiori approfondimenti circa le attività vulcaniche degli anni passati e di una stima numerica più accurata delle rotte di volo.