About the Influence of the Use of Geometric Altimetry on the Flight Efficiency in Climb and Descent

على مدى عقود، تم التنقل في السماء باستخدام نظام يعتمد على الهواء نفسه ليخبر الطيار بمدى ارتفاعه أثناء طيرانه. فبدلاً من قياس المسافة من الأرض، تستخدم الطائرات أجهزة قياس الارتفاع البارومترية، التي تستشعر الضغط الجوي. ومع صعود الطائرة، يصبح الهواء أقل كثافة وينخفض الضغط؛ ومع هبوطها، يرتفع الضغط. ومن خلال معايرة هذا الضغط مقابل نموذج معياري للغلاف الجوي، يمكن للطيارين تحديد ارتفاعهم. هذه الطريقة قوية وبسيطة، لكنها ليست مثالية. ولأن الغلاف الجوي يتغير بتغير الطقس والموقع، فإن الضغط عند ارتفاع معين يمكن أن يتفاوت. ولإدارة ذلك، يقوم الطيارون باستمرار بتعديل أجهزتهم لتتوافق مع الضغط المحلي عند مستوى سطح البحر، وهو إعداد يُعرف باسم QNH. وعند الطيران على ارتفاعات عالية، ينتقلون إلى إعداد ضغط قياسي لضمان استخدام جميع الطائرات في السماء لنفس المرجع، مما يخلق "مستويات طيران" تحافظ على تباعد الطائرات بأمان. ومع ذلك، يتطلب هذا النظام منطقة انتقال حيث يقوم الطيارون بالتبديل بين الإعدادات المحلية والقياسية، ويعني أيضاً أن الارتفاع الفعلي للطائرة بالنسبة للأرض يمكن أن ينحرف قليلاً اعتماداً على حالة الطقس، حتى لو قرأت الأداة نفس الرقم.

تخيل أنك تحاول السير في خط مستقيم بينما الأرض تحت قدميك تتحرك باستمرار صعوداً وهبوطاً؛ هذا هو التحدي الذي يواجهه الطيران باستخدام الارتفاع القائم على الضغط. يقترح نهج جديد، استكشفه باحثون في مركز الفضاء الألماني، استبدال هذا المرجع المتغير بمرجع ثابت: الارتفاع الهندسي. تستخدم هذه الطريقة إشارات الأقمار الصناعية، وتحديداً من أنظمة الملاحة العالمية عبر الأقمار الصناعية، لقياس المسافة الدقيقة من الطائرة إلى مركز الأرض، مما يوفر ارتفاعاً دقيقاً وغير متغير بغض النظر عن الطقس. والسؤال الذي يحرك الأبحاث الأخيرة هو ما إذا كان هذا التحول سيجعل الطيران أكثر كفاءة، مما يوفر الوقود خلال المراحل الحرجة من الصعود خارج المطار والهبوط للعودة إلى الهبوط. وبينما تبدو فكرة وجود مقياس ارتفاع مثالي تماماً كتحسين بديهي، فإن فيزياء الطيران معقدة، والإجابة ليست ببساطة "زيادة الدقة تساوي وقوداً أقل".

أجرى أندريه كولوشين، وهو باحث في مركز الفضاء الألماني، دراسة تفصيلية للإجابة على هذا السؤال، مركزاً على طائرة إيرباص A320، وهي طائرة تجارية شائعة. لم يقم بتجربة طائرات حقيقية؛ بل استخدم نموذج محاكاة حاسوبي عالي الدقة تم التحقق منه مقابل بيانات اختبارات طيران حقيقية. وُضعت هذه الطائرة الافتراضية في سلسلة من الاختبارات الصارمة، حيث حاكت 294 سيناريو طيران مختلف. غطت هذه السيناريوهات عمليات الصعود والهبوط في ثلاث مطارات رئيسية في منطقة لندن: هيثرو، وستانستيد، ولوتن. كان الهدف هو مقارنة كمية الوقود التي ستستهلكها الطائرة الافتراضية باستخدام نظام الارتفاع التقليدي القائم على الضغط مقابل النظام الهندسي الجديد القائم على الأقمار الصناعية. والأهم من ذلك، نظرت الدراسة في طريقتين مختلفتين يمكن استخدامهما للنظام الجديد. أولاً، اختبرت التأثير المباشر لمجرد استبدال أداة قياس الارتفاع مع إبقاء مسارات الطيران كما هي اليوم تماماً. ثانياً، استكشفت الفوائد غير المباشرة: ماذا لو سمح النظام الجديد، الأكثر دقة، لمراقبي الحركة الجوية بتصميم مسارات طيران أفضل وأكثر كفاءة، وهي مسارات مستحيلة حالياً لأن النظام القديم غير دقيق بما يكفي لضمان السلامة؟

كشفت نتائج المحاكاة عن صورة دقيقة. عندما قام الباحثون ببساطة باستبدال أداة قياس الارتفاع دون تغيير مسارات الطيران، كان الفرق في استهلاك الوقود ضئيلاً للغاية. وفي كثير من الحالات، كان المنفعة المباشرة لاستخدام الارتفاع الهندسي طفيفة جداً لدرجة يمكن اعتبارها مهملة. وجدت الدراسة أن مقدار الوقود الذي سيتم توفيره أو إهداره يعتمد بشكل كبير على الظروف الجوية في ذلك الوقت، وتحديداً الضغط الجوي. ففي الأيام التي تتسم بإعدادات ضغط معينة، قد يوفر النظام الهندسي كمية ضئيلة من الوقود؛ وفي أيام أخرى، قد يستهلك كمية ضئيلة إضافية. وعلى مدى فترة طويلة مع تغير الطقس، ستلغي هذه المكاسب والخسائر الصغيرة بعضها البعض إلى حد كبير. وخلص الباحثون إلى أن الميزة المباشرة للتحول إلى الارتفاع الهندسي، بمعزل عن غيره، ليست محركاً رئيسياً لتوفير الوقود.

ومع ذلك، تتغير القصة عندما سمح الباحثون بتحسين مسارات الطيران نفسها للنظام الجديد. نظرًا لأن الارتفاع الهندسي دقيق للغاية، فإنه يلغي الحاجة إلى هوامش السلامة الواسعة المطلوبة حالياً عند استخدام القياسات القائمة على الضغط. في المحاكاة، صمم الباحثون مسارات طيران "حلول" تكون أكثر إحكاماً ومباشرة من المسارات "الأساسية" الحالية. أزالت هذه المسارات الجديدة الأجز de المستوية غير الضرورية حيث كان على الطائرة أن تستوي ثم تصعد مرة أخرى، وسمحت للطائرة بالبقاء عند ارتفاعات أعلى وأكثر كفاءة لفترة أطول أثناء الهبوط. وعندما تم طيران هذه المسارات المحسنة، كانت وفورات الوقود كبيرة. في سيناريوهات الهبوط التي تم اختبارها، وفر المسار المحسن حوالي 23 كيلوغراماً من الوقود لكل رحلة، وهو ما مثل حوالي 6.6 في المائة من إجمالي الوقود المستخدم في تلك المرحلة من الرحلة. لم يكن هذا التوفير بسبب كون نظام الأقمار الصناعية نفسه أكثر كفاءة، بل لأن دقة النظام مكنت من رسم مسار طيران أذكى سيكون خطيراً للغاية إذا تم طيرانه باستخدام النظام القديم الأقل دقة.

أخبرت سيناريوهات الصعود قصة مختلفة قليلاً. هنا، كانت وفورات الوقود من التحسين أصغر بكثير، حوالي 2 كيلوغرام لكل رحلة، أو حوالي 0.25 في المائة من الوقود المستخدم. وجد الباحثون أنه بينما ساعدت إزالة مقاطع الاستواء في توفير الوقود، إلا أن النظام الجديد تطلب من الطائرة اتباع زاوية صعود ثابتة تماماً بين النقاط. هذا المتطلب الصارم عمل ضد الأداء الطبيعي للطائرة. فالطائرة تصعد بأكبر قدر من الكفاءة من خلال تعديل زاويتها كلما ارتفعت وأصبح الهواء أقل كثافة، لكن قاعدة الزاوية الثابتة أجبرتها على الطيران بكفاءة أقل في بعض أجزاء الصعود. وقد عادل هذا الأمر فوائد المسار الأكثر سلاسة، مما ترك مكسباً صافياً ضئيلاً فقط. وفي بعض الحالات المحاكية، تسببت القواعد الصارمة في استهلاك الطائرة وقوداً أكثر من النظام الحالي. وهذا يشير إلى أنه بينما يمكن للارتفاع الهندسي تحسين عمليات الصعود، فإن القواعد التي تحكم تلك العمليات ستحتاج إلى المرونة لتطلق العنان لإمكاناته حقاً.

كما سلطت الدراسة الضوء على تمييز حاسم بين مرحلتي الصعود والهبوط. فخلال الهبوط، يكون أداء الطائرة مستقراً ويمكن التنبؤ به نسبياً، مما يجعلها مناسبة جيداً لمسارات الزاوية الثابتة التي تتيحها طريقة الارتفاع الهندسي. أما خلال الصعود، فإن الأداء يتفاوت بشكل كبير اعتماداً على وزن الطائرة وكثافة الهواء، مما يجعل المسار الثابت ذو الحجم الواحد أقل كفاءة. وأشار الباحثون إلى أن أكبر وفورات الوقود في دراستهم جاءت من تحسين الهبوط، حيث جعل القدرة على الطيران في مسار مستمر وسلس دون التوقف للاستواء فرقاً حقيقياً. كما أشاروا إلى أن المجال الجوي بلندن المستخدم في الدراسة مزدحم ومعقد للغاية، مع وجود العديد من مسارات الطيران التي تتقاطع مع بعضها البعض. وفي السماوات الأقل ازدحاماً، قد لا تكون الحاجة إلى مثل هذه المسارات المحكمة والمحسنة ملحة، وقد تكون وفورات الوقود أصغر.

وعلى الرغم من وفورات الوقود المباشلة المتواضعة، يرى الباحثون أن الحجة لصالح الارتفاع الهندسي تظل قوية لأسباب تتجاوز مجرد الوقود. فالنظام الحالي يتطلب من الطيارين تعديل أجهزتهم يدوياً بناءً على تقارير الضغط المحلية، وهي عملية تزيد من خطر الخطأ البشري. كانت هناك حوادث سابقة حيث أدى إعداد خاطئ إلى طيران الطائرة على ارتفاع منخفض جداً، وهو خطر سيتم القضاء عليه إذا تم قياس الارتفاع مباشرة بواسطة الأقمار الصناعية. علاوة على ذلك، يتطلب النظام الحالي طبقة انتقال حيث يقوم الطيارون بالتبديل بين إعدادات الضغط المحلية والقياسية، وهي منطقة تحد من عدد الطائرات التي يمكنها الطيران في منطقة معينة. كما أشارت الدراسة إلى أنه بينما الارتفاع الهندسي دقيق، فإنه يعتمد على إشارات الأقمار الصناعية، والتي قد تكون عرضة للتداخل أو التشويش، وهو خطر لا يوجد في مستشعرات الضغط المستقلة الموجودة على متن الطائرة.

في نهاية المطاف، تشير الأبحاث إلى أن كفاءة الطيران المستقبلية قد لا تكمن في أداة قياس الارتفاع نفسها، بل فيما تسمح لنا القيام به. إن التحول المباشر من الضغط إلى الارتفاع الهندسي لا يقدم فائدة فورية كبيرة في الوقود بحد ذاته. القيمة الحقيقية تكمن في القدرة على إعادة تصميم إجراءات الطيران لتكون أكثر سلاسة ومباشرة وأماناً. إذا استطاعت صناعة الطيران حل تحديات موثوقية الأقمار الصناعية وتصميم مسارات طيران مرنة تستفيد من هذه الدقة الجديدة، فإن الفوائد غير المباشرة قد تكون كبيرة. وفي الوقت الحالي، توصي الدراسة بأنه بينما تحتاج إجراءات الصعود إلى إعادة تفكير دقيقة لتجنب عقوبات الوقود، فإن إجراءات الهبوط جاهزة لهذا التحسين. إن الطريق إلى الأمام لا يتعلق فقط بتغيير رقم على مقياس، بل بإعادة تصور كيفية تحرك الطائرات عبر السماء لتحقيق أقصى استفادة من الهواء من حولها.