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

Seit Jahrzehnten wird der Himmel mit einem System navigiert, das darauf basiert, dass die Luft selbst dem Piloten sagt, wie hoch er fliegt. Anstatt die Entfernung zum Boden zu messen, verwenden Flugzeuge barometrische Höhenmesser, die den atmosphärischen Druck erfassen. Wenn ein Flugzeug steigt, wird die Luft dünner und der Druck sinkt; wenn es sinkt, steigt der Druck. Indem Piloten diesen Druck gegen ein Standardmodell der Atmosphäre kalibrieren, können sie ihre Flughöhe bestimmen. Diese Methode ist robust und einfach, aber sie ist nicht perfekt. Da sich die Atmosphäre mit dem Wetter und dem Standort verändert, kann der Druck in einer bestimmten Höhe variieren. Um dies zu bewältigen, passen Piloten ihre Instrumente ständig an, um den lokalen Druck auf Meeresniveau abzugleichen, eine Einstellung, die als QNH bekannt ist. Beim Fliegen in großen Höhen wechseln sie zu einer Standarddruckeinstellung, um sicherzustellen, dass alle Flugzeuge am Himmel dieselbe Referenz verwenden, wodurch „Flugebenen“ geschaffen werden, die Flugzeuge sicher voneinander trennen. Dieses System erfordert jedoch eine Übergangszone, in der Piloten zwischen lokalen und Standardeinstellungen wechseln müssen, und es bedeutet, dass die tatsächliche Höhe eines Flugzeugs relativ zum Boden je nach Wetter leicht schwanken kann, selbst wenn das Instrument die gleiche Zahl anzeigt.

Stellen Sie sich vor, Sie versuchen, eine gerade Linie zu gehen, während der Boden unter Ihren Füßen ständig auf und ab schwankt; das ist die Herausforderung des Fliegens mit druckbasierter Höhe. Ein neuer Ansatz, der von Forschern des Deutschen Aerospace Centers untersucht wird, schlägt vor, diese schwankende Referenz durch eine feste zu ersetzen: die geometrische Höhe. Diese Methode nutzt Satellitensignale, speziell von globalen Navigationssatellitensystemen, um die exakte Entfernung des Flugzeugs zum Erdmittelpunkt zu messen, was eine präzise, unveränderliche Höhe liefert, unabhängig vom Wetter. Die Frage, die die jüngste Forschung antreibt, ist, ob dieser Wechsel das Fliegen effizienter machen würde, indem Treibstoff während der kritischen Phasen des Aufstiegs aus einem Flughafen und des Sinkflugs zurück zur Landung eingespart wird. Obwohl die Idee eines perfekt genauen Höhenmessgeräts nach einer offensichtlichen Verbesserung klingt, ist die Physik des Fliegens komplex, und die Antwort ist nicht so einfach wie „mehr Präzision bedeutet weniger Treibstoff“.

André Koloschin, ein Forscher am Deutschen Aerospace Center, führte eine detaillierte Studie durch, um diese Frage zu beantworten, wobei er sich auf den Airbus A320 konzentrierte, ein gängiges Verkehrsflugzeug. Er flog keine echten Flugzeuge; stattdessen nutzte er ein hochpräzises Computersimulationsmodell, das gegen reale Flugtestdaten verifiziert wurde. Dieses virtuelle Flugzeug wurde einer Reihe strenger Tests unterzogen, bei denen 294 verschiedene Flugszenarien simuliert wurden. Diese Szenarien deckten Steigflüge und Sinkflüge an drei großen Flughäfen im Londoner Raum ab: Heathrow, Stansted und Luton. Das Ziel war es, zu vergleichen, wie viel Treibstoff das virtuelle Flugzeug unter Verwendung des traditionellen druckbasierten Systems im Vergleich zum neuen satellitengestützten geometrischen System verbrauchen würde. Entscheidend war, dass die Studie zwei verschiedene Arten untersuchte, wie das neue System eingesetzt werden könnte. Erstens untersuchte sie die direkte Auswirkung eines einfachen Austauschs des Höhenmesswerkzeugs, während die Flugpfade exakt so blieben wie heute. Zweitens untersuchte sie die indirekten Vorteile: Was wäre, wenn das neue, präzisere System es der Flugsicherung ermöglichen würde, bessere, effizientere Flugpfade zu entwerfen, die derzeit aufgrund der Ungenauigkeit des alten Systems aus Sicherheitsgründen unmöglich sind?

Die Ergebnisse der Simulation zeigten ein nuanciertes Bild. Als die Forscher lediglich das Höhenmesswerkzeug austauschten, ohne die Flugpfade zu ändern, war der Unterschied im Treibstoffverbrauch verschwindend gering. In vielen Fällen war der direkte Nutzen der Verwendung der geometrischen Höhe so geringfügig, dass er als vernachlässigbar betrachtet werden konnte. Die Studie ergab, dass der Menge des gesparten oder verschwendeten Treibstoffs stark von den Wetterbedingungen zum Zeitpunkt des Fluges abhängt, insbesondere vom atmosphärischen Druck. An Tagen mit bestimmten Druckeinstellungen sparte das geometrische System möglicherweise eine winzige Menge Treibstoff; an anderen Tagen verbrauchte es ein winziges Stück mehr. Über einen langen Zeitraum mit wechselndem Wetter würden sich diese kleinen Gewinne und Verluste weitgehend gegenseitig aufheben. Die Forscher kamen zu dem Schluss, dass der direkte Vorteil des Wechsels zur geometrischen Höhe isoliert betrachtet kein wesentlicher Faktor für Treibstoffeinsparungen ist.

Die Geschichte ändert sich jedoch, wenn die Forscher die Flugpfade selbst für das neue System optimieren lassen. Da die geometrische Höhe so präzise ist, macht sie die breiten Sicherheitsmargen überflüssig, die derzeit bei der Verwendung druckbasierter Messungen erforderlich sind. In der Simulation entwarfen die Forscher „Lösungs“-Flugpfade, die enger und direkter waren als die heutigen „Baseline“-Pfade. Diese neuen Pfade entfernten unnötige flache Segmente, in denen das Flugzeug abflachen und wieder aufsteigen musste, und sie ermöglichten es dem Flugzeug, während des Sinkflugs länger in höheren, effizienteren Höhen zu bleiben. Als diese optimierten Pfade geflogen wurden, waren die Treibstoffeinsparungen signifikant. Für die getesteten Sinkflug-Szenarien sparte der optimierte Pfad etwa 23 Kilogramm Treibstoff pro Flug, was etwa 6,6 Prozent des gesamten Treibstoffs für diese Phase der Reise entsprach. Diese Einsparung resultierte nicht daraus, dass das Satellitensystem selbst effizienter war, sondern weil die Präzision des Systems einen intelligenteren Flugpfad ermöglichte, der mit dem alten, weniger präzisen System zu riskant gewesen wäre.

Die Steigflug-Szenarien erzählten eine etwas andere Geschichte. Hier waren die Treibstoffeinsparungen durch Optimierung deutlich geringer, etwa 2 Kilogramm pro Flug, oder rund 0, 25 Prozent des verbrauchten Treibstoffs. Die Forscher fanden heraus, dass während das Entfernen von Abflachungssegmenten half, Treibstoff zu sparen, das neue System verlangte, dass das Flugzeug einen strikt festen Steigwinkel zwischen den Punkten einhält. Diese starre Anforderung arbeitete tatsächlich gegen die natürliche Leistung des Flugzeugs. Ein Flugzeug steigt am effizientesten, indem es seinen Winkel anpasst, während es höher fliegt und die Luft dünner wird; die Regel des festen Winkels zwang es jedoch dazu, in einigen Teilen des Steigflugs weniger effizient zu fliegen. Dies konterkarierte die Vorteile des glatteren Pfades, sodass nur ein minimaler Nettogewinn blieb. In einigen simulierten Fällen verursachte die starre Regel sogar, dass das Flugzeug mehr Treibstoff verbrauchte als das aktuelle System. Dies deutet darauf hin, dass, obwohl die geometrische Höhe die Steigflüge verbessern könnte, die Regeln, die diese Steigflüge regeln, flexibel sein müssten, um das Potenzial voll auszuschöpfen.

Die Studie hob auch einen kritischen Unterschied zwischen den Steig- und Sinkflugphasen hervor. Während eines Sinkflugs ist die Leistung eines Flugzeugs relativ stabil und vorhersehbar, was es gut für die durch die geometrische Höhe ermöglichten festen Winkelpfade macht. Während eines Steigflugs hingegen variiert die Leistung stark in Abhängigkeit vom Gewicht des Flugzeugs und der Luftdichte, was einen „Einheitsmodell“-festen Pfad weniger effizient macht. Die Forscher merkten an, dass die größten Treibstoffeinsparungen in ihrer Studie bei der Sinkflug-Optimierung auftraten, wo die Fähigkeit, einen kontinuierlichen, glatten Pfad ohne Stopps zum Abflachen zu fliegen, einen echten Unterschied machte. Sie wiesen auch darauf hin, dass der in der Studie verwendete Londoner Luftraum außergewöhnlich geschäftig und komplex ist, mit vielen sich kreuzenden Flugpfaden. In weniger belebten Lufträumen könnte die Notwendigkeit solcher engen, optimierten Pfade weniger dringend sein, und die Treibstoffeinsparungen könnten geringer ausfallen.

Trotz der bescheidenen direkten Treibstoffeinsparungen argumentieren die Forscher, dass das Argument für die geometrische Höhe aus Gründen, die über den reinen Treibstoff hinausgehen, weiterhin stark ist. Das aktuelle System erfordert, dass Piloten ihre Instrumente manuell basierend auf lokalen Druckberichten anpassen, ein Prozess, der das Risiko menschlicher Fehler birgt. Es gab in der Vergangenheit Vorfälle, bei denen eine falsche Einstellung dazu führte, dass ein Flugzeug zu tief flog – eine Gefahr, die eliminiert würde, wenn die Höhe direkt durch Satelliten gemessen würde. Darüber hinaus erfordert das aktuelle System eine Übergangsschicht, in der Piloten zwischen lokalen und Standarddruckeinstellungen wechseln, eine Zone, die begrenzt, wie viele Flugzeuge in einem bestimmten Gebiet fliegen können. Das Entfernen dieser Schicht könnte die Kapazität des Luftraums erhöhen. Die Studie stellte zudem fest, dass die geometrische Höhe zwar präzise ist, aber auf Satellitensignale angewiesen ist, die anfällig für Interferenzen oder Störungen sein können – ein Risiko, das bei den unabhängigen Drucksensoren an Bord nicht besteht.

Letztendlich legt die Forschung nahe, dass die Zukunft der Flugeffizienz vielleicht nicht in dem Werkzeug zur Höhenmessung selbst liegt, sondern in dem, was dieses Werkzeug uns ermöglicht. Der direkte Wechsel von der Druckmessung zur geometrischen Höhe bietet allein wenig unmittelbaren Treibstoffvorteil. Der wahre Wert liegt in der Fähigkeit, Flugverfahren glatter, direkter und sicherer zu gestalten. Wenn es der Luftfahrtindustrie gelingt, die Herausforderungen der Satellitenzuverlässigkeit zu lösen und flexible Flugpfade zu entwerfen, die die neue Präzision nutzen, könnten die indirekten Vorteile beträchtlich sein. Für den Moment empfiehlt die Studie, dass während die Steigflug-Verfahren überdacht werden müssen, um Treibstoffstrafen zu vermeiden, die Sinkflug-Verfahren bereit für diese Optimierung sind. Der Weg nach vorn besteht nicht nur darin, eine Zahl auf einem Messgerät zu ändern, sondern darin, die Bewegungen von Flugzeugen durch den Himmel neu zu denken, um das Beste aus der Luft um sie herum zu machen.