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

Durante décadas, el cielo se ha navegado utilizando un sistema que depende del propio aire para decirle a un piloto a qué altura está volando. En lugar de medir la distancia desde el suelo, las aeronaves utilizan altímetros barométricos, que detectan la presión atmosférica. A medida que un avión asciende, el aire se vuelve más tenue y la presión disminera; al descender, la presión aumenta. Al calibrar esta presión contra un modelo estándar de la atmósfera, los pilotos pueden determinar su altitud. Este método es robusto y sencillo, pero no es perfecto. Debido a que la atmósfera cambia con el clima y la ubicación, la presión en una altura específica puede variar. Para gestionar esto, los pilotos ajustan constantemente sus instrumentos para que coincidan con la presión local al nivel del mar, un ajuste conocido como QNH. Al volar alto, cambian a un ajuste de presión estándar para asegurar que todas las aeronaves en el cielo utilicen la misma referencia, creando "niveles de vuelo" que mantienen los aviones seguros y separados. Sin embargo, este sistema requiere una zona de transición donde los pilotos cambian entre los ajustes locales y estándar, y significa que la altura real de una aeronave respecto al suelo puede variar ligeramente dependiendo del clima, incluso si el instrumento muestra el mismo número.

Imagine intentar caminar en línea recta mientras el suelo bajo sus pies se desplaza constantemente hacia arriba y hacia abajo; ese es el desafío de volar con la altitud basada en la presión. Un nuevo enfoque, explorado por investigadores del Centro Aeroespacial Alemán, sugiere reemplazar esta referencia cambiante por una fija: la altitud geométrica. Este método utiliza señales de satélite, específicamente de sistemas globales de navegación por satélite, para medir la distancia exacta desde la aeronave hasta el centro de la Tierra, proporcionando una altura precisa e invariable independientemente del clima. La pregunta que impulsa la investigación reciente es si este cambio haría que el vuelo fuera más eficiente, ahorrando combustible durante las fases críticas de ascenso al salir de un aeropuerto y descenso al regresar para aterrizar. Si bien la idea de un medidor de altura perfectamente preciso suena como una mejora obvia, la física del vuelo es compleja, y la respuesta no es tan simple como "más precisión equivale a menos combustible".

André Koloschin, investigador del Centro Aeroespacial Alemán, realizó un estudio detallado para responder a esta pregunta, centrándose en el Airbus A320, un avión comercial común. Él no voló aviones reales; en su lugar, utilizó un modelo de simulación computacional altamente preciso que había sido verificado con datos de pruebas de vuelo reales. Esta aeronave virtual fue sometida a una serie de pruebas rigurosas, simulando 294 escenarios de vuelo diferentes. Estos escenarios cubrieron ascensos y descensos en tres aeropuertos importantes del área de Londres: Heathrow, Stansted y Luton. El objetivo era comparar cuánto combustible quemaría el avión virtual utilizando el sistema tradicional basado en la presión frente al nuevo sistema basado en la geometría. Crucialmente, el estudio analizó dos formas distintas en las que se podría utilizar el nuevo sistema. Primero, probó el efecto directo de simplemente sustituir la herramienta de medición de altitud manteniendo exactamente las mismas trayectorias de vuelo que existen hoy. Segundo, exploró los beneficios indirectos: ¿qué pasaría si el nuevo y más preciso sistema permitiera a los controladores de tráfico aéreo diseñar trayectorias de vuelo mejores y más eficientes que son actualmente imposibles porque el viejo sistema es demasiado impreciso para garantizar la seguridad?

Los resultados de la simulación revelaron un panorama matizado. Cuando los investigadores simplemente sustituyeron la herramienta de medición de altitud sin cambiar las trayectorias de vuelo, la diferencia en el consumo de combustible fue increíblemente pequeña. En muchos casos, el beneficio directo de utilizar la altitud geométrica fue tan leve que podría considerarse insignificante. El estudio encontró que la cantidad de combustible ahorrado o gastado dependía fuertemente de las condiciones meteorológicas en ese momento, específicamente de la presión atmosférica. En días con ciertos ajustes de presión, el sistema geométrico podría ahorrar una pequeña cantidad de combustible; en otros, podría consumir un poco más. A lo largo de un periodo prolongado con cambios climáticos, estas pequeñas ganancias y pérdidas se cancelarían entre sí en gran medida. Los investigadores concluyeron que la ventaja directa de cambiar a la altitud geométrica, de forma aislada, no es un motor principal para el ahorro de combustible.

Sin embargo, la historia cambia cuando los investigadores permitieron que las propias trayectorias de vuelo fueran optimizadas para el nuevo sistema. Debido a que la altitud geométrica es tan precisa, elimina la necesidad de los amplios márgenes de seguridad que se requieren actualmente al usar mediciones basadas en la presión. En la simulación, los investigadores diseñaron trayectorias de vuelo de "solución" que eran más ajustadas y directas que las trayectorias de "línea base" actuales. Estas nuevas trayectorias eliminaron segmentos planos innecesarios donde el avión tenía que nivelarse y ascender de nuevo, y permitieron que la aeronave permaneciera en altitudes más altas y eficientes durante más tiempo durante el descenso. Cuando se volaron estas trayectorias optimizadas, los ahorros de combustible fueron significativos. Para los escenarios de descenso probados, la trayectoria optimizada ahorró aproximadamente 23 kilogramos de combustible por vuelo, lo que representó cerca del 6,6 por ciento del combustible total utilizado para esa fase del viaje. Este ahorro no se debió a que el sistema satelital fuera más eficiente en sí mismo, sino a que la precisión del sistema permitió una trayectoria de vuelo más inteligente que sería demasiado arriesgada de volar con el viejo sistema, menos preciso.

Los escenarios de ascenso contaron una historia ligeramente diferente. Aquí, los ahorros de combustible por optimización fueron mucho menores, alrededor de 2 kilogramos por vuelo, o aproximadamente el 0,25 por ciento del combustible utilizado. Los investigadores encontraron que, si bien eliminar los segmentos de nivelación ayudaba a ahorrar combustible, el nuevo sistema requería que la aeronave siguiera un ángulo de ascenso estrictamente fijo entre puntos. Este requisito rígido en realidad trabajaba en contra del rendimiento natural del avión. Una aeronave asciende de manera más eficiente ajustando su ángulo a medida que sube y el aire se vuelve más tenue, pero la regla del ángulo fijo la obligó a volar de manera menos eficiente en algunas partes del ascenso. Esto contrarrestó los beneficios de la trayectoria más fluida, dejando solo una ganancia neta mínima. En algunos casos simulados, las reglas rígidas incluso causaron que el avión consumiera más combustible que el sistema actual. Esto sugiere que, si bien la altitud geométrica podría mejorar los ascensos, las reglas que gobiernan esos ascensos tendrían que ser flexibles para desbloquear verdaderamente su potencial.

El estudio también destacó una distincción crítica entre las fases de ascenso y descenso. Durante un descenso, el rendimiento de una aeronave es relativamente estable y predecible, lo que la hace adecuada para las trayectorias de ángulo fijo permitidas por la altitud geométrica. Durante un ascenso, sin embargo, el rendimiento varía considerablemente dependiendo del peso de la aeronave y la densidad del aire, lo que hace que una trayectoria de ángulo fijo de "talla única" sea menos eficiente. Los investigadores señalaron que los mayores ahorros de combustible en su estudio provinieron de la optimización del descenso, donde la capacidad de volar una trayectoria continua y suave sin detenerse para nivelarse marcó una diferencia real. También señalaron que el espacio aéreo de Londres utilizado en el estudio es excepcionalmente concurrido y complejo, con muchas trayectorias de vuelo cruzándose entre sí. En cielos menos congestionados, la necesidad de trayectorias tan ajustadas y optimizadas podría ser menos urgente, y los ahorros de combustible podrían ser menores.

A pesar de los modestos ahorros directos de combustible, los investigadores argumentan que el caso para la altitud geométrica sigue siendo sólido por razones que van más allá del combustible. El sistema actual requiere que los pilotos ajusten manualmente sus instrumentos basándose en informes de presión local, un proceso que introduce el riesgo de error humano. Ha habido incidentos pasados donde un ajuste incorrecto provocó que una aeronave volara demasiado bajo, un peligro que se eliminaría si la altitud se midiera directamente por satélites. Además, el sistema actual requiere una capa de transición donde los pilotos cambian entre los ajustes de presión local y estándar, una zona que limita cuántos aviones pueden volar en un área determinada. Eliminar esta capa podría aumentar la capacidad del cielo. El estudio también señaló que, si bien la altitud geométrica es precisa, depende de señales de satélite, las cuales pueden ser vulnerables a la interferencia o al bloqueo, un riesgo que no existe con los sensores de presión independientes a bordo.

En última instancia, la investigación sugiere que el futuro de la eficiencia del vuelo puede no residir en la herramienta de medición de altitud en sí, sino en lo que esa herramienta nos permite hacer. El cambio directo de la presión a la altitud geométrica ofrece poco beneficio inmediato de combustible por sí solo. El verdadero valor reside en la capacidad de rediseñar los procedimientos de vuelo para que sean más fluidos, más directos y más seguros. Si la industria de la aviación puede resolver los desafíos de la fiabilidad de los satélites y diseñar trayectorias de vuelo flexibles que aprovechen esta nueva precisión, los beneficios indirectos podrían ser sustanciales. Por ahora, el estudio recomienda que, mientras que los procedimientos de ascenso necesitan un replanteamiento cuidadoso para evitar penalizaciones de combustible, los procedimientos de descenso están listos para esta optimización. El camino a seguir no es solo cambiar un número en un indicador, sino reimaginar cómo las aeronaves se mueven a través del cielo para aprovechar al máximo el aire que las rodea.