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

Depuis des décennies, le ciel est parcouru à l'aide d'un système qui repose sur l'air lui-même pour indiquer à un pilote à quelle altitude il vole. Au lieu de mesurer la distance par rapport au sol, les avions utilisent des altimètres barométriques, qui détectent la pression atmosphérique. À mesure qu'un avion monte, l'air s'amincit et la pression chute ; lorsqu'il descend, la pression augmente. En calibrant cette pression par rapport à un modèle standard de l'atmosphère, les pilotes peuvent déterminer leur altitude. Cette méthode est robuste et simple, mais elle n'est pas parfaite. Comme l'atmosphère change en fonction de la météo et de la localisation, la pression à une hauteur donnée peut varier. Pour gérer cela, les pilotes ajustent constamment leurs instruments pour correspondre à la pression locale au niveau de la mer, un réglage connu sous le nom de QNH. En volant en haute altitude, ils passent à un réglage de pression standard pour garantir que tous les appareils dans le ciel utilisent la même référence, créant ainsi des « niveaux de vol » qui maintiennent une séparation sûre entre les avions. Cependant, ce système nécessite une zone de transition où les pilotes basculent entre les réglages locaux et standards, et cela signifie que l'altitude réelle d'un avion par rapport au sol peut dériver légèrement selon la météo, même si l'instrument affiche le même chiffre.

Imaginez essayer de marcher en ligne droite alors que le sol sous vos pieds se déplace constamment de haut en bas ; voilà le défi de la navigation avec l'altitude basée sur la pression. Une nouvelle approche, explorée par des chercheurs du Centre de l'Aérospatiale Allemand (DLR), suggère de remplacer cette référence changeante par une référence fixe : l'altitude géométrique. Cette méthode utilise des signaux satellites, plus précisément des systèmes de navigation par satellite mondiaux, pour mesurer la distance exacte entre l'avion et le centre de la Terre, fournissant une hauteur précise et immuable, quel que soit le temps. La question qui motive les recherches récentes est de savoir si ce passage rendrait le vol plus efficace, économisant du carburant lors des phases critiques de montée à la sortie d'un aéroport et de descente pour l'atterrissage. Bien que l'idée d'une jauge de hauteur parfaitement précise semble être une amélioration évidente, la physique du vol est complexe, et la réponse n'est pas aussi simple que « plus de précision égale moins de carburant ».

André Koloschin, chercheur au Centre de l'Aérospatiale Allemand, a mené une étude détaillée pour répondre à cette question, en se concentrant sur l'Airbus A320, un avion de ligne commercial courant. Il n'a pas fait voler de vrais avions ; à la place, il a utilisé un modèle de simulation informatique hautement précis qui avait été vérifié par rapport à des données de tests de vol réels. Cet avion virtuel a été soumis à une série de tests rigoureux, simulant 294 scénarios de vol différents. Ces scénarios couvraient des montées et des descentes dans trois grands aéroports de la région de Londres : Heathrow, Stansted et Luton. L'objectif était de comparer la consommation de carburant d'un avion virtuel utilisant le système traditionnel basé sur la pression par rapport au nouveau système basé sur la géométrie par satellite. Crucialement, l'étude a examiné deux manières différentes dont ce nouveau système pourrait être utilisé. Premièrement, elle a testé l'effet direct du simple remplacement de l'outil de mesure d'altitude tout en gardant exactement les mêmes trajectes de vol qu'aujourd'hui. Deuxièmement, elle a exploré les bénéfices indirects : et si le nouveau système, plus précis, permettait aux contrôleurs aériens de concevoir des trajectes de vol plus efficaces et mieux optimisées, actuellement impossibles car l'ancien système est trop imprécis pour garantir la sécurité ?

Les résultats de la simulation ont révélé un tableau nuancé. Lorsque les chercheurs ont simplement remplacé l'outil de mesure d'altitude sans modifier les trajectes de vol, la différence de consommation de carburant était incroyablement faible. Dans de nombreux cas, le bénéfice direct de l'utilisation de l'altitude géométrique était si léger qu'il pouvait être considéré comme négligeable. L'étude a constaté que le montant de carburant économisé ou gaspillé dépendait fortement des conditions météorologiques au moment donné, spécifiquement de la pression atmosphérique. Lors de jours avec certains réglages de pression, le système géométrique pourrait économiser une infime quantité de carburant ; d'autres jours, il pourrait en consommer un tout petit peu plus. Sur une longue période avec des changements de météo, ces petits gains et pertes s'annuleraient largement. Les chercheurs ont conclu que l'avantage direct du passage à l'altitude géométrique, de manière isolée, n'est pas un moteur majeur pour l'économie de carburant.

Cependant, l'histoire change lorsque les chercheurs permettent aux trajectes de vol elles-mêmes d'être optimisées pour le nouveau système. Parce que l'altitude géométrique est si précise, elle supprime la nécessité des larges marges de sécurité actuellement requises lors de l'utilisation des mesures basées sur la pression. Dans la simulation, les chercheurs ont conçu des trajectes de vol de « solution » qui sont plus serrées et plus directes que les trajectes « de référence » actuelles. Ces nouveaux chemins ont supprimé les segments plats inutiles où l'avion devait se stabiliser et remonter, et ils ont permis à l'avion de rester à des altitudes plus élevées et plus efficaces plus longtemps pendant la descente. Lorsque ces trajectes optimisés ont été suivis, les économies de carburant ont été significatives. Pour les scénarios de descente testés, la trajecte optimisée a économisé environ 23 kilogrammes de carburant par vol, ce qui représentait environ 6,6 % du carburant total utilisé pour cette phase du voyage. Cette économie n'était pas due au fait que le système satellite lui-même était plus efficace, mais parce que la précision du système permettait une trajecte de vol plus intelligente qui serait trop risquée à voler avec l'ancien système moins précis.

Les scénarios de montée ont raconté une histoire légèrement différente. Ici, les économies de carburant dues à l'optimisation étaient beaucoup plus faibles, environ 2 kilogrammes par vol, soit environ 0,25 % du carburant utilisé. Les chercheurs ont découvert que, bien que la suppression des segments de stabilisation aide à économiser du carburant, le nouvel système exigeait que l'avion suive un angle de montée strictement fixe entre deux points. Cette exigence rigide travaillait en fait contre la performance naturelle de l'avion. Un avion monte plus efficacement en ajustant son angle à mesure qu'il monte plus haut et que l'air s'amincit, mais la règle de l'angle fixe l'a forcé à voler de manière moins efficace dans certaines parties de la montée. Cela a contrecarré les bénéfices d'un chemin plus fluide, ne laissant qu'un gain net minuscule. Dans certains cas simulés, les règles rigides ont même fait consommer plus de carburant à l'avion que le système actuel. Cela suggère que, bien que l'altitude géométrique puisse améliorer les montées, les règles régissant ces montées devraient être flexibles pour véritablement libérer le potentiel.

L'étude a également souligné une distinction critique entre les phases de montée et de descente. Lors d'une descente, les performances d'un avion sont relativement stables et prévisibles, ce qui convient bien aux trajectes à angle fixe permis par l'altitude géométrique. Lors d'une montée, cependant, les performances varient considérablement en fonction du poids de l'avion et de la densité de l'air, rendant une trajecte fixe « taille unique » moins efficace. Les chercheurs ont noté que les plus grandes économies de carburant de leur étude provenaient de l'optimisation de la descente, où la capacité de suivre une trajecte continue et fluide sans s'arrêter pour se stabiliser a fait une réelle différence. Ils ont également précisé que l'espace aérien de Londres utilisé dans l'étude est exceptionnellement chargé et complexe, avec de nombreuses trajectes de vol se croisant. Dans des cieux moins encombrés, le besoin de trajectes aussi serrées et optimisées pourrait être moins urgent, et les économies de carburant pourraient être moindres.

Malgré les modestes économies directes de carburant, les chercheurs soutiennent que l'argument en faveur de l'altitude géométrique reste fort pour des raisons dépassant le simple carburant. Le système actuel exige que les pilotes ajustent manuellement leurs instruments en fonction des rapports de pression locale, un processus qui introduit un risque d'erreur humaine. Il y a eu des incidents passés où un mauvais réglage a conduit un avion à voler trop bas, un danger qui serait éliminé si l'altitude était mesurée directement par satellite. De plus, le système actuel nécessite une couche de transition où les pilotes basculent entre les réglages de pression locale et standard, une zone qui limite le nombre d'avions pouvant voler dans une zone donnée. Supprimer cette couche pourrait augmenter la capacité du ciel. L'étude a également noté que, bien que l'altitude géométrique soit précise, elle dépend des signaux satellites, qui peuvent être vulnérables aux interférences ou au brouillage, un risque qui n'existe pas avec les capteurs de pression indépendants embarqués.

En fin de compte, la recherche suggère que l'avenir de l'efficacité du vol ne réside peut-être pas dans l'outil de mesure de l'altitude lui-même, mais dans ce que cet outil nous permet de faire. Le passage direct de la pression à l'altitude géométrique offre peu de bénéfices immédiats en termes de carburant. La véritable valeur réside dans la capacité de redessiner les procédures de vol pour les rendre plus fluides, plus directes et plus sûres. Si l'industrie aéronautique peut résoudre les défis de la fiabilité des satellites et concevoir des trajectes de vol flexibles qui tirent parti de cette nouvelle précision, les bénéfices indirects pourraient être substantiels. Pour l'instant, l'étude recommande que, tandis que les procédures de montée nécessitent une repensée prudente pour éviter les pénalités de carburant, les procédures de descente sont prêtes pour cette optimisation. La voie à suivre ne consiste pas seulement à changer un chiffre sur un cadran, mais à réimaginer comment les avions se déplacent dans le ciel pour tirer le meilleur parti de l'air qui les entoure.