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

द दशकों से, आकाश में नेविगेशन के लिए एक ऐसी प्रणाली का उपयोग किया जाता रहा है जो पायलट को यह बताने के लिए कि वे कितनी ऊंचाई पर उड़ रहे हैं, स्वयं हवा पर निर्भर करती है। जमीन से दूरी मापने के बजाय, विमान बैरोमेट्रिक अल्टीमीटर का उपयोग करते हैं, जो वायुमंडलीय दबाव को महसूस करते हैं। जैसे-जैसे हवाई जहाज ऊपर चढ़ता है, हवा पतली होती जाती है और दबाव कम हो जाता है; जैसे-जैसे वह नीचे उतरता है, दबाव बढ़ता है। इस दबाव को वायुमंडल के एक मानक मॉडल के विरुद्ध कैलिब्रेट करके, पायलट अपनी ऊंचाई निर्धारित कर सकते हैं। यह विधि मजबूत और सरल है, लेकिन यह पूर्ण नहीं है। चूंकि मौसम और स्थान के साथ वायुमंडल बदलता रहता है, इसलिए एक विशिष्ट ऊंचाई पर दबाव भिन्न हो सकता है। इसे प्रबंधित करने के लिए, पायलट अपने उपकरणों को समुद्र तल पर स्थानीय दबाव के अनुरूप मिलाने के लिए लगातार समायोजित करते हैं, जिसे QNH नामक सेटिंग कहा जाता है। ऊँचाई पर उड़ते समय, वे एक मानक दबाव सेटिंग का उपयोग करते हैं ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि आकाश में सभी विमान एक ही संदर्भ का उपयोग कर रहे हैं, जिससे "फ्लाइट लेवल्स" बनते हैं जो विमानों को सुरक्षित रूप से अलग रखते हैं। हालांकि, इस प्रणाली के लिए एक संक्रमण क्षेत्र (ट्रांजिशन ज़ोन) की आवश्यकता होती है जहाँ पायलटों को स्थानीय और मानक सेटिंग्स के बीच स्विच करना पड़ता है, और इसका अर्थ यह भी है कि मौसम के आधार पर एक विमान की जमीन के सापेक्ष वास्तविक ऊंचाई थोड़ी विचलित हो सकती है, भले ही उपकरण एक ही संख्या दिखाए।

कल्पना कीजिए कि आप एक सीधी रेखा चलने की कोशिश कर रहे हैं जबकि आपके पैरों के नीचे की जमीन लगातार ऊपर-नीचे हो रही है; दबाव-आधारित ऊंचाई के साथ उड़ने की चुनौती यही है। जर्मन एयरोस्पेस सेंटर के शोधकर्ताओं द्वारा खोजा गया एक नया दृष्टिकोण, इस बदलते संदर्भ को एक निश्चित संदर्भ से बदलने का सुझाव देता है: ज्यामितिक ऊंचाई (geometric altitude)। यह विधि उपग्रह संकेतों, विशेष रूप से वैश्विक नेविगेशन उपग्रह प्रणालियों का उपयोग करके, पृथ्वी के केंद्र से विमान की सटीक दूरी को मापने के लिए उपयोग की जाती है, जो मौसम के बावजूद एक सटीक, अपरिवर्तनीय ऊंचाई प्रदान करती है। हालिया शोध को प्रेरित करने वाला प्रश्न यह है कि क्या यह बदलाव उड़ान को अधिक कुशल बनाएगा, जिससे हवाई अड्डे से बाहर निकलने के महत्वपूर्ण चरणों और लैंडिंग के लिए वापस नीचे उतरने के दौरान ईंधन की बचत होगी। हालांकि एक पूरी तरह से सटीक ऊंचाई गेज का विचार एक स्पष्ट सुधार लगता है, लेकिन उड़ान का भौतिक विज्ञान जटिल है, और उत्तर केवल "अधिक सटीकता equals कम ईंधन" जितना सरल नहीं है।

जर्मन एयरोस्पेस सेंटर के एक शोधकर्ता, आंद्रे कोलोशिन ने इस प्रश्न का उत्तर देने के लिए एक विस्तृत अध्ययन किया, जिसमें एयरबस A320 पर ध्यान केंद्रित किया गया, जो एक सामान्य वाणिज्यिक एयरलाइनर है। उन्होंने वास्तविक विमान नहीं उड़ाए; इसके बजाय, उन्होंने एक अत्यधिक सटीक कंप्यूटर सिमुलेशन मॉडल का उपयोग किया जिसे वास्तविक उड़ान परीक्षण डेटा के विरुद्ध सत्यापित किया गया था। इस आभासी विमान को कई कठोर परीक्षणों से गुजारा गया, जिसमें लंदन क्षेत्र के तीन प्रमुख हवाई अड्डों: हीथ्रो, स्टेनस्टेड और लुटन में 294 विभिन्न उड़ान परिदृश्यों को सिम्युलेट किया गया। लक्ष्य यह तुलना करना था कि आभासी विमान पारंपरिक दबाव-आधारित प्रणाली बनाम नई उपग्रह-आधारित ज्यामितिक प्रणाली का उपयोग करके कितना ईंधन जलाएगा। महत्वपूर्ण रूप से, अध्ययन ने दो अलग-अलग तरीकों का परीक्षण किया कि इस नई प्रणाली का उपयोग कैसे किया जा सकता है। पहले, इसने ऊंचाई मापने के उपकरण को बदलने के प्रत्यक्ष प्रभाव का परीक्षण किया जबकि वर्तमान में उपयोग किए जाने वाले उड़ान पथों को बिल्कुल वैसा ही रखा गया जैसा वे आज हैं। दूसरे, इसने अप्रत्यक्ष लाभों की खोज की: क्या होगा यदि नई, अधिक सटीक प्रणाली वायु यातायात नियंत्रकों को बेहतर, अधिक कुशल उड़ान पथों को डिजाइन करने की अनुमति देती है जो वर्तमान में असंभव हैं क्योंकि पुराना सिस्टम सुरक्षा सुनिश्चित करने के लिए बहुत अनिश्चित है?

सिमुलेशन के परिणामों ने एक सूक्ष्म तस्वीर पेश की। जब शोधकर्ताओं ने उड़ान पथों को बदले बिना केवल ऊंचाई मापने के उपकरण को बदला, तो ईंधन की खपत में अंतर बहुत कम था। कई मामलों में, ज्यामितिक ऊंचाई का सीधा लाभ इतना मामूली था कि इसे नगण्य माना जा सकता था। अध्ययन में पाया गया कि ईंधन की बचत या बर्बादी काफी हद तक उस समय की मौसम स्थितियों, विशेष रूप से वायुमंडलीय दबाव पर निर्भर करती थी। कुछ दबाव सेटिंग्स वाले दिनों में, ज्यामितिक प्रणाली थोड़ी मात्रा में ईंधन बचा सकती है; अन्य दिनों में, यह थोड़ा अधिक उपयोग कर सकती है। बदलते मौसम के साथ लंबे समय में, ये छोटी बढ़त और हानि काफी हद तक एक-दूसरे को रद्द कर देंगी। शोधकर्ताओं ने निष्कर्ष निकाला कि अकेले ज्यामितिक ऊंचाई में स्विच करने का सीधा लाभ ईंधन की बचत के लिए एक प्रमुख चालक नहीं है।

हालांकि, कहानी तब बदल जाती है जब शोधकर्ताओं ने नए सिस्टम के लिए उड़ान पथों को अनुकूलित (optimize) करने की अनुमति दी। चूंकि ज्यामितिक ऊंचाई बहुत सटीक है, यह उन व्यापक सुरक्षा मार्जिन की आवश्यकता को समाप्त कर देती है जो वर्तमान में दबाव-आधारित मापों का उपयोग करते समय आवश्यक होते हैं। सिमुलेशन में, शोधकर्ताओं ने "समाधान" उड़ान पथों को डिजाइन किया जो वर्तमान "बेसलाइन" पथों की तुलना में अधिक सघन और सीधे थे। इन नए पथों ने अनावश्यक सपाट खंडों को हटा दिया जहाँ विमान को स्तर पर आना पड़ता था और फिर से ऊपर चढ़ना पड़ता था, और उन्होंने विमान को लैंडिंग के दौरान लंबे समय तक उच्च, अधिक कुशल ऊंचाइयों पर रहने की अनुमति दी। जब इन अनुकूलित पथों को उड़ाया गया, तो ईंधन की बचत महत्वपूर्ण थी। परीक्षण किए गए लैंडिंग परिदृश्यों के लिए, अनुकूलित पथ ने प्रति उड़ान लगभग 23 किलोग्राम ईंधन बचाया, जो उस यात्रा के चरण के लिए उपयोग किए गए कुल ईंधन का लगभग 6.6 प्रतिशत था। यह बचत इसलिए नहीं थी क्योंकि उपग्रह प्रणाली स्वयं अधिक कुशल थी, बल्कि इसलिए थी क्योंकि सिस्टम की सटीकता ने एक स्मार्ट उड़ान पथ को सक्षम बनाया जो पुराने, कम सटीक सिस्टम के साथ उड़ना बहुत जोखिम भरा होता।

क्लाइंब (चढ़ाई) के परिदृश्यों ने थोड़ी अलग कहानी बताई। यहाँ, अनुकूलन से ईंधन की बचत बहुत कम थी, लगभग 2 किलोग्राम प्रति उड़ान, या उपयोग किए गए ईंधन का लगभग 0.25 प्रतिशत। शोधकर्ताओं ने पाया कि हालांकि लेवल-ऑफ (समतल होने वाले) खंडों को हटाने से ईंधन बचाने में मदद मिली, लेकिन नए सिस्टम ने विमान को बिंदुओं के बीच एक सख्ती से निश्चित चढ़ाई कोण का पालन करने की आवश्यकता थी। इस कठोर आवश्यकता ने वास्तव में विमान के प्राकृतिक प्रदर्शन के विरुद्ध काम किया। एक विमान सबसे कुशलता से तब चढ़ता है जब वह जैसे-जैसे ऊपर जाता है और हवा पतली होती जाती है, अपने कोण को समायोजित करता है, लेकिन निश्चित-कोण नियम ने उसे कुछ हिस्सों में कम कुशलता से उड़ने के लिए मजबूर किया। इस इसने चढ़ाई के लाभों को कम कर दिया, जिससे केवल एक मामूली शुद्ध लाभ ही बचा। कुछ सिम्युलेटेड मामलों में, कठोर नियमों ने वास्तव में विमान को वर्तमान प्रणाली की तुलना में अधिक ईंधन खर्च करने के लिए मजबूर किया। यह सुझाव देता है कि हालांकि ज्यामितिक ऊंचाई चढ़ाई में सुधार कर सकती है, लेकिन वास्तविक क्षमता को अनलॉक करने के लिए उन नियमों को लचीला होना चाहिए जो उन चढ़ाइयों को नियंत्रित करते हैं।

अध्ययन ने चढ़ाई और लैंडिंग चरणों के बीच एक महत्वपूर्ण अंतर को भी रेखांकित किया। लैंडिंग के दौरान, एक विमान का प्रदर्शन अपेक्षाकृत स्थिर और अनुमानित होता है, जो इसे ज्यामितिक ऊंचाई द्वारा सक्षम निश्चित-कोण पथों के लिए उपयुक्त बनाता है। हालांकि, चढ़ाई के दौरान, प्रदर्शन विमान के वजन और हवा के घनत्व के आधार पर बहुत भिन्न होता है, जिससे एक ही आकार का (one-size-fits-all) निश्चित पथ कम कुशल हो जाता है। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि उनके अध्ययन में सबसे बड़ी ईंधन बचत लैंडिंग अनुकूलन से आई, जहाँ निरंतर, सुचारू पथ का पालन करने की क्षमता ने वास्तविक अंतर पैदा किया। उन्होंने यह भी बताया कि अध्ययन में उपयोग किया गया लंदन का हवाई क्षेत्र असाधारण रूप से व्यस्त और जटिल है, जहाँ कई उड़ान पथ एक-दूसरे को काटते हैं। कम भीड़भाड़ वाले आसमान में, ऐसे सघन, अनुकूलित पथों की आवश्यकता कम गंभीर हो सकती है, और ईंधन की बचत भी कम हो सकती है।

मामूली प्रत्यक्ष ईंधन बचत के बावजूद, शोधकर्ता तर्क देते हैं कि ईंधन के अलावा अन्य कारणों से भी ज्यामितिक ऊंचाई का मामला मजबूत बना हुआ है। वर्तमान प्रणाली के लिए पायलटों को स्थानीय दबाव रिपोर्टों के आधार पर अपने उपकरणों को मैन्युअल रूप से समायोजित करने की आवश्यकता होती है, एक ऐसी प्रक्रिया जो मानवीय त्रुटि का जोखिम पैदा करती है। अतीत में ऐसी घटनाएं हुई हैं जहाँ गलत सेटिंग के कारण विमान बहुत नीचे उड़ गया, एक ऐसा खतरा जो समाप्त हो जाएगा यदि ऊंचाई को सीधे उपग्रहों द्वारा मापा जाए। इसके अलावा, वर्तमान प्रणाली में एक संक्रमण परत (ट्रांजिशन लेयर) की आवश्यकता होती है जहाँ पायलटों को स्थानीय और मानक दबाव सेटिंग्स के बीच स्विच करना पड़ता है, एक ऐसा क्षेत्र जो आकाश में कितने विमान उड़ सकते हैं, इसकी सीमा तय करता है। इस परत को हटाने से आकाश की क्षमता बढ़ सकती है। अध्ययन ने यह भी नोट किया कि हालांकि ज्यामितिक ऊंचाई सटीक है, यह उपग्रह संकेतों पर निर्भर करती है, जो हस्तक्षेप या जैमिंग के प्रति संवेदनशील हो सकते हैं, एक ऐसा जोखिम जो ऑन-बोर्ड स्वतंत्र दबाव सेंसरों में मौजूद नहीं है।

अंततः, अनुसंधान यह सुझाव देता है कि उड़ान दक्षता का भविष्य केवल ऊंचाई मापने के उपकरण में नहीं है, बल्कि इसमें है कि वह उपकरण हमें क्या करने की अनुमति देता है। दबाव से ज्यामितिक ऊंचाई में सीधा बदलाव अपने आप में बहुत कम तत्काल ईंधन लाभ देता है। वास्तविक मूल्य उड़ान प्रक्रियाओं को अधिक सुचारू, अधिक प्रत्यक्ष और सुरक्षित बनाने की क्षमता में निहित है। यदि विमानन उद्योग उपग्रह विश्वसनीयता की चुनौतियों को हल कर सकता है और लचीले उड़ान पथों को डिजाइन कर सकता है जो नई सटीकता का लाभ उठाते हैं, तो अप्रत्यक्ष लाभ पर्याप्त हो सकते हैं। फिलहाल, अध्ययन अनुशंसा करता है कि जबकि चढ़ाई की प्रक्रियाओं को ईंधन दंड से बचने के लिए सावधानीपूर्वक पुनर्विचार करने की आवश्यकता है, लैंडिंग की प्रक्रियाएं इस अनुकूलन के लिए तैयार हैं। आगे का रास्ता केवल गेज पर एक संख्या बदलने के बारे में नहीं है, बल्कि यह पुनर्कल्पना करने के बारे में है कि विमान आकाश में कैसे चलते हैं ताकि वे अपने आस-पास की हवा का सर्वोत्तम उपयोग कर सकें।