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

Per decenni, il cielo è stato navigato utilizzando un sistema che si affida all'aria stessa per dire a un pilota quanto sia alto nel suo volo. Invece di misurare la distanza dal suolo, gli aeromobili utilizzano altimetri barometrici, che percepiscono la pressione atmosferica. Man mano che un aeroplano sale, l'aria diventa più rarefatta e la pressione diminuisce; man mano che scende, la pressione aumenta. Calibrando questa pressione rispetto a un modello standard dell'atmosfera, i piloti possono determinare la loro altitudine. Questo metodo è robusto e semplice, ma non è perfetto. Poiché l'atmosfera cambia con il meteo e la posizione, la pressione a una specifica quota può variare. Per gestire ciò, i piloti regolano costantemente i loro strumenti per adattarli alla pressione locale al livello del mare, un'impostazione nota come QNH. Quando volano ad alta quota, passano a un'impostazione di pressione standard per garantire che tutti gli aeromobili nel cielo utilizzino lo stesso riferimento, creando "livelli di volo" che mantengono gli aerei in sicurezza separati. Tuttavia, questo sistema richiede una zona di transizione in cui i piloti passano dalle impostazioni locali a quelle standard, e significa che l'altezza effettiva di un aeromobile rispetto al suolo può oscillare leggermente a seconda del tempo, anche se l'strumento legge lo stesso numero.

Immaginate di cercare di camminare lungo una linea retta mentre il terreno sotto i vostri piedi si sposta continuamente su e giù; questa è la sfida del volo basato sulla pressione. Un nuovo approccio, esplorato dai ricercatori del Centro Aerospaziale Tedesco, suggerisce di sostituire questo riferimento mutevole con uno fisso: l'altitudine geometrica. Questo metodo utilizza segnali satellitari, specificamente dai sistemi globali di navigazione satellitare, per misurare la distanza esatta tra l'aeromobile e il centro della Terra, fornendo un'altezza precisa e immutabile indipendentemente dal meteo. La domanda che guida la ricerca recente è se questo passaggio renderebbe il volo più efficiente, risparmiando carburante durante le fasi critiche di salita in uscita da un aeroporto e discesa per l'atterraggio. Sebbene l'idea di un misuratore di altezza perfettamente accurato sembri un miglioramento ovvio, la fisica del volo è complessa, e la risposta non è così semplice come "più precisione equivale a meno carburante".

André Koloschin, un ricercatore del Centro Aerospaziale Tedesco, ha condotto uno studio dettagliato per rispondere a questa domanda, concentrandosi sull'Airbus A320, un comune aereo di linea commerciale. Non ha fatto volare veri aerei; ha invece utilizzato un modello di simulazione al computer altamente accurato, che era stato verificato rispetto a dati reali di test di volo. Questo aeromobile virtuale è stato sottoposto a una serie di test rigorosi, simulando 294 diversi scenari di volo. Questi scenari coprivano salite e discese in tre grandi aeroporti nell'area di Londra: Heathrow, Stansted e Luton. L'obiettivo era confrontare quanto carburante consumerebbe l'aereo virtuale utilizzando il tradizionale sistema basato sulla pressione rispetto al nuovo sistema basato sulla geometria. Fondamentalmente, lo studio ha esaminato due modi diversi in cui il nuovo sistema potrebbe essere utilizzato. In primo luogo, ha testato l'effetto diretto del semplice scambio dello strumento di misurazione dell'altitudine mantenendo esattamente le stesse rotte di oggi. In secondo luogo, ha esplorato i benefici indiretti: cosa accadrebbe se il nuovo, più preciso sistema permettesse ai controllori del traffico aereo di progettare rotte di volo migliori ed efficienti, attualmente impossibili perché il vecchio sistema è troppo impreciso per garantire la sicurezza?

I risultati della simulazione hanno rivelato un quadro sfumato. Quando i ricercatori hanno semplicemente sostituito lo strumento di misurazione dell'altitudine senza cambiare le rotte di volo, la differenza nel consumo di carburante è stata incredibilmente piccola. In molti casi, il beneficio diretto dell'uso dell'altitudine geometrica era così lieve da poter essere considerato trascurabile. Lo studio ha scoperto che l'entità del carburante risparmiato o sprecato dipendeva fortemente dalle condizioni meteorologiche al momento, specificamente dalla pressione atmosferica. Nei giorni con certe impostazioni di pressione, il sistema geometrico potrebbe risparmiare una piccola quantità di carburante; in altri, potrebbe consumarne un po' di più. Su un lungo periodo con meteo variabile, questi piccoli guadagni e perdite si annullerebbero in gran parte. I ricercatori hanno concluso che il vantaggio diretto del passaggio all'altitudine geometrica, isolatamente, non è un fattore determinante per il risparmio di carburante.

Tuttavia, la storia cambia quando i ricercatori permettono alle rotte di volo stesse di essere ottimizzate per il nuovo sistema. Poiché l'altitudine geometrica è così precisa, elimina la necessità delle ampie margini di sicurezza che sono attualmente richiesti quando si utilizzano le misurazioni basate sulla pressione. Nella simulazione, i ricercatori hanno progettato rotte di volo "soluzione" che erano più strette e dirette rispetto alle attuali rotte "baseline". Queste nuove rotte hanno rimosso segmenti piatti non necessari dove l'aereo doveva livellarsi e salire di nuovo, e hanno permesso all'aeromobile di rimanere ad altitudini più elevate ed efficienti per più tempo durante la discesa. Quando queste rotte ottimizzate sono state volate, il risparmio di carburante è stato significativo. Per gli scenari di discesa testati, la rotta ottimizzata ha risparmiato circa 23 kg di carburante per volo, il che rappresentava circa il 6,6 percento del carburante totale usato per quella fase del viaggio. Questo risparmio non è dovuto al fatto che il sistema satellitare sia più efficiente in sé, ma perché la precisione del sistema ha permesso una rotta di volo più intelligente che sarebbe troppo rischiosa da volare con il vecchio, meno preciso sistema.

Gli scenari di salita hanno raccontato una storia leggermente diversa. Qui, i risparmi di carburante derivanti dall'ottimizzazione erano molto più piccoli, circa 2 kg per volo, ovvero circa lo 0,25 percento del carburante utilizzato. I ricercatori hanno scoperto che, sebbene rimuovere i segmenti di livellamento aiutasse a risparmiare carburante, il nuovo sistema richiedeva che l'aeromobile seguisse un angolo di salita strettamente fisso tra i punti. Questo requisito rigido ha effettivamente lavorato contro le prestazioni naturali dell'aereo. Un aeromobile sale in modo più efficiente regolando la propria angolazione man mano che sale più in alto e l'aria diventa più rarefatta, ma la regola dell'angolo fisso ha costretto l'aereo a volare in modo meno efficiente in alcune parti della salita. Ciò ha contrastato i benefici del percorso più fluido, lasciando solo un piccolo guadagno netto. In alcuni casi simulati, le regole rigide hanno persino causato un consumo di carburante maggiore rispetto al sistema attuale. Ciò suggerisce che, sebbene l'altitudine geometrica possa migliorare le salite, le regole che le governano dovrebbero essere flessibili per sblocare veramente il potenziale.

Lo studio ha anche evidenziato una distinzione critica tra le fasi di salita e discesa. Durante una discesa, le prestazioni di un aeromobile sono relativamente stabili e prevedibili, rendendolo adatto a rotte a angolo fisso abilitate dall'altitudine geometrica. Durante una salita, invece, le prestazioni variano molto a seconda del peso dell'aeromobile e della densità dell'aria, rendendo un percorso a angolo fisso "taglia unica" meno efficiente. I ricercatori hanno osservato che i maggiori risparmi di carburante nel loro studio sono derivati dall'ottimizzazione della discesa, dove la capacità di seguire un percorso continuo e fluido senza fermarsi per livellarsi ha fatto la differenza reale. Hanno inoltre sottolineato che lo spazio aereo di Londra utilizzato nello studio è eccezionalmente trafficato e complesso, con molti percorsi di volo che si incrociano. In cieli meno affollati, la necessità di tali rotte strette e ottimizzate potrebbe essere meno urgente, e i risparmi di carburante potrebbero essere minori.

Nonostante i modesti risparmi diretti di carburante, i ricercatori sostengono che il caso a favore dell'altitudine geometrica rimanga forte per ragioni che vanno oltre il solo carburante. L'attuale sistema richiede che i piloti regolino manualmente i loro strumenti in base ai rapporti di pressione locale, un processo che introduce il rischio di errore umano. Ci sono stati incidenti passati in cui un'impostazione errata ha portato un aeromobile a volare troppo basso, un pericolo che verrebbe eliminato se l'altitudine fosse misurata direttamente dai satelliti. Inoltre, il sistema attuale richiede uno strato di transizione in cui i piloti passano dalle impostazioni di pressione locale a quelle standard, una zona che limita quanti aerei possono volare in una determinata area. Rimuovere questo strato potrebbe aumentare la capacità del cielo. Lo studio ha anche notato che, sebbene l'altitudine geometrica sia precisa, essa si affida ai segnali satellitari, che possono essere vulnerabili a interferenze o jamming, un rischio che non esiste con i sensori di pressione indipendenti a bordo.

In definitiva, la ricerca suggerisce che il futuro dell'efficienza del volo potrebbe non risiedere nello strumento di misurazione dell'altitudine in sé, ma in ciò che tale strumento ci permette di fare. Il semplice passaggio dalla pressione all'altitudine geometrica offre poco beneficio immediato in termini di carburante. Il vero valore risiede nella capacità di riprogettare le procedure di volo per renderle più fluide, più dirette e più sicure. Se l'industria dell'aviazione può risolvere le sfide dell'affidabilità satellitare e progettare rotte di volo flessibili che sfruttino la nuova precisione, i benefici indiretti potrebbero essere sostanziali. Per ora, lo studio raccomanda che, mentre le procedure di salita devono essere ripensate con cura per evitare penalità di carburante, le procedure di discesa sono pronte per questa ottimizzazione. La strada da seguire non è solo quella di cambiare un numero su un indicatore, ma di immaginare nuovamente come gli aeromobili si muovano attraverso il cielo per sfruttare al meglio l'aria che li circonda.