Perché i piloti a volte eseguono una salita a gradini invece di andare direttamente all'altitudine di crociera?

Se hai familiarità con il consueto profilo di volo di un aereo di linea, probabilmente avrai sentito la frase "salita a gradini". Se ti sei mai chiesto cosa significhi esattamente questo termine, allora questo articolo fa per te. Nel più ampio dei casi, una salita a gradini è un progressivo aumento di altitudine in cui i piloti salgono e si livellano in punti diversi prima di raggiungere l'altitudine di crociera finale.

Il numero di altitudini provvisorie e l'altezza alla quale vengono impostate dipendono da un paio di variabili di base: altitudine di crociera finale, condizioni meteorologiche, traffico e, infine, carico di carburante. Lo scopo principale della salita a gradini è risparmiare carburante perché decollare e bruciare intensamente direttamente all'altitudine desiderata tra 30.000 e 40.000 piedi spreca molto gas.

I voli a medio e lungo raggio e quelli a reazione utilizzano in genere alcune variazioni della salita a gradini perché decollano pesantemente con un carico di carburante pesante alla partenza. Trascorrere un po' di tempo in crociera più in basso è più efficiente finché il peso non si brucia (letteralmente) e quindi arrampicarsi è un'opzione migliore per motivi di efficienza. L'eccezione è sulle tratte corte quando non c'è molto tempo o motivo per salire a un'altitudine maggiore tra il decollo e l'atterraggio.

Un cielo affollato

La domanda naturale che sorge dopo aver appreso della salita a gradini è: perché i jet non volano semplicemente con una salita lenta fino in fondo invece di stabilizzarsi? La risposta è il traffico. La necessità di monitorare e tracciare l'altitudine di ogni velivolo per mettere fuori conflitto gli aerei significa che in molti casi non sarà sicuro eseguire una "semplice salita in crociera". L’era moderna dei viaggi aerei ha congestionato lo spazio aereo praticamente attorno a ogni area popolata, e anche i corridoi aerei transoceanici e transcontinentali sono occupati.

La sempre maggiore attenzione al consumo efficiente di carburante e la spinta a mantenere gli aerei in volo producendo entrate significa che ogni compagnia aerea sta cercando di utilizzare le stesse rotte di volo ottimali. La sovrapposizione di piani di volo da e verso hub trafficati in tutto il mondo rende un lavoro frenetico per i controllori del traffico aereo garantire che tutti si muovano nel modo più fluido possibile, con la sicurezza che è la loro massima priorità.

Le trafficate vie aeree fanno sì che il modo più sicuro e semplice per i jet di eseguire un profilo di salita efficiente sia quello di confermare una serie di diversi cambiamenti di altitudine con il controllo del traffico aereo durante il percorso fino all'altezza di crociera. Esistono alcune eccezioni se il percorso non ha altro traffico lungo il percorso. Un esempio interessante èil Concorde, che ha sempre effettuato una semplice salita in crociera perché volava così in alto (18.000 metri o 60.000 piedi), non c'era bisogno di decontestualizzare, secondo Heritage Concorde.

Solo movimenti veloci

La teoria su come una salita a gradini fa risparmiare carburante è realmente applicabile solo ai jet veloci e ad alta quota dotati di motori turbofan. Il profilo prestazionale dell'elica e del turboelica e la limitazione del limite di servizio generalmente eliminano qualsiasi risultato utile da un profilo di salita a gradini. Il motivo è duplice: autonomia ed efficienza.

Gli aerei a elica perdono efficienza in aria più rarefatta poiché l'elica non è l'ideale a quote così elevate. Ciò significa che un'altitudine di crociera superiore a 10.000 piedi può essere buona per alcuni modelli ad alte prestazioni, ma in generale non è desiderabile per molti piccoli aerei dell'aviazione generale (GA) o anche per il volo commerciale leggero o il trasporto di merci. I turboelica possono andare più in alto, ma anche raggiungere un limite di efficienza ben prima della distanza in cui spesso volano gli aerei di linea.

GA, piloti di bush, aerei commerciali leggeri e qualsiasi altra cosa che vola con la potenza dell'elica tendono ad avere una portata più breve anche di un jet regionale. Alcuni modelli rari possono essere anomali, ma poiché questi aerei non volano tanto quanto un aereo di linea, la motivazione a utilizzare un profilo di salita a gradini è ulteriormente ridotta. Poiché gli aerei a elica non salgono così in alto, anche sui voli a lunga distanza, le salite a gradino sono generalmente riservate agli aerei a reazione.

Arrampicata assistita da computer

Nel 2025, la capacità dei sistemi di gestione del volo (FMS) sarà migliore che mai. Le opzioni perautopilotahanno raggiunto un livello in cui possono virtualmente volare l’intero piano di volo con un intervento minimo da parte dei piloti, come sottolinea Honeywell. Gli algoritmi gestiti da questa avionica incredibilmente potente possono trovare il percorso più ideale verso la cima della salita (TOC) dalla partenza, risparmiando il carburante il più possibile.

Questa tecnologia è stata continuamente sviluppata negli ultimi decenni per raggiungere l’attuale livello di maturità che ha oggi. L'FMS può calcolare una salita continua o una salita a gradini, a seconda dei desideri dell'equipaggio di volo. Semplicemente modificando le impostazioni sul computer di volo, i piloti possono programmare il percorso perfetto per raggiungere l'altitudine di crociera e l'autopilota seguirà esattamente quel piano.

Grazie alla sua affidabilità estremamente elevata, l'FMS fa risparmiare denaro alla compagnia aerea volando le rotte nel modo più accurato possibile. Ciò ha motivato i vettori a incoraggiare i piloti a monitorare e correggere l’FMS per la maggior parte del volo, invece di volare direttamente se non necessario. La continua spinta a ridurre i costi operativi fa sì che il pilota automatico sia quasi sempre quello che comanda quando l’aereo sale in quota.

Il caso contro le salite sui gradini

L'obiettivo finale della salita in quota per qualsiasi servizio a pagamento, passeggeri o merci, è ottenere il profilo di volo più efficiente che richieda la minor quantità di gas possibile. Considerazioni del mondo reale come traffico, condizioni meteorologiche, tempistiche e altro possono interferire, ma questo è il principio di base. Tecnicamente, una semplice e continua salita in crociera sarebbe la migliore in termini assoluti. La differenza è generalmente sufficientemente trascurabile da non giustificare un cambiamento nel modo in cui viene gestito il traffico aereo.

La ricerca, tuttavia, ha ribadito che un profilo di volo perfetto dovrebbe seguire una salita continua, piuttosto che una salita a gradini. Ciò comporterebbe piccoli miglioramenti percentuali nel risparmio di carburante ma anche nelle emissioni. Uno di questi casi è quello del 2014studio di ricercada Ramon Dalmau-Codina e Xavier Prats dell'Università Tecnica della Catalogna, dove hanno utilizzato come modello.

La conclusione della ricerca ha dimostrato che una salita continua al TOC è più efficiente fino al 10% su distanze più lunghe. Sugli itinerari brevi la differenza diventa meno evidente. L’introduzione di narrowbody a lungo raggio come mai prima d’ora, come i jet A321XLR e 737 MAX, significa che anche gli aerei di linea più piccoli cercheranno ogni modo per ottimizzare le operazioni.

La salita a gradini è inefficiente?

L'Organizzazione internazionale dell'aviazione civile (ICAO) raccomanda le operazioni di salita continua (CCO) per ottenere un risparmio di carburante, ma le operazioni nel mondo reale non sempre lo consentono. Inoltre, gli studi hanno affermato che la riduzione dei livelli di spinta vicino al TOC ha un notevole miglioramento anche sull’efficienza del carburante. Uno studio condotto da Ryota Mori dell'Università di Kobe, in collaborazione con Eurocontrol, ha rilevato che la modifica del livello di potenza dell'FMS alla massima spinta di crociera (MCR) appena prima di raggiungere il TOC ha consentito di risparmiare circa 100 libbre di carburante.

Mori ha condotto più simulazioni con diverse variabili, come vento contrario o assenza di vento, prima di osservare la tecnica in un volo dal vivo. I piloti che hanno condotto il test hanno datoosservazioni positive, dicendo:

"La salita dell'MCR è unica e semplice. Se è possibile ottenere un risparmio di carburante sufficiente attraverso la salita dell'MCR, sono disposto ad adottare questo approccio. La regolazione delle impostazioni della spinta di crociera viene eseguita all'interno della CDU, senza alcun aumento percepibile del carico di lavoro. Con la spinta massima ridotta, il pilota monitora la velocità verticale più frequentemente, il che presenta una preoccupazione minore"

Le configurazioni FMS spesso calcolano automaticamente i profili di salita dei gradini come opzioni predefinite, così come i software di navigazione e pianificazione del pilota come Foreflight. La continua prevalenza della salita a gradino per necessità significa che rimane una scelta comune su molti piani di volo. Tuttavia, anche una salita continua è popolare quando l'opportunità lo consente.

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Arrampicata rilassata in crociera

L'idea di operazioni di "crociera rilassata" è attualmente allo studio come via di mezzo tra la salita a gradini convenzionale e la salita in crociera semplice e continua. Per una salita a gradini è sempre necessaria l'autorizzazione ATC e la posizione precisa lungo il percorso dipende da diversi fattori, tra cui le dimensioni dell'aeromobile, le condizioni meteorologiche e la distanza tra due livelli di volo successivi.

L’assistenza FMS ha reso possibile volare in modo più preciso di quanto qualsiasi essere umano possa ottenere, e i sensori di sicurezza mantengono automaticamente gli aerei fuori conflitto. Nel 1982, l’Organizzazione per l’aviazione civile internazionale (ICAO) lanciò il programma Reduced Vertical Separation Minima (RVSM) con l’obiettivo di raddoppiare effettivamente la capacità dello spazio aereo. Ciò è stato ottenuto tagliando la VSM da 2.000 piedi a 1.000 piedi, rendendo la RVSM accettabile fino a 41.000 piedi.

Nel 2017, Ramon Dalmau-Codine e Xavier Meadows hanno pubblicatoun'analisiin Scienze e tecnologie aerospaziali su come salite meno profonde tra le altitudini di separazione ridurrebbero il consumo di carburante e le emissioni. La loro conclusione propone che con i programmi SESAR e NextGen di gestione del traffico aereo (ATM), la scalata rilassata potrebbe essere introdotta in modo sicuro per migliorare sia l’efficienza che le emissioni dei viaggi aerei in tutto il mondo.