Qual è il livello di rischio operativo per i voli BVLOS? Un'analisi dei concetti di mitigazione e della determinazione dei livelli di sicurezza

L’operatività dei Sistemi Aeromobili a Pilotaggio Remoto (UAS) non è strettamente legata alla piattaforma stessa, ma dipende in gran parte dalle capacità dell'operatore e del team remoto. Pertanto, si può affermare che un operatore altamente qualificato dovrebbe essere in grado di applicare un ERP (Emergency Response Plan) con un alto livello di integrità, riducendo il Ground Risk Class (GRC) a 0 o −1. Per quanto riguarda il concetto operativo sviluppato in ALAADy, durante un'operazione BVLOS (Beyond Visual Line of Sight) in ambienti scarsamente popolati e con tutte le possibili mitigazioni applicate, il GRC può essere ridotto di due livelli al massimo. Il GRC finale, con tutte le mitigazioni, si attesta quindi su un valore di 4. Nello scenario di BVLOS in ambiente urbano, la riduzione di due punti porta a un GRC finale di 8, che è ancora oltre la categoria specifica. Di conseguenza, le operazioni sviluppate in ALAADy possono essere condotte solo su ambienti scarsamente popolati, non essendo possibile estendere questo concetto a contesti urbani senza una certificazione specifica dell'operatore e del UAS.

Passando alla determinazione del rischio aereo (ARC), la classe di rischio aereo dipende principalmente dalla densità del traffico aereo, misurata tramite la frequenza degli incontri con altre aeronavi nello spazio aereo. L'ARC si suddivide in quattro categorie, da ARC-a (per ambienti aerei atipici, senza traffico aereo) fino ad ARC-d (per spazi aerei ad alta densità, come quelli aeroportuali o spazi aerei controllati di classe C o D). Per il concetto di volo a bassa quota sviluppato in ALAADy, che si svolge a circa 150 metri sopra il livello del suolo (AGL), le possibili classi ARC sono rappresentate in una tabella specifica. Il concetto di operazione prevede il decollo e l'atterraggio in piccoli aeroporti o campi agricoli, operando in spazi aerei non controllati sopra aree rurali. A seconda dello scenario specifico, l'ARC iniziale può essere b, c o d.

Come nel caso del GRC, il processo di determinazione dell'ARC può essere modificato tramite mitigazioni strategiche, che distinguono tra restrizioni operative e mitigazioni attraverso la gestione del traffico aereo. Le mitigazioni strategiche, simili a quelle utilizzate per il GRC, permettono di ridurre il rischio di collisione con il traffico aereo. Esse comprendono la gestione dei volumi di spazio aereo e l'utilizzo di determinati periodi operativi, come ad esempio il volo notturno, in cui la densità del traffico aereo è inferiore.

In futuro, l'uso dei servizi di UTM/U-space dovrebbe facilitare il raggiungimento di questi obiettivi di mitigazione. Le mitigazioni strategiche possono ridurre l’ARC residuo, ma non oltre la classe ARC-b. Per raggiungere un ARC-a, l'operatore dovrà dimostrare che lo spazio aereo dell'operazione proposta soddisfa i requisiti dello spazio aereo atipico/segregato, che saranno definiti in un futuro allegato alle linee guida SORA (Specific Operational Risk Assessment).

Oltre alle mitigazioni strategiche, è possibile applicare mitigazioni tattiche per colmare il divario tra l'ARC residuo e l’obiettivo di sicurezza complessiva dello spazio aereo. Le mitigazioni tattiche si concentrano su diverse funzioni del controllo del UAS, come il rilevamento, la decisione, il comando, l'esecuzione e il feedback continuo. L’obiettivo di queste mitigazioni è ridurre al minimo il rischio di collisione con il traffico aereo manned.

Un aspetto fondamentale del processo SORA è la determinazione del Specific Assurance and Integrity Level (SAIL), che dipende sia dal GRC che dall'ARC. Il valore del SAIL è determinato dal punteggio più alto tra i due, come descritto nella Tabella 5. In base all'analisi delle sezioni precedenti, un SAIL III o IV, derivante da un GRC di 4 e un ARC-b o ARC-c, è l'esito più probabile per il concetto operativo sviluppato in ALAADy. Tuttavia, a seconda delle mitigazioni e delle circostanze specifiche dell'operazione, un SAIL fino a VI è possibile. Il SAIL è strettamente collegato agli Obiettivi di Sicurezza Operativa (OSO), che saranno ulteriormente discussi.

Infine, oltre agli OSO, l'operatore deve rispettare i requisiti di contenimento per ridurre i rischi per le persone nelle aree e negli spazi aerei adiacenti all'area operativa in caso di perdita di controllo dell'operazione. Tali requisiti di contenimento richiedono che nessun guasto del UAS o dei sistemi esterni possa causare il superamento dell'area operativa. Per quanto riguarda gli spazi adiacenti che potrebbero includere assembramenti di persone, un riscontro positivo in base all'analisi ARC-d prevede una probabilità di superamento dell'area operativa inferiore a 10−4 per ora di volo, con misure di ridondanza e separazione specifiche progettate per proteggere l'ambiente circostante.

Quali sono i vantaggi progettuali e operativi del girocottero rispetto all’elicottero?

L’analisi comparativa tra girocottero ed elicottero mette in evidenza differenze sostanziali legate alle caratteristiche aerodinamiche e meccaniche che influenzano le prestazioni e l’efficienza operativa dei due tipi di velivolo. Nel caso del girocottero, l’allungamento del raggio del rotore da 5 a 7 metri riduce significativamente il carico alare del disco, abbassando così la resistenza aerodinamica complessiva. La riduzione della solidità del rotore a 0,03 e l’angolo di passo delle pale impostato a 1,5° contribuiscono a diminuire ulteriormente la resistenza, poiché la minore inclinazione del rotore riduce il drag indotto. Questi parametri consentono al girocottero di richiedere meno potenza a velocità superiori a 125 km/h rispetto all’elicottero di riferimento, il quale invece risente delle limitazioni dovute alla compressibilità delle punte delle pale a velocità elevate, costringendo a una riduzione del numero di giri del rotore per evitare fenomeni aerodinamici critici. Tale riduzione comporta un aumento delle sollecitazioni sull’albero del rotore e la necessità di ingranaggi più robusti, oltre a un rotore di coda più grande, incrementando così peso e complessità del sistema e riducendo le prestazioni complessive.

Il girocottero beneficia inoltre di una complessità tecnica inferiore rispetto all’elicottero. La mancanza di componenti quali il rotore di coda, ingranaggi sofisticati e controlli di volo complessi comporta un abbattimento dei costi di produzione e manutenzione, rendendolo particolarmente adatto per operazioni in aree con infrastrutture limitate o assenti. Questa semplicità si traduce anche in una maggiore affidabilità operativa, aspetto cruciale in contesti dove la manutenzione regolare non è garantita.

Un ulteriore vantaggio decisivo del girocottero è la capacità di mantenere il volo in autorotazione costante. Questa caratteristica implica che, in caso di emergenza, il velivolo può atterrare in sicurezza senza necessità di complesse manovre di transizione, come richiesto dagli elicotteri, che devono passare da una condizione di rotore motorizzato a una di autorotazione entro tempi molto ristretti. Nel girocottero, la rotazione del rotore è sempre autonoma, rendendo il sistema di terminazione del volo passivo e più affidabile, con un impatto positivo sulla sicurezza generale del volo.

L’integrazione di piccole ali supplementari nel girocottero estende ulteriormente le sue capacità di crociera, migliorandone l’efficienza aerodinamica e consentendo prestazioni competitive con quelle degli elicotteri convenzionali, pur mantenendo il vantaggio in termini di semplicità e sicurezza. Questa configurazione ibrida sfrutta le potenzialità del volo a rotore combinandole con i benefici offerti dal volo alare, in un compromesso che può soddisfare le esigenze specifiche del progetto ALAADy, caratterizzato da requisiti di carico, autonomia e distanze di decollo e atterraggio ben definiti.

Nella scelta tra le configurazioni di velivolo per ALAADy, oltre al girocottero con rotore allargato e ali supplementari, sono stati selezionati anche due tipi di aeromobili elettrici con configurazioni alari diverse: un twin boom con apertura alare di 16 m e un box wing con apertura alare di 12 m. Entrambi presentano vantaggi relativi all’efficienza aerodinamica e alla compattezza, facilitando le operazioni di terra e l’immagazzinamento.

Al di là delle specifiche scelte progettuali, è fondamentale comprendere che il successo di un velivolo in un contesto operativo come quello di ALAADy non deriva esclusivamente dalle prestazioni di volo, ma anche dalla sinergia tra efficienza, sicurezza, semplicità manutentiva e adattabilità a condizioni operative difficili. La capacità del girocottero di operare costantemente in autorotazione, la riduzione del carico meccanico e la facilità di manutenzione sono elementi chiave che ne fanno una scelta privilegiata per scenari dove l’affidabilità e la gestione dei rischi assumono un’importanza primaria.

Inoltre, la progettazione di tali velivoli deve considerare l’interazione tra i diversi sistemi, dalla propulsione all’aerodinamica, passando per le soluzioni di controllo e sicurezza, per garantire che le prestazioni teoriche si traducano effettivamente in vantaggi operativi reali. Non bisogna trascurare che le simulazioni e gli studi preliminari, pur fornendo indicazioni preziose, devono essere integrate con test sperimentali e valutazioni sul campo per verificare la coerenza tra modelli teorici e comportamento reale.

Come viene realizzata l'analisi strutturale e l'ottimizzazione per il design di droni cargo senza pilota?

Nel contesto della progettazione strutturale di velivoli senza pilota, l'analisi della struttura gioca un ruolo fondamentale nel garantire che il design rispetti i requisiti di carico e di sicurezza. Partendo dall'analisi dei carichi dinamici fino all'ottimizzazione della configurazione strutturale, ogni fase del processo implica l'uso di sofisticati algoritmi matematici e software avanzati come MSC Nastran.

L'analisi strutturale inizia con la definizione di una matrice di massa strutturale (Maa) e una matrice (Qax) che fornisce le forze ai punti di griglia strutturali a causa della deflessione di punti aerodinamici extra, come nel caso degli alettoni. Pa rappresenta il vettore dei carichi applicati, mentre q è la pressione dinamica. In una tipica analisi di trim, alcuni parametri sono definiti come variabili conosciute e sconosciute, a seconda del tipo di carico che viene applicato al velivolo.

Ad esempio, nel caso di carichi dovuti a turbolenza (gust load), l'angolo di attacco e l'accelerazione in beccheggio sono variabili sconosciute, mentre il fattore di carico, il numero di Mach, la deflessione dell'elevatore e la velocità angolare di beccheggio sono noti. Nella progettazione di carichi di manovra, la deflessione dell'elevatore è anch'essa sconosciuta, mentre l'accelerazione in beccheggio è un parametro noto. Durante l'analisi statica aeroelastica per i carichi di manovra, le superfici di controllo sono fissate alla loro posizione neutra, tranne per le superfici dell'elevatore, che rimangono mobili.

Il passo successivo consiste nel calcolare le forze e i momenti che agiscono sui nodi degli elementi finiti, che derivano dalle forze aerodinamiche e dalle forze di inerzia. La fase iniziale di iterazione considera la struttura come rigida, mentre una seconda iterazione prende in considerazione la flessibilità strutturale. Un numero significativo di casi di carico viene esaminato per configurazioni di ali gemelle, ali a scatola e velivoli tipo giroplano.

Nel caso dei carichi relativi al paracadute e al carico d'atterraggio, vengono considerati i carichi aerodinamici generati durante la fase di apertura del paracadute, in particolare nel contesto di atterraggi di emergenza. Secondo le normative di sicurezza per il minimo impatto energetico di atterraggio (Nikodem et al., 2021), il carico di paracadute deve essere incluso nell'analisi per le configurazioni di velivoli con ala a doppio strallo e ali a scatola. Inoltre, nel design concettuale dell'aereo, si assume che l'85% del carico di atterraggio venga applicato sulle principali ruote di atterraggio e il 15% sulla ruota di coda o di muso, con alcune differenze nei velivoli come il giroplano.

Un aspetto cruciale nella progettazione strutturale di droni cargo senza pilota è l'ottimizzazione strutturale, che implica l'uso di algoritmi matematici per ottimizzare la disposizione e le dimensioni dei vari componenti della struttura. In questo caso, l'ottimizzazione si concentra sulla riduzione della massa della struttura, mantenendo al contempo la resistenza ai carichi e la sicurezza del velivolo. Un modello matematico ben definito viene utilizzato per minimizzare la funzione obiettivo, che è la massa della struttura, soggetta a vincoli specifici, come la resistenza alla deformazione e al collasso (buckling).

L'ottimizzazione strutturale viene realizzata tramite l'uso di solutori avanzati come MSC Nastran, applicando algoritmi di ottimizzazione basati sul gradiente. In particolare, durante il processo di ottimizzazione, le variabili di design, come la spessore delle superfici, le dimensioni delle costole e dei rinforzi, sono regolate iterativamente per rispettare i vincoli di carico e sicurezza. Questo approccio iterativo consente di ottenere una progettazione strutturale che non solo soddisfi le esigenze funzionali del velivolo, ma anche quelle economiche, riducendo al minimo i costi di produzione senza compromettere la robustezza e la sicurezza.

Nel contesto delle strutture di ali, i principali parametri di progettazione includono la spessore delle superfici della pelle dell'ala, le cui dimensioni sono determinate in base ai carichi di sollecitazione e alle sollecitazioni di buckling. Durante l'analisi, vengono considerate sia le sollecitazioni da compressione che da taglio, con particolare attenzione alla sicurezza strutturale per evitare cedimenti prematuri. L'analisi di buckling è particolarmente importante, poiché determina il limite massimo di carico che una superficie può sopportare prima di cedere. Questo viene calcolato utilizzando una formula analitica che considera la geometria della struttura e le proprietà del materiale.

Il processo di ottimizzazione strutturale prosegue attraverso iterazioni, ricalcolando i carichi e le forze a ogni fase per garantire che la struttura soddisfi i requisiti di sicurezza e prestazioni. Solo dopo aver ottimizzato singolarmente i principali componenti, un nuovo ciclo di dimensionamento globale viene avviato per verificare che tutti i componenti siano armonizzati e funzionino correttamente insieme.

Durante la progettazione di droni cargo senza pilota, è fondamentale comprendere l'interazione tra la struttura e le forze aerodinamiche. L'accurata stima dei carichi aerodinamici, delle forze di inerzia e del comportamento sotto carichi di manovra e turbolenza è cruciale per garantire la stabilità e l'affidabilità del velivolo. In aggiunta all'analisi strutturale, anche la distribuzione dei carichi a terra, come quelli derivanti da un atterraggio di emergenza con paracadute, gioca un ruolo importante nel design finale.

Qual è il grado di automazione più adatto per la gestione del carico aereo senza infrastrutture a destinazione?

Nel contesto della gestione del carico aereo, la scelta del grado di automazione riveste un ruolo cruciale. I costi del personale rappresentano una componente significativa, specialmente se paragonati ai costi di acquisizione degli impianti e dei sistemi, che risultano generalmente contenuti. Un vantaggio evidente della gestione semi-automatica è la flessibilità nell’impiego del personale, che può intervenire tempestivamente in caso di imprevisti, a differenza di un processo completamente automatizzato che rischierebbe l’arresto dell’intera catena in caso di guasti ai sistemi.

L’approccio semi-automatico costituisce un compromesso efficace, sostituendo con operazioni manuali le fasi più costose di un processo completamente automatico. Tuttavia, in tutti i gradi di automazione, non si può trascurare la necessità di personale addetto alla manutenzione, indispensabile anche per i sistemi più avanzati. L’entità e il tipo di formazione del personale dipendono dall’infrastruttura disponibile e dalla complessità delle operazioni di manutenzione richieste.

Un sistema completamente automatizzato si rivela più conveniente solo in condizioni di utilizzo continuo e uniforme, mentre in presenza di sottoprocessi complessi o critici, l’intervento manuale si dimostra preferibile per garantire la continuità e l’efficienza del processo complessivo. Per assicurare la qualità delle operazioni di scarico, la presenza di personale in loco è fondamentale; ciò rende la soluzione semi-automatica particolarmente adatta a molteplici scenari.

L’integrazione di un Unmanned Cargo Aircraft (UCA) nella catena logistica del trasporto aereo può semplificare notevolmente il processo, riducendo il numero di attori coinvolti e le fasi operative. I vantaggi principali includono la rapidità e la flessibilità nelle consegne urgenti, indipendentemente dalla presenza di reti stradali o ferroviarie. Questo è particolarmente utile in contesti come la logistica umanitaria, il trasporto tra siti produttivi e di assemblaggio, la logistica dei pezzi di ricambio e la fornitura in aree difficilmente accessibili.

Quando si opera in assenza di infrastrutture a terra, le tecniche di scarico devono essere adattate per garantire autonomia massima. Tra le soluzioni possibili vi sono: il lancio aereo del carico, il metodo “click-out-and-go” (rilascio in volo senza atterraggio), l’utilizzo di attrezzature di carico scarico disponibili sul posto, o l’impiego di veicoli autonomi per lo scarico e la consegna.

Il lancio aereo (air cargo drop) rappresenta una tecnica consolidata in ambito militare e umanitario, utilizzando paracadute per la consegna di merci in zone prive di infrastrutture o con condizioni di sicurezza precarie. Tuttavia, la complessità e i costi di preparazione, insieme all’impossibilità di garantire la ricezione precisa del carico, limitano la sua applicabilità come metodo standard nella catena logistica commerciale. Diverse varianti, come il Low-Velocity Airdrop o il sistema LAPES (Low Altitude Parachute Extraction System), offrono soluzioni specifiche ma richiedono configurazioni e procedure dedicate.

Il metodo “click-out-and-go” è una forma evoluta di rilascio del carico in volo, praticata soprattutto con multicotteri o droni, che agganciano il carico all’esterno dell’aeromobile e lo rilasciano con un meccanismo controllato direttamente sopra la zona di destinazione, evitando la necessità di atterraggio. Questo approccio, in rapida espansione nel settore delle consegne, offre notevoli vantaggi di rapidità e indipendenza dall’infrastruttura a terra.

Per una comprensione completa, è fondamentale considerare che la scelta tra i diversi gradi di automazione e le tecniche di scarico deve sempre essere contestualizzata rispetto ai vincoli specifici del luogo di destinazione, alla complessità delle operazioni, e alla natura della merce trasportata. Oltre all’aspetto tecnologico, è necessario valutare l’impatto organizzativo e logistico, inclusa la formazione del personale, la disponibilità di infrastrutture temporanee o mobili, e la possibilità di operare in condizioni di isolamento o emergenza. Solo una valutazione approfondita di tutti questi fattori consente di identificare la soluzione ottimale per garantire efficienza, sicurezza e continuità nella gestione del carico aereo.

Qual è l’affidabilità e quali sono le vulnerabilità dei sensori cooperativi per i velivoli senza pilota nello spazio aereo VLL?

La tecnologia ADS‑B integra nelle risposte SSR l’informazione trasmessa dagli aeromobili e dalle stazioni di terra; la funzione può essere implementata nei transponder Mode S esistenti e si declina principalmente in due varianti: 1090ES e UAT. A livello regolatorio, dal 2010 sono state introdotte disposizioni che rendono obbligatorio l’impiego di ADS‑B Out in parti del traffico aereo civile; nella normativa dell’Unione Europea (Regolamento di esecuzione n. 1207/2011) è espressamente previsto l’equipaggiamento con 1090ES per gli aeromobili oltre 5 700 kg di massa massima o con velocità di crociera superiore a 250 nodi. Per i piccoli aeromobili e i sistemi UA la ricerca degli ultimi anni si è concentrata proprio su UAT e su implementazioni a basso peso e potenza: lavori sperimentali e simulativi hanno evidenziato che la potenza di trasmissione UAT dev’essere adattata alla densità del traffico per preservare le prestazioni, che algoritmi DAA integrati possono migliorare l’affidabilità in scenari misti, e che implementazioni leggere di UAT sono tecnicamente fattibili. Parimenti numerosi studi mettono però in luce limiti intrinseci alla capacità dei canali attuali: congestione sul canale 1090 MHz in scenari ad alta densità comporta perdita massiva di messaggi e quindi degradazione della capacità di rilevamento dei conflitti; il canale a 978 MHz presenta condizioni meno gravose ma l’utilizzo è circoscritto a determinati contesti nazionali. Ne consegue che la diffusione massiccia di UA sull’infrastruttura ADS‑B esistente non è raccomandabile senza adeguati studi d’impatto e misure di protezione per il traffico con equipaggio.

FLARM, concepito per i requisiti della VLL e largamente adottato in velivoli leggeri e alianti, rappresenta un paradigma diverso: non è un sistema ADS‑B ma un sensore cooperativo approvato da EASA per l’installazione su aeromobili certificati. Il protocollo è proprietario, le bande radiouso sono SRD/ISM e spesso variabili per normativa nazionale; la portata tipica è nettamente