L’Instantaneous Self-Assessment (ISA) rappresenta uno dei metodi soggettivi più consolidati per valutare in tempo reale il carico di lavoro mentale degli operatori, in particolare dei controllori del traffico aereo. Originariamente sviluppato per misurare il carico di lavoro degli ATCO, si basa su una scala di valutazione in cinque livelli, dal lavoro sottoutilizzato (livello 1) fino al sovraccarico estremo (livello 5), con una progressiva riduzione della capacità libera e un aumento della pressione operativa. Questo strumento consente una stima retrospettiva da parte del controllore stesso, offrendo una chiave per comprendere in che misura la presenza di nuovi elementi, come i droni cargo, influenzi la percezione del carico di lavoro.

L’analisi delle registrazioni radiofoniche durante le simulazioni svolge un ruolo complementare nell’indagine: la frequenza e la durata delle comunicazioni radio fungono da indicatori indiretti della quantità di lavoro. I controllori, infatti, modulano il tipo di istruzioni in base alla complessità operativa; pochi comandi lunghi indicano un controllo diretto, mentre un maggior numero di brevi comunicazioni riflette una suddivisione delle operazioni in compiti più piccoli. L’introduzione di un drone cargo come l’ALAADy, con o senza pilota remoto di servizio, viene quindi valutata anche attraverso la variazione nell’allocazione delle frequenze radio, come indice della pressione sul sistema di comunicazione e, indirettamente, sul carico di lavoro del controllore.

Un parametro cruciale considerato è la separazione tra aeromobili durante l’approccio finale: per garantire la sicurezza, l’ICAO prescrive una distanza laterale minima di 3 NM e una separazione verticale di 1000 piedi per aeromobili di categoria media in configurazione di sorvolo. Le simulazioni mostrano come l’integrazione del drone cargo influisca negativamente sulla capacità complessiva del sistema, generando ampie separazioni preventive che riducono il numero di movimenti gestibili sulla pista. Questa estensione delle distanze di sicurezza obbliga a percorsi più lunghi per gli aeromobili che seguono, con possibili ritardi e inefficienze.

La natura stessa del drone cargo, caratterizzata da velocità e traiettorie di volo significativamente diverse rispetto agli aerei commerciali, impone sfide aggiuntive ai controllori. Sebbene i questionari di autovalutazione non evidenzino un aumento significativo del carico di lavoro percepito, l’insolito comportamento del drone viene riconosciuto come un fattore di potenziale difficoltà. Sistemi di supporto, come il “ghosting”, che mostrano un bersaglio virtuale anticipatorio permettendo ai controllori di prevedere con maggiore sicurezza le manovre del drone, si rivelano strumenti indispensabili per evitare deviazioni non volute e violazioni di separazione.

L’intervista post-simulazione conferma che, mentre il concetto di integrazione è tecnicamente fattibile, l’effetto sul flusso di traffico è significativo. Si evidenzia l’opportunità di dedicare al drone cargo una pista separata e indipendente da quella del traffico tradizionale, soluzione che non richiede infrastrutture particolarmente complesse, dato il peso e le dimensioni minori del drone rispetto agli aerei convenzionali. Ciò ridurrebbe i rischi associati a emergenze durante l’atterraggio e minimizzerebbe l’impatto sui flussi regolari di traffico aereo. Tuttavia, una pista separata potrebbe allungare i tempi di turnaround, un aspetto da considerare soprattutto in scenari di utilizzo emergenziale, come la distribuzione di soccorsi.

L’importanza di sviluppare ulteriori sistemi di supporto per i controllori emerge come un punto critico per l’efficienza e la sicurezza del traffico misto, soprattutto per quanto riguarda l’identificazione, la differenziazione e il comando dedicato agli aeromobili senza pilota. I tradizionali sistemi di controllo non sono ancora in grado di gestire efficacemente queste nuove esigenze, segnalando un ambito di ricerca e sviluppo fondamentale per l’integrazione futura dei droni nelle operazioni aeroportuali.

Oltre agli aspetti tecnici e operativi, è essenziale che il lettore comprenda la complessità dinamica che l’inserimento di droni cargo comporta nel sistema aeroportuale. Non si tratta soltanto di un problema di capacità o di incremento del carico di lavoro, ma di una trasformazione del paradigma di gestione del traffico, che richiede un ripensamento delle procedure, dei sistemi di supporto e della progettazione delle infrastrutture. La convivenza di velivoli con caratteristiche di volo eterogenee impone una nuova dimensione di sicurezza e coordinamento, in cui la tecnologia e la formazione dei controllori dovranno evolvere parallelamente per mantenere i livelli di sicurezza e efficienza a cui il trasporto aereo ci ha abituato.

Come funziona il controllo automatico e la comunicazione nei sistemi di volo assistito?

Nei sistemi di volo assistito, il pilota mantiene un controllo manuale parziale mentre il sistema di controllo di volo comanda singoli input, integrando così l’azione umana con quella automatica. Queste modalità assistite sono utilizzate principalmente per la regolazione dei parametri e per supportare il volo manuale, e vengono selezionate tramite una stazione di controllo a terra (GCS). Diversamente dal controllo completamente manuale, tutti i comandi di controllo passano attraverso la Flight Control Computer (FCC) e vengono restituiti al Centralized Interface Computer (CIC). Le modalità di controllo possono essere impostate su richiesta dalla GCS o attivate automaticamente al soddisfacimento di condizioni predefinite. Quando una modalità viene attivata, il controller calcola i comandi da inviare al sistema fly-by-wire tramite il CIC.

La missione base automatica si compone di fasi ben definite: prerotazione del rotore, decollo, salita, volo in crociera lungo un circuito di traffico, discesa e atterraggio. Al termine del contatto con il suolo, il rotore principale viene rallentato e il motore spento. La gestione del volo automatico coinvolge il controllo della manetta, l’angolo di passo e di rollio della testa del rotore, la sterzata della ruota di prua, la deflessione del timone, la frenata delle ruote e l’attivazione dell’unità di prerotazione. Per questa missione dimostrativa, il sistema di controllo del volo è suddiviso in otto modalità, ognuna delle quali è adattata alle diverse fasi del volo, dall’inizializzazione fino all’arresto completo.

La comunicazione tra le applicazioni a bordo e con le stazioni di controllo a terra avviene tramite un middleware sviluppato internamente chiamato BBOO (Bulletin Board Object Oriented), concepito per garantire robustezza, flessibilità, bassa latenza e scalabilità. BBOO, principalmente basato su UDP, consente la comunicazione anche attraverso gateway per altri canali di comunicazione, integrando così reti distribuite diverse. Grazie al suo design decentralizzato, BBOO permette di gestire più istanze di applicazioni contemporaneamente e di isolare eventuali malfunzionamenti di un partecipante dal resto del sistema. La comunicazione può avvenire sia punto a punto che secondo il modello publish-subscribe, con un meccanismo di priorità dei messaggi che tiene conto delle capacità variabili delle reti dati. Questa architettura supporta configurazioni di simulazione e permette estensioni facili del sistema. Per l’inter-process communication (IPC) tra applicazioni sullo stesso computer, BBOO è il modulo standard, salvo nei casi in cui si richiede un IPC più leggero e isolato, come tra l’applicazione fly-by-wire e il modulo di comunicazione e logging del CIC, dove si preferisce un protocollo UDP senza connessione, a basso overhead e non bloccante, basato sul modello “fire-and-forget”. Questo garantisce che venga scambiato sempre il dato più aggiornato, evitando ritardi dovuti a code o amministrazioni di messaggi non necessari.

La registrazione dei dati di volo durante i test è essenziale per l’analisi successiva. Per evitare conflitti nell’accesso alle risorse hardware, come il disco rigido, la scrittura dei dati è centralizzata in un’unica applicazione per ogni computer, sia a bordo che a terra. I dati vengono inviati tramite UDP o tramite BBOO alle applicazioni di logging, che gestiscono molteplici sorgenti e destinazioni su dispositivi a stato solido. La scrittura sul filesystem è affidata a un thread centrale, supportato da più thread che ricevono dati e li passano a un buffer thread-safe senza lock, da cui il thread principale estrae e scrive i dati secondo una priorità prestabilita e una schedulazione dinamica. Tale meccanismo permette di mantenere la reattività del sistema di logging e di gestire variazioni impreviste durante l’esecuzione, anche se la registrazione non ha mai la massima priorità e quindi può subire interruzioni. In queste situazioni, il buffer può crescere rapidamente, ma il sistema di logging è in grado di scartare dati non essenziali quando il buffer supera una soglia critica, garantendo così la continuità del funzionamento senza blocchi del sistema.

È importante comprendere che l’interazione tra pilota e sistema automatico non elimina la necessità di supervisione umana, ma piuttosto la integra, affidandosi a una complessa rete di comunicazione e controllo che garantisce sicurezza e flessibilità. La progettazione modulare e la gestione centralizzata delle risorse sono essenziali per evitare conflitti e garantire l’efficienza operativa, mentre l’architettura di comunicazione distribuita e resiliente assicura che il sistema possa continuare a funzionare anche in presenza di guasti parziali. La priorizzazione dei dati e l’uso di protocolli leggeri e non bloccanti rappresentano strategie cruciali per mantenere aggiornate le informazioni più rilevanti senza sovraccaricare il sistema, un principio che si estende oltre l’ambito aeronautico a molteplici settori di controllo automatizzato.

Qual è la struttura operativa di una missione umanitaria aerea con il girocottero?

Una missione umanitaria aerea condotta con un girocottero si articola in tre fasi fondamentali: Pre-Flight, In-Flight e Post-Flight. Ognuna di queste fasi è composta da elementi operativi che devono essere coordinati con precisione per garantire efficienza, sicurezza e affidabilità nel contesto emergenziale in cui il volo viene effettuato.

Durante la fase Pre-Flight, si effettuano tutte le operazioni preliminari necessarie al decollo. Innanzitutto, un controllo tecnico del velivolo verifica lo stato funzionale e meccanico del girocottero. Questa ispezione comprende manutenzione ordinaria, pianificazione del volo e valutazione delle condizioni meteorologiche. Nonostante le incertezze operative, il tempo medio stimato per questa attività è di circa dieci minuti. A seguire, viene eseguito il caricamento del carico utile, operazione che richiede circa quindici minuti, influenzata dalla disponibilità di strutture a terra e dalla competenza degli operatori. Una volta completate queste due operazioni, il velivolo è pronto a lasciare la posizione di parcheggio e iniziare la fase di rullaggio verso la pista di decollo.

La fase In-Flight inizia con un breve taxi di circa due minuti, considerando le dimensioni dell’aeroporto di Beira e una velocità media di rullaggio di 10 m/s. Il decollo e la salita alla quota di crociera, fissata a 500 piedi, avvengono in trenta secondi con un’accelerazione media tra 1,2 e 1,4 m/s², fino a raggiungere una velocità di crociera di 200 km/h. La tratta media verso l’unità operativa è di 75 km, coperta in circa 22,5 minuti.

Giunto sull’unità di destinazione, il girocottero opera in uno spazio aereo georeferenziato, interdetto ad altri velivoli per evitare collisioni. Qui il volo si abbassa a 100 metri per consentire una rilevazione visiva efficace, anche in presenza di ostacoli. Il girocottero scansiona l’area in dieci passaggi paralleli, grazie a una larghezza di scansione di circa 100 metri. Se viene rilevata la presenza di persone, il girocottero interrompe la scansione, si abbassa ulteriormente e rilascia il pacco umanitario. Dopo il rilascio, il velivolo risale alla quota di rilevamento e prosegue l’operazione. Ogni volo può trasportare fino a 25 pacchi, ciascuno del peso di 15 kg, per un carico totale massimo di 375 kg. Il tempo stimato per tutta l’operazione nell’unità, comprese salita, discesa e scansione, è di 17 minuti.

Per il rilascio dei pacchi vengono considerati due scenari. Nel primo, il girocottero riduce la velocità orizzontale al minimo (20 m/s) e scende a un’altezza di 45 metri, limitando l’energia d’impatto a 9,75 kJ. Tuttavia, durante i tre secondi di caduta libera, il pacco è soggetto a effetti del vento che possono alterare la traiettoria. Nel secondo scenario, il girocottero annulla la velocità orizzontale e scende verticalmente a una velocità costante di 11,5 m/s. Il tempo di caduta si riduce a 2 secondi e l’effetto del vento si attenua, migliorando la precisione del rilascio. Tuttavia, l’energia d’impatto aumenta a 13 kJ e l’altezza di 45 metri si rivela insufficiente per un recupero sicuro del volo dopo il rilascio. Pertanto, viene preferito il primo scenario.

Dopo il completamento della missione sull’unità, il girocottero ritorna all’aeroporto seguendo la stessa traiettoria: crociera, discesa, atterraggio e taxi, in sequenza speculare alla tratta iniziale.

Nella fase Post-Flight, il velivolo viene preparato per la successiva missione. Il rifornimento richiede circa due minuti, mentre le ispezioni tecniche post-volo impiegano mediamente quindici minuti. La durata totale di una missione, comprensiva di tutte le fasi, è di 109 minuti, di cui 67 sono effettivamente di volo.

Considerando un arco operativo giornaliero di dieci ore, imposto sia dalla necessità di visibilità per le persone a terra che devono localizzare i pacchi, sia per evitare disturbi notturni dovuti al rumore del motore, ogni velivolo può effettuare in media 5,5 missioni al giorno. L'intera operazione di soccorso è pianificata su un periodo di dieci giorni, al termine del quale le vie di terra tornano praticabili. Per servire 750 unità in questo arco temporale, sono necessari almeno 14 velivoli. Una flotta più ampia ridurrebbe il tempo complessivo, ma aumenterebbe la complessità logistica e la saturazione delle infrastrutture aeroportuali.

Con una capacità di trasporto di 375 kg per missione, ogni girocottero può consegnare fino a 20 tonnellate di aiuti umanitari in dieci giorni. Complessivamente, l’intera missione aerea fornisce 281,25 tonnellate di beni. Il confronto con elicotteri da trasporto convenzionali, come il Mil Mi-8MTV1 utilizzato dal WFP, offre un quadro di riferimento importante per valutare efficienza, costi e flessibilità del sistema basato su girocotteri.

Oltre alla componente tecnica, è fondamentale considerare il ruolo della popolazione sul terreno. Le persone devono essere informate in anticipo dell’arrivo dei velivoli, sia per garantire la sicurezza al momento del rilascio, sia per facilitare il recupero immediato dei pacchi, evitando che vadano dispersi o danneggiati. La gestione dello spazio aereo, l’interazione tra tecnologia e contesto sociale, così come la sincronizzazione tra operazioni aeree e capacità logistiche terrestri post-evento, sono elementi centrali per il successo di una missione umanitaria di questo tipo.

Quali sono gli aspetti tecnici che determinano la configurazione e la sicurezza di un giroscopico?

La resistenza all'avanzamento (drag) di un giroscopico può essere ridotta grazie alla disposizione inclinata del vettore di forza del rotore. Inoltre, la velocità di rotazione del rotore può essere inferiore a quella di un elicottero, contribuendo così a una riduzione delle perdite per il profilo aerodinamico. Contrariamente agli elicotteri, la velocità di rotazione del rotore in un giroscopico non incide sul momento applicato all'albero del rotore, il quale rappresenta un fattore limitante negli elicotteri. Tuttavia, è essenziale che il rapporto di avanzamento del rotore rimanga entro limiti accettabili per mantenere il controllo del fenomeno del "flapping" del rotore, in particolare quando è presente solo una semplice cerniera centrale a teeter e non esistono ulteriori dispositivi tecnici per ridurre tale effetto.

Una delle configurazioni più comuni di giroscopici è quella con il carrello d'atterraggio tipo "tail dragger", che risulta particolarmente vantaggiosa durante le manovre di decollo. Dopo la pre-rotazione, i giroscopici moderni con carrello triciclo devono inclinare e bilanciare la fusoliera durante la fase di corsa di decollo, per mantenere un angolo di attacco adeguato al rotore, favorendo così l'aumento della velocità di rotazione del rotore stesso. Questa manovra deve essere eseguita con attenzione, per evitare il rischio di danneggiare la coda. Con il carrello "tail dragger", invece, il decollo risulta più semplice: una volta che il rotore ha raggiunto la velocità di rotazione desiderata, l'angolo di incidenza del rotore viene regolato in posizione di volo. Durante la fase di accelerazione, l'inclinazione della fusoliera si trasmette al rotore, permettendo al giroscopico di accelerare fino al decollo senza modificare i comandi di beccheggio. Dopo il decollo, l'angolo di attacco del rotore si riduce automaticamente al valore corretto per il volo.

Per quanto riguarda la configurazione del veicolo, l'installazione dei motori sulle ali con eliche in configurazione "tractor" offre numerosi vantaggi, tra cui una riduzione significativa del rumore, rispetto a una configurazione "pusher". Studi condotti (Yin et al., 2012) hanno evidenziato l'importanza di questa scelta configurativa, dimostrando che l'emissione acustica può essere abbattuta di diversi decibel. Gli eliche in configurazione "pusher", infatti, interagiscono con il flusso turbolento generato dalla fusoliera, il quale è la principale fonte di rumore. Test di volo in scala hanno confermato qualitativamente che la configurazione ALAADy con eliche "tractor" è notevolmente più silenziosa rispetto alla configurazione "pusher" (Sachs et al., 2016).

Nel contesto delle operazioni di volo, la sicurezza è fondamentale, in particolare quando i droni o i giroscopici vengono utilizzati su aree scarsamente popolate. In scenari di emergenza, la possibilità di eseguire manovre di terminazione del volo sicure è uno degli strumenti principali per ridurre i rischi. I sistemi di emergenza devono essere progettati per funzionare in modo passivo, senza la necessità di feedback da sensori, e devono operare in maniera affidabile in tutte le condizioni di volo. Per le configurazioni ad ala fissa, sono stati esplorati tre approcci principali per ridurre l'energia d'impatto e garantire traiettorie prevedibili. Una delle manovre più insolite è stata quella di cercare di portare l'aereo in una "flat spin" (rotazione piatta), per ridurre la velocità prima dell'impatto. Tuttavia, questa manovra si è rivelata poco efficace, poiché le modifiche necessarie all'aeromobile per garantire una rotazione stabile riducevano la stabilità longitudinale e laterale, creando più rischi di quelli che si intendevano mitigare.

La soluzione più adatta per la terminazione di volo per le configurazioni ad ala fissa si è rivelata l'adozione di un sistema di paracadute, adattato al peso e alla velocità di crociera dell'aeromobile. La simulazione ha dimostrato che l'energia cinetica al momento dell'atterraggio potrebbe essere ridotta in modo significativo, raggiungendo un valore pari al 5% dell'energia originale, anche a velocità di crociera di 200 km/h. Sebbene il paracadute aggiunga peso al sistema, il vantaggio in termini di sicurezza e riduzione dell'energia d'impatto è indiscutibile.

Per i giroscopici, un altro sistema di terminazione di volo d'emergenza si basa sull'autoritrazione del rotore, una manovra che consente al giroscopico di scendere in modo molto ripido, simile a quello che fa un paracadute. In questa configurazione, l'energia d'impatto è determinata dalla velocità di discesa verticale, che dipende dal peso del veicolo e dal sistema di rotori installato. Durante la fase di decelerazione, il giroscopico può ridurre l'energia in maniera significativa prima di toccare il suolo, a condizione che il sistema di autorotazione sia correttamente configurato.

Quali tecnologie di collegamento dati sono adatte agli UAV e come progettare un'architettura robusta?

La connessione dei veicoli aerei senza pilota (UAV) con i piloti remoti è una delle sfide fondamentali per garantire la sicurezza e l'affidabilità delle operazioni, soprattutto in contesti di missioni che richiedono livelli elevati di robustezza. L'analisi delle tecnologie di collegamento dati, come le reti cellulari terrestri e quelle satellitari, rivela che entrambe sono in grado di soddisfare i requisiti di larghezza di banda necessari per le operazioni degli UAV, come indicato nelle ricerche di Pak (2021). Ad esempio, il servizio SB-UAV di Inmarsat offre una copertura globale, ad eccezione delle regioni polari estreme, con una velocità di trasmissione di 200 kbps, mentre le reti LTE possono teoricamente trasmettere centinaia di Mbps per un singolo utente, seppure con una banda condivisa tra tutti gli utenti di una cella. Nonostante ciò, gli studi della Bundesnetzagentur (2019) mostrano che il 90% degli utenti mobili in Germania riceve almeno una velocità di 700 kbps, anche se resta aperta la questione sulla sufficienza di queste tecnologie per missioni specifiche.

Uno degli aspetti critici nell'implementazione di collegamenti dati per gli UAV è la robustezza, che dipende dal rischio dell'ambiente operativo e dall'impatto della sicurezza sul ruolo del pilota remoto. Come discusso da Nikodem et al. (2021), la robustezza del collegamento dati deve essere commisurata al rischio dell'ambiente e alla sicurezza della missione. Se il rischio ambientale e l'impatto sulla sicurezza sono bassi, la robustezza del collegamento può essere limitata. Tuttavia, se il rischio è elevato, la robustezza richiesta deve essere proporzionalmente alta.

Proponiamo quindi l'adozione di un'architettura di collegamento dati flessibile, che utilizzi sia le reti cellulari che quelle satellitari per creare un sistema di comunicazione ridondante, in grado di rispondere a diverse esigenze di missione. L'idea è di integrare più collegamenti indipendenti, che possano operare contemporaneamente per interconnettere l'UAV e il pilota remoto. In caso di guasto di uno dei collegamenti, gli altri possono continuare a scambiarsi dati senza interruzioni.

L'architettura di collegamento dati proposta si basa su una rete privata virtuale (VPN), che consente di proteggere le connessioni tramite autenticazione e crittografia. Il pilota remoto può essere localizzato ovunque nel mondo, purché ci sia una connessione a Internet disponibile. All'interno della VPN, l'UAV e il pilota remoto sono trattati come client, senza che la funzionalità della stazione di controllo a terra cambi sostanzialmente in base al tipo di rete utilizzata. L'UAV si connette alla VPN tramite una o più reti cellulari terrestri, con l'opzione di aggiungere una rete satellitare se è necessario migliorare la copertura o la ridondanza.

Il sistema di "VPN bonding" permette di aggregare più connessioni di rete in un unico canale, aumentando la stabilità e la velocità del collegamento. Se una delle connessioni fallisce, le altre continuano a garantire il funzionamento senza interruzioni, offrendo una protezione contro i guasti e una maggiore affidabilità complessiva. Questo tipo di architettura è flessibile e non dipende da uno specifico standard di comunicazione, permettendo l'utilizzo di diverse reti cellulari o satellitari a seconda delle necessità della missione.

Ad esempio, nel caso in cui la rete cellulare del provider A copra solo l'area intorno all'aeroporto di partenza, mentre la rete di un altro provider (B) copre l'area dell'aeroporto di arrivo, l'UAV potrebbe dover utilizzare entrambe le reti cellulari per garantire la copertura per l'intera missione. Alternativamente, si potrebbe fare affidamento su una rete satellitare che copra l'intera area operativa, senza la necessità di una connessione cellulare continua. È essenziale che le transizioni tra le diverse reti siano perfettamente integrate, senza richiedere alcuna interazione da parte del pilota remoto, per garantire un'operazione continua e senza interruzioni.

Per l'UAV cargo investigato, la proposta prevede l'uso di una rete cellulare, combinata con una rete satellitare, qualora necessario. L'installazione a bordo dell'UAV richiede diversi modem cellulari e satellitari, ciascuno con la propria antenna, posizionata opportunamente a seconda del tipo di rete. Le antenne dei modem cellulari devono essere orientate verso il basso, mentre quella del modem satellitare deve essere rivolta verso l'alto. La connessione tra i modem e il computer dell'UAV gestisce le connessioni VPN, assicurando il corretto funzionamento di tutte le reti utilizzate.

A livello economico, l'utilizzo di più modem cellulari e reti satellitari aumenta i costi, ma è fondamentale per garantire la continuità operativa e una copertura completa. Tuttavia, questa architettura consente di bilanciare costi e rischi, adattandosi dinamicamente alle esigenze operative specifiche.

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