Come si garantisce la sicurezza e l’affidabilità nelle operazioni di volo remoto con velivoli senza pilota?

Nel contesto delle operazioni con velivoli senza pilota, la formazione e l’addestramento dell’equipaggio remoto sono fondamentali per gestire situazioni anomale e per mantenere il controllo in condizioni operative avverse. La capacità del team di coordinarsi efficacemente, la loro idoneità fisica e mentale, nonché la conoscenza approfondita delle condizioni ambientali critiche sono requisiti imprescindibili per garantire la sicurezza dell’operazione. Le procedure operative devono essere definite con rigore, validate e rispettate, assicurando che l’interfaccia uomo-macchina (HMI) sia adeguata alla missione, a fronte di valutazioni approfondite dei fattori umani.

Un aspetto cruciale nella gestione del rischio è il controllo dello spazio aereo adiacente all’area di operazione. Lo spazio aereo contiguo, spesso non controllato, richiede misure di contenimento rigorose che impediscano al velivolo di uscire dall’area operativa. Questo si realizza tramite buffer di sicurezza sia aereo che terrestre, calcolati tenendo in considerazione il miglior rapporto di planata e la velocità del vento. Nel caso descritto, si utilizza un girocottero modificato, capace di eseguire una autorotazione passiva in emergenza, per operare in zone temporaneamente ristrette, sia in aria sia al suolo, con sistemi di geofence attivi a protezione della separazione dall’area autorizzata.

Nell’ambito della progettazione e sviluppo del dimostratore tecnologico, la scelta di componenti commerciali affidabili (COTS) costituisce la base per contenere tempi e costi, favorendo l’integrazione di conoscenze pregresse nei sistemi aeronautici, sia con equipaggio a bordo sia senza. L’affidabilità, benché minore rispetto a un prodotto commerciale finito, rappresenta un obiettivo chiave, accanto alla sicurezza, con particolare attenzione alla modularità del sistema e alla separazione tra componenti critici per la sicurezza e quelli sperimentali. Questa architettura consente di disattivare funzioni non essenziali per isolare e testare singoli elementi, facilitando l’iterazione rapida e l’agilità dello sviluppo tramite modelli a spirale.

Fondamentali sono gli strumenti di simulazione hardware-in-the-loop e software-in-the-loop, che permettono di addestrare le procedure di volo, acquisire conoscenze di sistema e validare algoritmi in ambienti controllati. Una rigorosa gestione della configurazione, comprensiva di documentazione dettagliata e controllo versioni, assicura la tracciabilità delle decisioni progettuali e delle modifiche apportate.

Il sistema concettuale si fonda su un velivolo con telaio da girocottero, dotato di attuatori elettromeccanici che sostituiscono i comandi manuali tradizionali. L’integrazione di sistemi di alimentazione elettrica, pneumatica, sensori, computer di controllo di volo, sistemi di terminazione del volo e molteplici collegamenti dati consente sia il pilotaggio remoto manuale sia il volo automatizzato tramite un sottosistema sperimentale. La sicurezza prevede un sistema di terminazione indipendente e altamente affidabile, capace di interrompere il volo in qualsiasi momento.

Il cuore avionico comprende una serie di componenti specifici: computer di interfaccia, controllo di volo, attuatori per superfici di controllo e motore, ricevitori di telecomandi, sistemi di navigazione inerziale e satellitare (GNSS-IMU), sensori di altitudine e dati atmosferici, nonché sistemi di monitoraggio del traffico aereo indipendenti. La ridondanza è presente principalmente nei collegamenti dati che attivano il sistema di terminazione di volo, mentre la struttura avionica si basa su un’architettura connessa via Ethernet, che connette i sottosistemi di controllo e interfaccia.

Il design modulare e la flessibilità del sistema, uniti a un rigoroso processo di sviluppo iterativo, permettono di rispondere efficacemente ai vincoli e alle esigenze emergenti dalla sperimentazione in volo. La raccolta sincronizzata e coerente di dati provenienti dai vari componenti è indispensabile per l’analisi accurata degli eventi e la generazione di nuove conoscenze utili a migliorare ulteriormente la sicurezza e l’affidabilità operativa.

È essenziale comprendere che l’interazione tra fattori umani, progettazione tecnologica, procedure operative e condizioni ambientali definisce un ecosistema complesso, nel quale la sicurezza non è mai un dato acquisito, ma un obiettivo dinamico da perseguire con rigore e consapevolezza. La capacità di isolare e testare componenti critici in ambienti simulati, insieme a un’organizzazione che mantiene la tracciabilità e la gestione rigorosa della configurazione, rappresenta un pilastro imprescindibile per minimizzare i rischi nelle operazioni con velivoli senza pilota, specialmente in contesti dove la perdita di controllo può avere conseguenze significative.

Quali sono le implicazioni strutturali e operative delle configurazioni di velivoli per droni nell’ambito del rischio a terra e dell’autonomia di volo?

L’analisi dettagliata delle configurazioni di velivoli destinati a missioni di trasporto merci con droni evidenzia come la progettazione strutturale e l’operatività autonoma siano profondamente interconnesse e condizionate da molteplici fattori, tra cui la gestione del rischio a terra, la scelta delle tecnologie di sicurezza e le caratteristiche di volo. L’approccio utilizzato da Hecken et al. (2021) si basa su una modellazione FEM (Finite Element Methods) che integra una rappresentazione geometrica semplificata dell’aeromobile con le proprietà materiali e tecnologie strutturali dell’involucro. Questa metodologia consente di stimare con maggiore precisione la massa a vuoto del velivolo, necessaria per la corretta definizione delle caratteristiche di volo e sicurezza.

L’assenza di specifiche Certificazioni (CS) per droni secondo il metodo SORA ha costretto a utilizzare norme di riferimento per velivoli tradizionali, quali CS-23 per aerei a ala fissa e CS-27 per rotori, con particolare attenzione ai carichi strutturali indotti da eventi critici come le raffiche di vento, l’atterraggio e la terminazione sicura del volo, che nel caso di aerei a ala fissa si traduce nell’uso di paracaduti di emergenza. La presenza di un sistema di soccorso comporta un aumento significativo dei requisiti strutturali, incrementando la massa complessiva fino al 10-20% rispetto a stime precedenti. Per il girocottero, la capacità di autorotazione del rotore principale elimina la necessità di un sistema di emergenza aggiuntivo, rendendolo più leggero ma con efficienza di crociera inferiore.

Tra le configurazioni esaminate, il box wing si distingue per la sua maggiore massa, superiore di circa il 18% rispetto al girocottero, ma gode di vantaggi in termini di maneggevolezza a terra dovuti all’ala più compatta. La configurazione twin-boom si caratterizza per la massima efficienza di volo, ma necessita di paracaduti come i box wing per ridurre il rischio al suolo, con tutte le implicazioni strutturali che ne derivano. La scelta della configurazione ottimale è influenzata da considerazioni di mercato e missioni specifiche, evidenziando che il rilascio del carico sembra assumere una priorità superiore rispetto a capacità come il decollo e atterraggio corto.

Un ulteriore elemento chiave è rappresentato dall’autonomia del velivolo, intesa come la capacità di operare con minima supervisione umana mantenendo la sicurezza. L’autonomia richiede infrastrutture di comunicazione affidabili, quali reti cellulari 4G LTE e satellitari, la cui integrazione e ridondanza migliorano la continuità operativa. Tuttavia, volare a quote basse rappresenta una sfida per la disponibilità del segnale, incrementando la probabilità di interruzioni. Le soluzioni tecnologiche prevedono VPN per garantire la sicurezza dei dati e monitor runtime (Safe Operation Monitors) per assicurare un controllo in tempo reale sulla sicurezza del software e dei sistemi autonomi. Questi aspetti sottolineano la necessità di considerare la sinergia tra affidabilità dei datalink e prestazioni dell’autopilota, così come di sviluppare criteri di certificazione e standard di conformità che tengano conto delle peculiarità delle configurazioni non convenzionali.

L’importanza di una visione integrata emerge chiaramente: la progettazione strutturale, le tecnologie di sicurezza, le caratteristiche aerodinamiche e i sistemi di comunicazione devono essere concepiti in modo coordinato per garantire un bilanciamento ottimale tra peso, efficienza, sicurezza e operatività autonoma. Inoltre, l’evoluzione delle normative e delle metodologie di certificazione dovrà riflettere questa complessità, affinché le soluzioni emergenti possano essere implementate con successo nel mercato dei droni di trasporto.

Oltre a quanto sopra, è fondamentale considerare l’influenza del contesto operativo e le strategie di mitigazione del rischio al suolo, che impongono requisiti specifici non solo alla struttura, ma anche ai sistemi di emergenza e alle procedure di volo. L’interazione tra configurazione aerodinamica e tecnologie di sicurezza, come i paracaduti o i sistemi di autorotazione, modifica significativamente il profilo di rischio e il comportamento in situazioni di emergenza. Infine, la scalabilità delle configurazioni VTOL ibride e la loro competitività rispetto alle soluzioni tradizionali rappresentano una frontiera aperta di ricerca, con potenziali impatti decisivi sulle future scelte progettuali e operative.

Come viene garantita la sicurezza operativa nei sistemi di aeromobili senza pilota?

La sicurezza operativa degli aeromobili senza pilota (UAS) rappresenta una sfida complessa che coinvolge molteplici aspetti tecnici, operativi e umani. Nel contesto attuale, la gestione del rischio si basa su un’accurata valutazione degli elementi che compongono il sistema, la definizione chiara dei termini e la strutturazione di architetture robuste capaci di mitigare le potenziali minacce. Un punto centrale riguarda i componenti richiesti per costruire sistemi affidabili, i quali devono essere progettati per affrontare le criticità operative e garantire la supervisione efficace delle missioni.

L’interazione tra uomo e macchina è un elemento cruciale nella stazione di controllo a terra (GCS). Le interfacce uomo-macchina (HMI) devono essere sviluppate tenendo conto delle peculiarità psicofisiche dell’operatore, specialmente in condizioni di isolamento sensoriale, che rappresentano una delle sfide maggiori nel controllo remoto degli UAS. La classificazione dell’autonomia di sistema permette di delineare i livelli di intervento umano necessari, adattando l’architettura operativa ai diversi scenari e aumentando così la sicurezza complessiva.

La progettazione delle comunicazioni dati assume un ruolo fondamentale nella garanzia della sicurezza operativa. Le reti digitali, in particolare i data link LTE, devono essere accuratamente progettate e testate per garantire copertura, affidabilità e integrità del segnale in condizioni operative reali. L’analisi del canale radio e la valutazione del budget di collegamento permettono di prevedere la qualità del collegamento tra aeromobile e stazione di terra, mitigando il rischio di perdita del controllo o interferenze.

Un altro aspetto importante riguarda i sistemi di rilevamento e di evitamento (Detect and Avoid - DAA), specialmente per operazioni Beyond Visual Line Of Sight (BVLOS). Le diverse architetture di sistema – onboard, ground-based o ibride – offrono soluzioni differenziate per aumentare la consapevolezza situazionale e la capacità di reazione automatica o assistita dell’aeromobile. L’integrazione di sensori cooperativi, come ADS-B e FLARM, è essenziale per il coordinamento con il traffico aereo tradizionale e per la gestione delle situazioni di potenziale conflitto.

La modellazione del rischio e la pianificazione delle traiettorie sono strumenti indispensabili per l’operatività sicura degli UAS, specialmente nel trasporto di carichi. L’utilizzo di banche dati geospaziali consente di calcolare le distanze di sicurezza orizzontali e verticali rispetto al terreno e agli ostacoli, valutando l’impatto potenziale di eventuali incidenti. La definizione di sistemi di terminazione sicura del volo (Flight Termination Systems) contribuisce a limitare i danni in caso di malfunzionamenti, grazie a strategie basate su valutazioni euristiche e modelli probabilistici bayesiani.

Le tecniche di pianificazione basate su campionamenti (sampling-based motion planning) permettono di generare rotte sicure e fluide, adattandosi dinamicamente all’ambiente operativo e alle condizioni di rischio. La simulazione e la sperimentazione sul campo sono essenziali per validare le strategie e per migliorare continuamente l’efficacia delle soluzioni implementate.

Infine, il monitoraggio continuo dell’operatività sicura, attraverso strumenti come il geofencing e il calcolo di buffer per la terminazione sicura, costituisce un ulteriore livello di tutela. Questi sistemi assicurano che gli aeromobili senza pilota rispettino le zone di volo autorizzate

Quali sono i fattori di carico concettuali e come influenzano la progettazione strutturale degli aeromobili senza equipaggio?

Il modello a elementi finiti del velivolo a doppio boom, come quello precedentemente descritto per l'autogiro, rappresenta la topologia strutturale e gli elementi come nel modello dell'autogiro. L'ala è collegata alla fusoliera tramite elementi RBE2. La coda a V rovesciata è rigidamente attaccata al doppio boom, che è poi collegato all'ala. La massa di ciascun componente del sistema è rigidamente connessa all'analisi modale lineare (LRA) utilizzando lo stesso metodo impiegato per l'autogiro. Una panoramica dei componenti di massa, riportata nella Tabella 6, riassume le masse considerate nel modello a elementi finiti della configurazione a doppio boom. Il modello dell'ala a scatola, composto da fusoliera, ala inferiore, ala superiore e piani di coda verticali (VTP), segue una struttura simile. Le ali sono collegate tra loro e alla fusoliera tramite gli stessi elementi RBE2, con la massa di ciascun componente rigidamente associata all'LRA, come per il modello dell'autogiro.

Le masse dei componenti di sistema sono determinate in modo da garantire che il modello a elementi finiti rispecchi accuratamente la distribuzione di carico e le forze applicate durante il volo. Questo è un passo fondamentale per la progettazione strutturale, poiché le forze aerodinamiche, i carichi dovuti alla manovra e le sollecitazioni da turbolenze influenzano la stabilità e l'integrità strutturale del velivolo.

Quando si considera la progettazione per configurazioni come il doppio boom o l'ala a scatola, è essenziale determinare i carichi a cui l'aeromobile sarà sottoposto durante il volo. In particolare, i carichi dovuti a manovre di volo e a turbolenze atmosferiche devono essere calcolati in modo preciso. La normativa EASA, in particolare la CS-23 per aerei a ala fissa e la CS-27 per piccoli aeromobili a rotore, fornisce specifiche tecniche che stabiliscono i carichi massimi che una struttura può sopportare senza compromettere la sicurezza. Questi carichi sono determinati considerando il peso massimo al decollo (MTOM) del velivolo e applicando formule come quella di Pratt per le turbolenze.

Nel caso di configurazioni come il doppio boom e l'ala a scatola, i carichi di manovra positivi e negativi devono essere calcolati tenendo conto di vari fattori come la velocità dell'aereo, la densità dell'aria e il carico alare. I carichi derivanti da turbolenze sono particolarmente critici, poiché la capacità del velivolo di "alleviare" i carichi di raffica può determinare la stabilità e la resistenza strutturale. La formula di Pratt, ad esempio, fornisce una base per determinare questi carichi in relazione a vari parametri del velivolo, tra cui la velocità dell'aria equivalente, il carico alare e il coefficiente di sollevamento.

Quando si calcolano i fattori di carico da manovra, è importante ricordare che la progettazione deve tenere conto sia dei carichi positivi (diretti verso l'alto) che di quelli negativi (diretti verso il basso). Nel caso di aeromobili a ala fissa, il fattore di carico positivo di manovra viene calcolato come una funzione della massa del velivolo, mentre il fattore negativo è una frazione del fattore positivo. Nel caso degli autogiri, la progettazione deve prevedere carichi da manovra con limiti specifici che possono variare tra 3,5 G (positivi) e -1,0 G (negativi), come stabilito dalla normativa CS-27.

Un aspetto cruciale nella progettazione strutturale di questi velivoli è la considerazione di vari livelli di altitudine per il calcolo dei carichi da manovra e delle raffiche. Sebbene i velivoli UAV (Unmanned Aerial Vehicles) come quelli progettati nel progetto ALAADy operino generalmente a bassa quota, è essenziale tenere conto di scenari che potrebbero richiedere il volo a quote più elevate, come sopra le Alpi o altri paesaggi montuosi. Le tabelle 8 e 9 forniscono un riepilogo dei carichi massimi positivi e minimi negativi per tutte le configurazioni a livello del mare, considerando anche altitudini superiori.

Infine, la progettazione strutturale richiede l'analisi aeroelastica statica per stimare i carichi di ciascuna configurazione. Questa analisi utilizza soluzioni come MSC Nastran per determinare i carichi e le sollecitazioni nelle diverse condizioni di volo, considerando le variazioni di velocità, altitudine e manovra.

Quello che è essenziale comprendere, al di là dei dettagli tecnici della progettazione, è che ogni componente del velivolo e ogni carico deve essere accuratamente modellato e simulato per garantire che il velivolo possa sopportare le sollecitazioni in ogni fase del volo. Questo non solo per rispettare le normative di sicurezza, ma anche per ottimizzare le prestazioni e l'affidabilità del velivolo. La sicurezza strutturale non è mai una questione di "adattamento" ai carichi; è una questione di progettare una struttura che possa affrontarli in modo sistematico, efficiente e sicuro.

Come Integrare i Droni Cargo nel Sistema Aereo: Sicurezza, Controllo e Gestione dello Spazio Aereo

L'integrazione dei droni cargo nello spazio aereo rappresenta una sfida significativa, in particolare nelle aree densamente popolate, dove la sicurezza e la gestione dello spazio aereo sono cruciali. Un approccio proposto prevede la creazione di uno spazio aereo G+ sopra le aree agricole e simili, eludendo le zone abitate. Tuttavia, lo spazio aereo dovrà comunque attraversare arterie principali come le autostrade. La creazione di tali corridoi implica la necessità di garantire che il traffico aereo sia adeguatamente gestito per evitare conflitti tra il traffico aereo manned (pilotato) e i droni.

Le collisioni a mezz'aria sono un rischio che non può essere trascurato. Tra i potenziali intrusi ci sono gli utilizzatori regolari dello spazio aereo G, come alianti, palloni aerostatici, aviazione generale durante l'avvicinamento a un aeroporto o elicotteri di soccorso in qualsiasi fase del volo. Un aspetto chiave di questo concetto è l'integrazione degli utenti dello spazio aereo G nelle reti di informazioni quando entrano nello spazio aereo G+. In questo modo, la posizione e l'atteggiamento di volo degli aeromobili saranno noti ai droni cargo, permettendo l'utilizzo delle consuete procedure di separazione. Poiché lo spazio aereo G+ è pensato per l'uso dei droni cargo ALAADy, in questa situazione si consiglia che gli altri aeromobili cedano la precedenza, come suggerito anche nei progetti di regolamento attuali, che raccomandano che i droni cedano sempre la precedenza, specialmente quando gli altri partecipanti al traffico, come i palloni, hanno una manovrabilità limitata.

Il controllo del traffico aereo (ATC) sarà fondamentale durante l'approccio a un aeroporto, assicurando la separazione adeguata tra i droni cargo e gli aeromobili pilotati. Un'altra considerazione fondamentale riguarda l'evitamento degli elicotteri di soccorso, la cui posizione e traiettoria di volo dovrebbero essere comunicate tramite la rete ALAADy. In caso di volo automatizzato, basterebbe informare il drone cargo sul percorso dell'elicottero, consentendo l'evitamento della perdita di separazione. Se ciò non fosse possibile a causa di vincoli di pianificazione, almeno la posizione e l'atteggiamento dell'elicottero devono essere comunicati alla rete. Tuttavia, poiché queste informazioni possono essere soggette a ritardi o imprecisioni, è fondamentale prevedere un margine di sicurezza tra il drone e l'elicottero. Se tutte le altre modalità di separazione falliscono, il volo del drone deve essere interrotto.

Un altro rischio importante è rappresentato dalle turbolenze, che sono più probabili durante l'avvicinamento a un aeroporto. In tali casi, il drone deve essere trattato come un aeromobile di categoria ICAO "Leggero" per la turbolenza da scia, con le opportune distanze di separazione applicabili. Nel caso di un volo automatico, il drone non è obbligato a mantenere una connessione di controllo dati continua, a condizione che la consapevolezza della situazione del traffico sia garantita dalla rete ALAADy. Tuttavia, nelle fasi di volo in cui una connessione di controllo dati è fondamentale, come quando il drone entra in uno spazio aereo diverso da G+, la funzione di collegamento dati diventa critica per la sicurezza.

Un altro rischio da considerare è la perdita del network ALAADy. La presenza e il corretto funzionamento di tale rete sono essenziali per garantire la separazione di sicurezza tra i vari aerei, quindi la perdita della connessione alla rete ALAADy, se non compensata da altri mezzi, deve comportare l'interruzione del volo. Allo stesso modo, la perdita della consapevolezza della posizione è un altro fattore che giustifica la cessazione del volo. La progettazione di soluzioni ridondanti per la posizione del drone è fondamentale per prevenire questi rischi.

Infine, un'altra situazione rara ma possibile riguarda l'interferenza con aerei pilotati durante un'operazione di emergenza, come un atterraggio di emergenza di un elicottero o di un aereo a motore. In tale scenario, tutti gli altri droni devono cedere il passo all'intruso, anche se ciò comporta l'interruzione del volo del drone. I droni, essendo generalmente privi di sistemi come ADS-B o ACAS, necessitano di una rete che possa rilevare gli aeromobili pilotati in avvicinamento, come nel caso di una rete ALAADy equipaggiata con ricevitori ADS-B e ACAS. In U-space, questo tipo di situazione deve essere gestito tramite il servizio di "Gestione delle Emergenze" che è progettato per affrontare tali situazioni.

L'approccio proposto si basa su un concetto di spazio aereo G+ dedicato, applicabile sia nelle aree densamente popolate che in quelle scarsamente abitate. La creazione di corridoi aerei sicuri, la gestione delle separazioni e l'integrazione di sistemi di monitoraggio come ADS-B e ACAS sono essenziali per garantire la sicurezza. Le questioni aperte, come i margini di sicurezza per i corridoi aerei tipici e le dimensioni degli spazi necessari per il volo dei droni, richiedono ulteriori approfondimenti, soprattutto considerando le caratteristiche specifiche degli aeromobili, come il raggio minimo di virata o l'angolo di discesa in caso di guasto del motore.