ANS-TRAINING SETTEMBRE 2011 NAVIGAZIONE
SETTEMBRE 2011
INDICE Prefazione Introduzione alla Aerea Generalità CAPITOLO 1 Unità di misura per la Aerea La distanza Il tempo, la velocità La misurazione dei parametri atmosferici La massa ed il volume CAPITOLO 2 La Terra Le coordinate geografiche Latitudine e Longitudine Il magnetismo Il magnetismo terrestre La misura del tempo Il giorno solare medio Universal Time Coordinated Il crepuscolo e le Effemeridi aeronautiche CAPITOLO 3 La bussola magnetica ordinaria Capitolo 4 La rotta Definizione di angolo di rotta vera Ortodromia e lossodromia Posizioni relative Calcolo della distanza tra due punti Esempi sulla relazione spazio-tempo-velocità Capitolo 5 La prua PAG.8 PAG.10 PAG.12 PAG.15 PAG.15 PAG.17 PAG.19 PAG.22 PAG.23 PAG.24 PAG.26 PAG.28 PAG.29 PAG.33 PAG.35 PAG.38 PAG.39 PAG.41 PAG.47 PAG.48 PAG.50 PAG.52 PAG.54 PAG.57 PAG.59
INDICE Capitolo 6 Il triangolo del vento Definizione di vento W/v Angolo di deriva Angolo di WCA Esempi sul triangolo del vento Capitolo 7 Le carte aeronautiche Riduzione e Proiezione Isogonismo Le carte cilindriche (Mercatore) Le carte coniche (Lambert) Proiezione Stereografica Polare Carte aeronautiche per la Capitolo 8 Strumenti Basici Strumenti a capsula Anemometro Altimetro Variometro Strumenti giroscopici Direzionale Il virosbandometro Orizzonte artificiale Capitolo 9 Strumenti per la pianificazione della navigazione Capitolo 10 Cenni sulla pianificazione e condotta della navigazione V/IFR Capitolo 11 Apparati di Radionavigazione Concetti generali L angolo di rilevamento (codice Q ) PAG.61 PAG.61 PAG.63 PAG.64 PAG.66 PAG.67 PAG.67 PAG.70 PAG.76 PAG.78 PAG.80 PAG.81 PAG.99 PAG.102 PAG.105 PAG.110 PAG.115 PAG.118 PAG.121 PAG.123 PAG.125 PAG.127 PAG.129 PAG.131 PAG.131 PAG.132
INDICE ADF/NDB Homing VOR HSI TACAN DME ILS MLS Capitolo 12 Sistemi di navigazione d area ed integrati Introduzione Il principio L impiego Il criterio RNP Inertial Navigation System LORAN-C Global Positioning System DGPS GLONASS EGNOS GALILEO Capitolo 13 Sistemi di gestione della navigazione Navigation/flight management system N/FMS flyby/flyover Strumenti Integrati HSI, ADI EFIS APPENDICI APPENDICE A Tabelle di conversione unità di misura. PAG.137 PAG.140 PAG.141 PAG.147 PAG.150 PAG.151 PAG.153 PAG.165 PAG.169 PAG.169 PAG.171 PAG.172 PAG.175 PAG.178 PAG.184 PAG.185 PAG.191 PAG.193 PAG.194 PAG.195 PAG.197 PAG.197 PAG.203 PAG.204 PAG.217
PREFAZIONE Questo manuale si prefigge lo scopo di fornire ai controllori del traffico aereo, siano essi in fase di formazione iniziale, oppure avanzata un indispensabile complemento alla loro qualificazione professionale. Attraverso queste pagine, si conosceranno quelle che sono le basi sulle quali si fondano tutti gli iter istruzionali di quella professione che più di qualunque altra in campo aeronautico s interfaccia con la nostra, quella di pilota d aeroplano. La necessità di tutto ciò risiede nel fatto che piloti e controllori sono le due componenti principali del sistema trasporto aereo a qualsiasi livello lo si voglia analizzare e quindi le due professioni sono assolutamente interdipendenti per le parti di competenza comune. In parole povere non potrebbero esistere controllori del traffico aereo senza i piloti e viceversa. Tutto ciò avverrà attraverso l analisi e lo studio teorico (ed in parte pratico), adattato alle esigenze di conoscenza di cui ha bisogno un Controllore del Traffico Aereo, delle due principali componenti dell arte del volo, vale a dire l Aerodinamica e la Aerea. Passeremo poi allo studio del mezzo aereo e delle sue caratteristiche aerodinamiche, strutturali e strumentali per arrivare alle problematiche che si creano in particolari condizioni ambientali, meteorologiche o d emergenza, passando attraverso il normale svolgimento delle operazioni di volo e controllo: dalla messa in moto o inizio della missione di volo, al rientro al parcheggio dopo il termine del volo. Nella fase finale del corso alcune situazioni, normali e particolari verranno verificate attraverso simulazioni di volo, grazie alle quali gli allievi potranno toccare con mano ciò che avviene dall altra parte. 8
simulatore di volo 9
INTRODUZIONE ALLA NAVIGAZIONE AEREA La Aerea è l arte di condurre un aeromobile da un punto all altro del globo terracqueo attraverso il sorvolo di punti prestabiliti uniti da un segmento chiamato convenzionalmente Rotta, con la verifica continua della posizione del velivolo, calcolando quando necessario, le opportune correzioni da attuare per mantenerlo o riportarlo sulla rotta programmata. La Aerea deriva dalla Marittima, avendone ereditato le varie metodologie per l effettuazione dei calcoli relativi alla posizione (punto nave), la distanza tra i punti e il calcolo delle rotte. Tenendo in considerazione il fatto che come scienza a se stante nacque nella prima metà degli anni 20, lo sviluppo e stato molto più marcato soprattutto in funzione della veloce e moderna evoluzione tecnologica alla quale sono stati sottoposti i mezzi aerei. All inizio del secolo gli aeroplani non erano dotati di alcun tipo di tecnologia, dovevano solo mantenersi in volo e per questo avevano forti limitazioni operative, soprattutto relative a velocità ed autonomia, quindi i voli dovevano essere brevi e condotti in funzione delle condizioni meteorologiche del momento. L attività di volo di quegli anni era vista dai più come una questione riservata a pochi temerari in cerca di forti emozioni. Con la prima guerra mondiale il mezzo aereo ebbe il suo primo vero e proprio battesimo del fuoco, si faceva sempre più pressante l esigenza di volare più in alto, più velocemente ed il più a lungo possibile, non solo per sfuggire alle improvvisate batterie contraeree dell epoca, ma anche per effettuare missioni tattiche più incisive e missioni di ricognizione ed osservazione nelle zone dietro la linea del fronte nemico. Era diventato necessario sviluppare conoscenze e strumentazioni idonee allo scopo di effettuare voli in condizioni ogni-tempo, la dove i riferimenti visivi con il terreno potevano venire a mancare in qualsiasi momento o mancare direttamente in partenza (voli notturni)infatti il cosiddetto inquinamento luminoso che oggi rende praticamente impossibile osservare i corpi celesti durante le ore notturne era pressoché inesistente se non nelle grandissime città. Non era più pensabile continuare a volare seguendo solo strade, ferrovie, fiumi o linee di costa. Dopo l impiego bellico si pensò all impiego civile avendo capito che il mezzo aereo si prestava molto bene anche per il trasporto di merci e passeggeri. Al di là dei fini propagandistici, le prime trasvolate intercontinentali degli anni 20/30 (A.Ferrarin, Roma 10
Tokyo 1922 su monorotore biplano SM61 (foto 1); Ferrarin/Del Prete, Italia-Brasile 1928 su idrovolante. 1 Italo Balbo America del sud e del nord 1930/1933 su idrovolanti SM55(foto 2), furono un utilissimo banco di prova per gli uomini, ma soprattutto per i mezzi il cui sviluppo sembra essere inarrestabile. 2 11
GENERALITÀ La navigazione aerea secondo la strumentazione e i metodi impiegati, può essere suddivisa in: a vista: si vola in vista del terreno e, sia la posizione del velivolo che la sua direzione vengono controllate e verificate con l ausilio di specifiche carte di navigazione comparando l osservazione ed il riconoscimento di riferimenti visivi al suolo con quelli evidenziati nella carta aeronautica. stimata: quando vengono stimati e poi riconosciuti dei punti lungo la rotta con l ausilio della bussola e mantenendo costante la velocità. La posizione si ricava* attraverso particolari calcoli e può essere riportata sulla carta aeronautica come posizione passata, attuale o futura. La posizione futura non è mai precisa perché l aereo subisce l influenza dei fattori ambientali come quella del vento che incide sulla sua velocità e la direzione. *La posizione ricavata si definisce posizione stimata, dead reckoning (DR) in inglese radioelettrica: la posizione di un aeromobile è ricavata utilizzando uno o più sistemi combinati di radio-navigazione che vengono classificati in base alla loro portata o copertura e possono essere riconosciuti come segue: - sistemi a copertura globale; - sistemi a medio raggio (per ricavare la posizione del velivolo rispetto a radioassistenze poste lungo le rotte dei sistemi aeroviari); - sistemi a corto e cortissimo raggio che consentono di effettuare avvicinamenti di precisione ma non per l atterraggio. NOTA: La navigazione radioelettrica comprende anche quella assistita da radar di terra o di bordo. astronomica: è una tecnica di navigazione utilizzata dagli anni trenta fino ai primi anni sessanta. Di derivazione marittima (è la più antica tecnica di navigazione conosciuta), si basava sull osservazione degli astri con i relativi calcoli effettuati per mezzo del sestante e comparati con i dati presenti sulle tavole astronomiche. 12
inerziale: la posizione, la rotta e la distanza vengono calcolate in modo autonomo da bordo dell aeromobile usando sistemi computerizzati definiti inerziali o più precisamente piattaforme inerziali che non hanno bisogno di riferimenti esterni e vengono utilizzati per tutti i tipi di rotte in qualsiasi parte del globo. La Piattaforma Inerziale fornisce con continuità e precisione informazioni utili alla condotta della Aerea in qualsiasi condizione meteorologica, ma commette comunque errori che possono essere trascurabili a condizione che il sistema venga periodicamente aggiornato con dati e informazioni ricavati da altri sistemi. satellitare: la posizione viene determinata attraverso i segnali ricevuti da un sistema o costellazione di satelliti artificiali che orbitano appena al di sopra dell atmosfera terrestre e trasdotti da sistemi di bordo in modo automatico senza bisogno di interventi dell operatore (i navigatori satellitari per automobili funzionano con gli stessi sistemi). integrata: più informazioni provenienti da sistemi diversi vengono elaborate ed integrate tra di loro da un calcolatore di bordo allo scopo di fornire parametri ottimali per la condotta dell aeromobile. 13
CAPITOLO 1 UNITÀ DI MISURA PER LA NAVIGAZIONE AEREA L Organizzazione Internazionale dell Aviazione Civile (ICAO) adeguò le unità di misura da adottare in N.A., a quanto stabilito dalla Conferenza internazionale dei pesi e delle misure. Secondo il sistema internazionale (SI), le unità di misura di base dovevano essere: il M-etro per la distanza, il K-ilogrammo per il peso, il S-econdo per il tempo e l Ampere per la corrente elettrica, ovvero M K S A, mentre quelle secondarie per convenzione, sarebbero state: i gradi Kelvin per la temperatura (qualsivoglia misurazione) e i radianti per le misure angolari. LA DISTANZA (VERTICALE E LINEARE) Come stabilito dal sistema MKSA, il metro doveva essere usato per la misura della quota o, in ogni caso, la distanza verticale di un punto (rappresentante un mezzo aereo, nube o fenomeno naturale) da una determinata superficie di riferimento (superficie terrestre, del mare o isobarica). Per la misura delle distanze lineari, doveva essere usato un multiplo del metro: il Chilometro. Vediamo ora per quale motivo si decise di sostituire queste due unità di misura con altre due, di origine anglosassone ma egualmente attendibili. In aviazione le distanze verticali, le quote di volo, sono misurate in piedi (feet). Un piede (foot) equivale a 0,3048 m; si tratta di un multiplo del pollice (inch): un piede=12 pollici. Rappresentando il piede una misura lineare o verticale (nel nostro caso), più piccola del metro ed essendo in esso compreso tre volte, consente di dare delle indicazioni di quota, più vicine tra loro e quindi più precise. Esistono comunque paesi, che adottano la scala metrica per la misura della quota (ex U.R.S.S.) e di conseguenza esistono delle tabelle o dei calcolatori tascabili per le conversioni. Laddove non si disponga di altimetri aneroidi con scala in metri, si effettua la seguente procedura: Ft.= mt. Si divide per dieci il numero dei piedi e si moltiplica il risultato per 3. Es. 2500: 10 = 250 è 250 X 3 = 750 Mt.= ft. Si moltiplica per 3 il numero dei metri e si aggiunge poi, al risultato, il valore della sua decima parte. es. 3000 X 3 = 9000 è 9000 + 900 (1/10 di 9000) = 9900 15
Vediamo ora cosa accade per la misurazione di quella lineare. Come nel caso precedente, si è deciso di modificare quanto stabilito dal S.I.. Il chilometro è stato sostituito dal miglio nautico. Anche per questa apparente forzatura esiste una spiegazione logica e matematica. Sulla sfera terrestre il miglio può definirsi come l arco di meridiano che sottende l angolo al centro di un primo di grado. Avendo il meridiano (circonferenza massima) l ampiezza angolare pari a 360 gradi ed essendo un grado uguale a 60 primi, la misura dell intera circonferenza equivale a 21 600 miglia nautiche (360 x 60 = 21.600). Per ricavare l equivalente in metri del miglio nautico partendo dai dati in nostro possesso dobbiamo applicare la formula geometrica per il calcolo della circonferenza col presupposto di conoscere il valore del raggio terrestre (6371,2 Km). 1 miglio = 2лr: 21600 = 6,28 x 6371,2: 21600 = 1852,3 metri ovvero 6080 piedi ovvero 1 miglio nautico KM = MN x 1,852 (0,54) NM = KM: 1,852 (0,54) 16
IL TEMPO L unità di misura del tempo è il secondo, definito come la 86.400 ma parte del giorno solare medio. Ovviamente tutto avviene con grande approssimazione. Per giorno solare medio, si intende l intervallo di tempo trascorso tra due successivi passaggi dell astro di riferimento (il sole) sulla verticale del meridiano dove è posto un ipotetico osservatore. La necessità di definire un parametro medio GSM, trova spiegazione nel fatto che il sole vero non si muove sulla volta celeste con velocità uniforme e utilizzarlo per ricavare parametri di calcolo sul tempo sarebbe come utilizzare un orologio le cui lancette si muovono con velocità non uniformi Multipli del secondo sono il minuto, che è uguale a 60 secondi e l ora, uguale a 60 minuti o a 3600 secondi. LA VELOCITÀ Nel sistema internazionale, come in matematica e fisica, le velocità lineari si misurano i metri al secondo (m/s), mentre per quanto riguarda il campo delle velocità degli aeromobili, si usa come unità di misura il nodo* (knot - vedi nota) definito come la velocità di un miglio nautico all ora. Per poter effettuare la conversione da m/s a kts con una buona approssimazione è sufficiente moltiplicare per 2 il numero dei m/s. L approssimazione esiste in quanto al rapporto tra il numero di secondi contenuti in un ora (3600) ed il numero di metri contenuti in un miglio (1852), si è assegnato il valore 2. In campo aeronautico occorre tener presente che oltre alla velocità lineare, esiste anche la velocità verticale (misurazione dei ratei di salita e discesa) e quella angolare (misurazione della virata). La velocità verticale viene espressa, oltre che matematicamente parlando in m/s, in piedi al minuto cioè ft/min. Se vogliamo convertire m/s in ft/min moltiplichiamo per 100 i metri ed il risultato ancora per 2 (es. 1). Al contrario divideremmo per due la centesima parte dei piedi (es. 2). ES.1: 3,5 m/s = ft/min? 3,5 X 100 = 350 X 2 = 700 ft/min ES.2: 600 ft/min = m/s? 600: 100 = 6:2 = 3 m/s 17
*NOTA: Il termine nodo deriva dal sistema usato all epoca dei grandi velieri per determinarne la velocità. Veniva ammainata un ancora galleggiante collegata ad una cima graduata con tanti nodi equidistanti tra loro. Il numero di questi nodi filati in mare in un determinato intervallo di tempo misurato a clessidra, dava l indicazione della velocità del vascello. Per concludere questo rapido excursus sulla velocità in campo aeronautico, accenneremo alla velocità angolare. È definita come il rapporto tra la rotazione angolare ed il tempo e nel sistema internazionale si esprime in radianti al secondo. Il radiante è l angolo al centro della circonferenza sotteso ad un arco di lunghezza uguale al raggio Talvolta la V.A. può essere espressa in gradi all ora o meglio, gradi al secondo, come nel caso della misurazione della virata. 18
LA MISURAZIONE DEI PARAMETRI ATMOSFERICI È utile ricordare che l aria è un insieme di gas. I componenti più importanti sono l azoto (78%) e l ossigeno (21%). È possibile misurare la pressione dell aria (con capsule barometriche) e la temperatura (con i termometri). La pressione atmosferica, definita in fisica, è la forza esercitata dalla colonna d aria sull unità di superficie e nel sistema internazionale deve essere espressa in pascal o Pa (newton/m2) con riferimento ai valori dell atmosfera standard o aria tipo. Caratteristiche aria tipo: Perfettamente secca (priva di umidità). Temp. al livello medio del mare + 15 C. Pressione al livello del mare 1013.2 hpa (29.92 pollici di mercurio) Gradiente termico verticale 6.5 C ogni 1000 metri (2 C ogni 1000 ft) dal livello del mare, decrescente con la quota Gradiente barico verticale** 1 hpa ogni 8 metri (1 hpa ogni 27 ft) decrescente Tropopausa a circa 11.000 mt con temp. di -56 C In ambiente aeronautico, a differenza di quello meteorologico, i valori di pressione vengono ancora riportati verbalmente in millibar (vecchio sistema di misure g.c.s) o pollici (di mercurio) anche se la nuova denominazione impone l utilizzo dell hectopascal o hpa (etto in quanto un millibar equivale a 100 Pascal). La Pressione diminuisce con l aumentare della quota Tutti gli aeromobili con prestazioni medio alte e per il trasporto passeggeri, hanno necessità di essere pressurizzati. Con la diminuzione della pressione atmosferica diminuisce anche quella dei gas in essa contenuti e avviene la loro rarefazione perciò la quantità d ossigeno necessaria a far funzionare i polmoni diminuisce. Già sopra i 6000 metri si manifesterebbero crisi d ipossia con perdita di conoscenza. 19
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La temperatura dell aria viene normalmente misurata usando la scala centigrada secondo la gradazione Celsius che si basa su due valori fissi: il punto di fusione del ghiaccio ed il punto di ebollizione dell acqua (in condizioni normali). In questi punti estremi, le temperature sono considerate 0 e 100 e l indicazione che si tratta di misurazioni Celsius viene così esplicitata: 27 C. Nei paesi anglosassoni viene usata la scala fahrenheit (sempre una scala centigrada); i suoi valori di riferimento corrispondenti alla fusione del ghiaccio e all ebollizione dell acqua sono 32 e 212. Il grado della scala Fahrenheit è indicato come segue: 55 F. Per ottenere la rapida conversione dei valori esistono delle tabelle comparative oppure questa operazione: C = F: ( C x 9/5) + 32 = F F = C: ( F 32) x 5/9 = C 21
LA MASSA ED IL VOLUME Nel S.I., l unità di misura della massa è il chilogrammo (es. valori di spinta dei motori jet), anche se nei paesi anglosassoni (ex impero britannico, sue colonie e USA) si usa ancora la libra o pound che equivale a 0,45359 Kg. L unita di misura del volume è invece il metro cubo (es. capacità dei serbatoi), gli anglosassoni usano il gallone o gallone imperiale (Imperial gallon) che corrisponde a 4,5459 litri e che non deve confondersi con il gallone USA (US gallon) che corrisponde a 3,7854 litri. 22