Você sabia que para cada voo existe uma altitude ótima de modo a se ter o menor custo operacional possível?
No post anterior havíamos falado a respeito de práticas de tanqueamento, no qual recomendo a leitura caso não tenha lido ainda (https://jazzaero.com.br/jazz-em-acao/fuel-tankering/). Neste post continuaremos tratando do assunto sobre redução de custos operacionais, mais especificamente da otimização de perfis verticais de voo.
A otimização de perfis verticais de voo é uma análise muito difundida entre as empresas aéreas assim como o tanqueamento. Segundo a ATR (Fabricante francesa de aeronaves turbo hélices), técnicas de otimização como o Cost Index implementadas em algumas de suas aeronaves podem gerar reduções de consumo de até 8%. Esta redução possui um grande impacto nos custos de operação, visto que a maior parcela dos custos é ocupada pelo combustível.
Perfil Vertical de Voo
A trajetória de voo de uma aeronave pode ser vista em dois planos diferentes:
– O plano horizontal detalha as rotas e aerovias em que a aeronave irá seguir da sua partida até seu destino. Podemos fazer uma analogia as estradas rodoviárias, elas indicam os caminhos horizontais que percorremos com o carro.
– O plano vertical detalha a altitude de voo de acordo com a distância percorrida. Na mesma analogia com as rodovias, o perfil vertical se caracterizaria pelo relevo da região.
O perfil vertical de voo de uma aeronave é dividido em etapas de voo. A figura a seguir apresenta o perfil vertical típico de uma aeronave e suas etapas.
A otimização de perfis verticais engloba as três etapas centrais (Climb, Cruise and Descent). Apesar das outras etapas também possuírem padrões de operação de modo a reduzir o custo operacional, as mesmas não serão tratadas neste post.
A Etapa de cruzeiro tem uma grande importância nas três etapas, principalmente para voos médios e longos. Isso ocorre, pois o consumo de combustível e o tempo gasto nesta etapa é muito maior que nas outras, portanto sua análise é crucial para a redução de custos.
A Etapa de subida também é muito importante, porém sua relevância é maior para voos curtos. Contudo, após a fase de decolagem, esta é a etapa que mais consome combustível por tempo voado, sendo o tempo nesta etapa crucial para o consumo global.
A Etapa de descida é a que possui menor relevância dentre as três, pois esta é a etapa com menor consumo, visto que a aeronave tem energia potencial devido a sua altitude necessitando de menos empuxo dos motores para descer.
As três etapas analisadas em conjunto podem determinar a altitude e velocidade ótima de cruzeiro, além dos perfis de subida e descida da aeronave durante suas respectivas etapas de voo.
Contudo, esta análise não está limitada somente a parâmetros de distância e modelo de aeronave. As condições meteorológicas afetam diretamente esta análise e devem ser consideradas:
– A temperatura e pressão ambiente (Condição ISA) estão diretamente ligados com as forças que atuam na aeronave e o desempenho dos motores, com isto elas devem ser levadas em conta na análise.
– A intensidade e direção dos ventos afetam diretamente as forças aerodinâmicas da aeronave, com isto elas podem ser um fator determinante da altitude de cruzeiro.
Método Cost Index
Dentre os métodos de otimização, o mais difundido na aviação comercial é o método baseado no parâmetro Cost Index. Este método é muito utilizado pois leva em consideração uma variável muito importante para os custos: o tempo. O parâmetro Cost Index tem a seguinte fórmula:
CT = Custo por unidade de tempo.
CF = Custo do combustível por unidade de massa.
O custo relacionado ao tempo, CT, inclui todos os custos que envolvem o tempo exceto o consumo de combustível. Alguns exemplos de custos relacionados ao tempo são:
– Custos com manutenção relacionados diretamente as horas de voo da aeronave exceto as manutenções relacionadas com os ciclos da aeronave (Um ciclo é equivalente a um pouso e uma decolagem);
– Custos com tripulação quando estes forem atrelados ao tempo. Algumas empresas relacionam os pagamentos da tripulação com a distância voada, e neste caso não entram aqui;
– Custos com leasing ou depreciação da aeronave, sendo estes custos marginais relacionados ao tempo extra de voo.
O valor de CI vai depender de voo para voo, visto que podemos ter diferentes preços de combustível e custos de operação com tempo. Quando os preços com combustível estiverem muito altos com relação ao custo de operação com tempo, CI tende a zero, com isto a aeronave deverá operar em ambientes que priorizem a redução de consumo de combustível. Porém, quando os valores de operação com tempo estiverem muito altos em relação ao preço do combustível, CI tende a valores elevados, com isto a aeronave deve operar em regimes de máxima velocidade visando a redução do tempo de voo.
Para exemplificar a determinação dos parâmetros de velocidade de cruzeiro e perfil de subida pelo método Cost Index, apresentaremos dois gráficos a seguir:
O gráfico acima mostra para nós a variação dos custos de acordo com a velocidade de cruzeiro escolhida para o trecho a ser voado. Podemos perceber que o tempo tem um comportamento diferente do combustível, portanto devemos juntar as duas curvas para encontrar o ponto ótimo para os dois parâmetros. Este ponto é chamado de velocidade econômica.
Um exemplo para determinarmos como será a subida da aeronave é o gráfico a seguir:
Podemos observar que temos a opção de escolher subidas mais longas, ou seja, demandam mais tempo, assim como subidas mais curtas que demandarão um ângulo de subida maior. Durante uma subida, a aeronave usa parte de sua tração para subir e parte para fornecer velocidade horizontal, sendo quanto maior a inclinação da subida menor será a velocidade horizontal. O CI determina o perfil de subida desejado priorizando o tempo ou o consumo de combustível. Podemos dizer que quanto maior o CI mais longa é a subida e maior é a velocidade horizontal pois a prioridade é o tempo. Contudo, se o CI tende a zero o perfil de subida é o mais inclinado possível, pois é desejado chegar à altitude de cruzeiro o mais rápido possível, visto que lá se tem o menor consumo do voo.
As aeronaves comerciais já possuem computadores que fazem esta avaliação de acordo com os parâmetros inseridos pelos pilotos. Estes computadores estão acoplados com o piloto automático de modo a gerar o melhor perfil vertical para aquela determinada condição. Estes sistemas são chamados FMS (Flight Management System), um sistema com a função de diminuir a carga de trabalho dos pilotos, eliminando a necessidade de engenheiros de voo a bordo. Este computador possui um display onde o piloto configura todo plano de voo, inclusive programa o Cost Index para aquele voo. No vídeo a seguir podemos ver uma explicação sobre o Cost Index e como o piloto faz sua inserção no sistema da aeronave:
https://www.youtube.com/watch?v=5UdQfQC5CVQ&t=183s
Projeto EcoAr
A Jazz Engenharia Aeronáutica está com um projeto com o foco em otimização e redução de custos operacionais de empresas de táxi aéreo. Dentre as práticas a serem implementadas nas empresas esta a otimização de perfis verticais de voo.
Autor: Pedro Minaya – Engenheiro Aeroespacial