QUANTIFICAÇÃO DOS IMPACTOS OPERACIONAIS NA AVIAÇÃO NA PRESENÇA DE FORMAÇÕES METEOROLÓGICAS

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1 QUANTIFICAÇÃO DOS IMPACTOS OPERACIONAIS NA AVIAÇÃO NA PRESENÇA DE FORMAÇÕES METEOROLÓGICAS Daniel Alberto Pamplona João Luiz de Castro Fortes Claudio Jorge Pinto Alves Departamento de Transporte Aéreo Instituto Tecnológico de Aeronáutica RESUMO Atualmente, as empresas aéreas têm buscado otimizar os seus meios. O objetivo do artigo é verificar os impactos operacionais quando na presença de formações meteorológicas. Buscou-se no estudo abordar apenas os aspectos operacionais, utilizando como parâmetros para a comparação, o consumo de combustível e o tempo de voo. Aspectos fisiológicos e de segurança de voo não foram abordados, por fugirem do escopo do trabalho. Utilizando a simulação em tempo acelerado, foi possível quantificar os impactos. Dependendo do horário do voo, diferentes resultados foram obtidos, reforçando o papel do sistema de tráfego aéreo no desempenho das aeronaves. ABSTRACT Currently, airlines have sought to optimize its resources. The aim of the paper is to check the operational impacts in the presence of meteorological formations. Sought in the study only address the operational aspects, using as parameters for comparison, fuel consumption and flight time. Physiological aspects of flight safety were not addressed, because it is not the scope of this work. Using fast-time simulation, it was possible to quantify the impacts. Depending on the flight schedule, different results were obtained, strengthening the role of the air traffic system in the performance of aircraft. 1. INTRODUÇÃO A meteorologia exerce papel fundamental na aviação. As condições de operação e segurança estão diretamente ligadas a meteorologia a ser encontrada nos aeroportos de partida e destino assim como em rota. Segundo Kulesa (2003), fatores meteorológicos podem contribuir para a ocorrência de acidentes e incidentes aeronáuticos. Apesar de o maior contribuinte ainda ser o erro humano, a meteorologia influencia em 23% de todos os acidentes aeronáuticos. Nos Estados Unidos, estima-se que os custos totais relacionados a acidentes, incidentes, atrasos e custos não previstos causados pela meteorologia chegam a aproximadamente 3 bilhões de dólares. O objetivo desse artigo é analisar o impacto de formações meteorológicas de mal tempo no consumo de combustível e no tempo total de voo. Utilizou-se a premissa no estudo, que para evitar desconforto aos passageiros e possíveis danos a aeronave, diante das formações meteorológicas, a aeronave executaria desvios, impactando no aumento da rota a ser voada e aumento das aeronaves que voavam em outras aerovias, assim como no gerenciamento do tráfego aéreo. Para isso, foram realizadas simulações em tempo acelerado (fast-time) usando o simulador TAAM. Buscou-se no estudo abordar apenas os aspectos operacionais, utilizando como parâmetros para a comparação, o consumo de combustível e o tempo de voo. Aspectos fisiológicos e de segurança de voo não foram abordados, por fugirem do escopo do trabalho. O ganho acadêmico do trabalho se dá pela quantificação, em termos de aumento do consumo de combustível e tempo em rota, dos desvios em rota e quais os impactos para o sistema de 2046

2 tráfego aéreo. O presente estudo está estrutura em seis seções além desta introdutória. A segunda seção trata da revisão de bibliográfica. A terceira seção trata dos aeroportos utilizados no estudo. A seção quatro aborda a metodologia utilizada no artigo, a seção cinco apresenta os resultados e a seção seis apresenta as conclusões do estudo. 2. REVISÃO DA LITERATURA A literatura a respeito dos impactos da meteorologia na aviação tem focado nos custos dos atrasos e os impactos ao sistema com a realocação e planejamento das aeronaves, como por exemplo, programas de atraso no solo (GDP - Ground Delay Program), porém estes autores não encontraram em suas pesquisas às bases de dados existentes, artigos que foquem nos impactos do consumo de combustível com os desvios causados pela meteorologia. Uma outra parte da literatura tem focado nos aspectos de segurança (safety) e os danos causados à aviação. A meteorologia impacta na aviação através: (a) dos sistemas convectivos e tempestades com a formação de gelo em voo; (b) turbulência; (c) diminuição do teto e (d) diminuição da visibilidade. De acordo com Kulesa (2003), as tempestades, no intervalo de 1989 a 1997, contribuíram de 2% a 4% dos acidentes causados pela meteorologia. Nesse mesmo estudo é citado que a empresa American Airlines, a empresa com a maior frota de aeronaves comerciais no mundo, estimou que 55% dos incidentes devido turbulência são causados por sistemas convectivos. Segundo estatísticas americanas, as precipitações correspondem a 6% dos acidentes na aviação comercial, 10% da aviação geral e 19% da aviação regional. O gelo em voo corresponde a 3% dos acidentes comerciais, 11% da aviação geral e 6% da aviação regional Segundo Hyams (1997) a meteorologia é um perigo de baixa intensidade na aviação, significando que as aeronaves podem voar dentro de sistemas convectivos respeitando certas condições. Para a autora, os pilotos preferem colocar uma margem de segurança entre sistemas severos e suas aeronaves, ficando difícil determinar um padrão, visto que cada piloto possui o seu nível de segurança. Craig (2012) cita que em estudo realizado em 2004, foram informados 232 casos de tripulantes que se machucaram devido turbulência. A Figura 1 mostra os danos causados a uma aeronave após passar por uma severa formação meteorológica com granizo. Figura 1: Aeronave danificada por formações meteorológicas - granizo 2047

3 Antes de um voo, os pilotos devem verificar a meteorologia nos aeroportos de partida e pouso assim como em rota e devem decidir se as condições permitem um voo seguro. Porém, os sistemas meteorológicos são dinâmicos, por isso, as tripulações dependem dos radares meteorológicos a bordo das aeronaves para informar as condições. A Figura 2 mostra uma tela de radar meteorológico embarcado em uma aeronave. Figura 2: Tela de um radar meteorológico embarcado Fonte: ROCKWELL-COLLINS, 2014 As cores indicam a severidade de um sistema convectivo. As cores utilizadas devido ao grau de intensidade (do menor para o maior) são: verde, amarelo, vermelho e magenta. Os radares baseiam o seu funcionamento no fator de refletividade do eco (dbz) transmitido e refletido pelo sistema. A intensidade de refletividade está diretamente associada a intensidade da precipitação, conforme Figura 3. Nível dbz Tipo de precipitação Cor no radar Fraca Verde claro Fraca a moderada Verde escuro Moderada a intensa Amarelo Intensa Vermelho/Laranja Muito intensa; 57 Possibilidade de granizo Vermelho escuro Muito intensa e granizo; 6 >57 possibilidade de grande intensidade de granizo Magenta Figura 3: Níveis de precipitação e radar meteorológico Fonte: HYAMS, 1997 Krozel et al. (2007) cita que pesquisas realizadas mostram que os pilotos geralmente evitam passar por precipitações com intensidade maior que nível 3 (amarelo). Porém, cabe salientar 2048

4 que sempre caberá ao piloto decidir quando e qual a direção a seguir nos desvios em rota, devendo coordenar as suas ações com o sistema de tráfego aéreo ou com as aeronaves na redondeza, dependendo do tipo de voo e espaço aéreo voado. 3. AEROPORTOS UTILIZADOS NO ESTUDO Os aeroportos utilizados no estudo foram os do Galeão, Santos Dumont e Congonhas. Segundo ANAC (2013), os três aeroportos representam aproximadamente 25% do tráfego aéreo regular nacional. 3.1 Aeroporto de São Paulo / Congonhas O Aeroporto de São Paulo / Congonhas, designação ICAO SBSP, possui duas pistas paralelas, 17L/17R (35L/35R), separados eixo a eixo por uma distância aproximada de 220 m, o que não permite a operação independente entre pistas. A pista 17L/35R possui um comprimento de 1435 m e é utilizada principalmente pela aviação geral e aeronaves de pequeno porte, enquanto a pista 17R/35L possui 1940 m de comprimento e é utilizada pela aviação comercial para pouso e decolagem. Segundo McKinsey (2010), a percentagem de utilização é de 70% para a cabeceira 17 e 30% para a cabeceira 35. As operações por instrumento correspondem a 96% do total de operações. Considerando 50% de chegadas, a capacidade IFR é de 44,8 movimentos por hora. Segundo o Anuário da INFRAERO (2014), o aeroporto teve em 2012 um movimento total de aeronaves de , sendo todos com destino doméstico. O total de passageiros foi de Segue na Figura 4 o layout do aeroporto. Figura 4: Configuração do Aeroporto de São Paulo / Congonhas Fonte: DECEA, Aeroporto do Rio de Janeiro / Santos Dumont O Aeroporto do Rio de Janeiro / Santos Dumont, designação ICAO SBRJ, possui duas pistas paralelas, 02L/02R (20L/20R), separados eixo a eixo por uma distância aproximada de 80m, não permitindo a operação independente entre pistas. A pista 02L/20R possui um comprimento de 1260 m e a pista 02R/20L possui 1323 metros de comprimento. Segundo McKinsey (2010), a percentagem de utilização é de 25% da cabeceira 02 e 75% da 2049

5 cabeceira 20. As operações por instrumento correspondem a 89% do total de operações. Considerando 50% de chegadas, a capacidade IFR é de 46,48 movimentos por hora. Segundo o Anuário da INFRAERO (2014), o aeroporto teve um movimento total de aeronaves de para voos doméstico e 120 para voos internacionais. O total de passageiros foi de Segue na Figura 5 o layout do aeroporto. Figura 5: Configuração do Aeroporto do Rio de Janeiro / Santos Dumont Fonte: DECEA, Aeroporto Internacional do Rio de Janeiro / Galeão Maestro Antônio Carlos Jobim O Aeroporto Internacional do Rio de Janeiro / Galeão Maestro Antônio Carlos Jobim, designação ICAO SBGL é constituído de duas pistas transversais, 10/28 e 15/33. Devido a sua posição geográfica, permitem a sua operação independente na configuração das cabeceiras 10 e 15. A pista 10/28 possui um comprimento de 4000m. As cabeceiras 10 e 33 são utilizadas predominantemente para decolagens, ao passo que as cabeceiras 15 e 28 são utilizadas predominante para pouso. Segundo McKinsey (2010), a percentagem de utilização é de 48% da cabeceira 10, 7% da cabeceira 28, 45% da cabeceira 15 e menos de 1% da cabeceira 33. As operações por instrumento correspondem a 96% do total de operações. Considerando 50% de chegadas, a capacidade IFR é de 57,8 movimentos por hora. Segundo o Anuário da INFRAERO (2014), o aeroporto teve em 2012 um movimento total de aeronaves de para voos domésticos e para voos internacionais. O total de passageiros foi de Segue na Figura 6 o layout do aeroporto. 2050

6 Figura 6: Configuração do Aeroporto Internacional do Rio de Janeiro / Galeão Fonte: DECEA, 2013 A próxima seção descreve a metodologia empregada no estudo. 4. METODOLOGIA O presente estudo foi realizado através da simulação em tempo acelerado (fast-time) com o programa Total Airspace and Airport Modeler (TAAM). Foram simulados os voos na rota Aeroporto do Galeão (SBGL) Aeroporto de Congonhas (SBSP) e Aeroporto Santos Dumont (SBRJ) Aeroporto de Congonhas (SBSP). As rotas simuladas com suas origens e destinos e os horários de partida tiveram como base o Horário de Transporte Aéreo (HOTRAN) de 14 de junho de 2014, sendo que os horários foram convertidos para o horário padrão GMT e as rotas foram construídas, com os fixos que deveriam ser seguidos, através do Plano de Voos Repetitivos (RPL) do Centro de Gerenciamento da Navegação Aérea (CGNA) de 16 de junho de A escolha do modelo de aeronave e do nível de voo utilizado foi o previsto pelas companhias aérea no RPL e HOTRAN. O nível de voo de cruzeiro compreendeu os níveis previstos no RPL. Nas simulações realizadas a função aleatoriedade foi desabilitada. O objetivo foi que todos os voos apresentem as mesmas técnicas de pilotagem, permitindo uma melhor comparação do consumo de combustível das aeronaves. Como o objetivo é verificar o consumo do combustível na realização dos procedimentos, não foi considerado na simulação o tempo e o consumo da aeronave taxiando, sendo os dados computados a partir do início da decolagem até a parada da aeronave na pista no pouso. O desempenho das aeronaves e o consumo de combustível é baseado no BADA (Base of Aircraft Data). O BADA é um modelo de desempenho de aeronaves desenvolvido pelo Eurocontrol para ser utilizado em simulações de tráfego aéreo e está inserido no TAAM. O processo de validação foi realizado através da comparação entre os voos simulados e os voos reais retirados da base de dados Flightware, que utiliza o sistema ADS-B para a coleta de posições. A base de dados fornece o tempo total em rota do momento em que a aeronave decola até o momento de seu pouso. Para a validação verificou-se se o tempo total do voo simulado 2051

7 XXIX Congresso Nacional de Pesquisa em Transporte da Anpet correspondeu às médias dos tempos dos voos reais fornecidos pela base de dados. Dados como consumo de combustível não são fornecidos pela base. Assumiu-se, portanto, que os dados de desempenho e, consequentemente, de consumo reais seriam os mesmos do BADA utilizado pelo TAAM. O parâmetro operacional utilizado para comparação foi o consumo de combustível e o tempo de voo. As cabeceiras utilizadas para pouso e decolagem foram as principais utilizadas em cada aeroporto, tendo como base McKinsey (2010), sendo que as decolagens ocorreram das cabeceiras 10 em SBGL e 20L em SBRJ e no pouso em SBSP ocorreram na cabeceira 17R. Cada voo simulado e analisado é composto de um somatório de procedimentos a saber: decolagem, procedimento de saída (SID), voo em rota por aerovia, procedimento de chegada (STAR), procedimento de aproximação por instrumento (IAC) e pouso, conforme Figura 7. Decolagem Procedimento de saída (SID) Voo em rota por aerovia Procedimento de chegada (STAR) Procedimento de aproximação por instrumento (IAC) Pouso Figura 7: Etapas de um voo Os procedimentos e as coordenadas dos pontos inseridos no procedimento foram fornecidos pelo Departamento de Controle do Espaço Aéreo (DECEA). As aerovias utilizadas seguiram as rotas pré-determinadas conforme a AIC 27/13 Reestruturação da circulação aérea das Áreas de Controle Terminal (TMA) do Rio de Janeiro e de São Paulo com aplicação do conceito de Navegação Baseada em Performance (PBN). Definiu-se que as aeronaves no estudo voariam procedimentos PBN. Com isso, a aerovia a ser utilizada inicialmente no estudo seria a UZ44, conforme Figura 8. Figura 8: Aerovia utilizada no estudo Fonte: DECEA, 2013 Foram realizadas duas rodadas de simulação. Na primeira simulação, foram analisados os voos sem a presença de formações meteorológicas, seguindo o plano de voo originalmente designado. Na segunda rodada de simulação, foram inseridas formações meteorológicas que impossibilitaram a continuação do voo pela aerovia UZ44 a partir do fixo UMBAD, obrigando 2052

8 as aeronaves a desviarem pela esquerda e ingressarem na aerovia UZ45 a partir do fixo PORNA e continuarem na aerovia até ingressarem nos procedimentos de chegada (STAR) e aproximação (IAC) para pouso na cabeceira 17R, conforme Figura 9. Figura 9: Aerovia utilizada no estudo Fonte: DECEA (2013) Dos voos simulados, o que corresponde a um dia inteiro de voos regulares no Brasil, foram analisados 78 voos ligando as duas rotas, SBGL-SBSP e SBRJ-SBSP, que seriam afetadas com as formações meteorológicas na aerovia UZ RESULTADOS Os resultados de consumo foram apresentados em quilos e o tempo em minutos. 5.1 Rota Aeroporto do Galeão (SBGL) Aeroporto de Congonhas (SBSP) Nessa rota operam as aeronaves A319, A320 e B738 num total de 11 voos. O primeiro voo tem início às 09:48Z e o último voo às 22:28Z. O consumo em bom tempo, em mal tempo e o percentual de perda encontram-se representados na Figura 10. O eixo da esquerda da Figura representa o consumo de combustível e o eixo da direita representa o percentual de perda ,00% 10,00% 8,00% 6,00% 4,00% 2,00% 0,00% Consumo mal tempo Consumo bom tempo Perda Figura 10: Consumo (kg) em mal e bom tempo e perda na rota SBGL-SBSP 2053

9 As perdas devido os desvios pelas condições meteorológicas variaram de 0,30% a 9,87%, com uma perda média de 5,09%. As variações nos níveis de perda são explicadas pelo fato de a aerovia UZ45 ser utilizada por outras aeronaves para outros destinos. Quando a distância entre as aeronaves fica perto dos limites mínimos de segurança, o simulador TAAM automaticamente aplica medidas de separação do tráfego. Essas medidas podem ser a diminuição ou o aumento das velocidades, procedimentos de separação 360º, procedimentos de diferença de níveis de voo, dentre outros. Os procedimentos de separação impactam no aumento do consumo. Os impactos no tempo total encontram-se na Figura 11. O eixo da esquerda representa o tempo quando em condições meteorológicas adversas e com boa meteorologia. O eixo da direita representa o percentual de perda na execução dos voos. 00:57:36 00:50:24 00:43:12 00:36:00 00:28:48 00:21:36 00:14:24 00:07:12 00:00:00 18,00% 16,00% 14,00% 12,00% 10,00% 8,00% 6,00% 4,00% 2,00% 0,00% Perda (%) Tempo meteorologia (min) Tempo Referência (min) Figura 11: Tempo (minutos) em mal e bom tempo e perda na rota SBGL-SBSP Todos os voos foram impactados pelas condições meteorológicas adversas. O tempo de voo foram atrasados de aproximadamente 20 segundos até aproximadamente 8 minutos, sendo a perda média de aproximadamente quatro minutos, representando em percentual de 0,6% a 16,95%, com uma perda média de 8,76%. 5.2 Rota Aeroporto Santos Dumont (SBRJ) Aeroporto de Congonhas (SBSP) Nessa rota operam as aeronaves B737 e A319 num total de 72 voos. O primeiro voo tem início às 00:10Z e o último voo às 23:45Z. O consumo em bom tempo, em mal tempo e o percentual de perda encontram-se representados na Figura 12. O eixo da esquerda da Figura representa o consumo de combustível e o eixo da direita representa o percentual de perda. 2054

10 ,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00% -5,00% -10,00% Consumo mal tempo Consumo bom tempo Perda Figura 12: Consumo (kg) em mal e bom tempo e perda na rota SBRJ-SBSP As variações nos voos foram de -8,74% a 15,38%, com média de 4,01%, representando uma economia de combustível pela mudança de aerovia. Inferências podem ser realizadas no sentido de que a mudança de aerovia representou voar em um espaço aéreo menos saturado, com menos procedimentos de separação entre as aeronaves. Dos 72 voos, 55 voos apresentaram melhora de consumo com os desvios. O tempo total dos voos encontra-se na Figura 13. O eixo da esquerda representa o tempo quando em condições meteorológicas adversas e com boa meteorologia. O eixo da direita representa o percentual de perda na execução dos voos. 00:50:24 25,00% 00:43:12 20,00% 00:36:00 15,00% 00:28:48 10,00% 00:21:36 5,00% 00:14:24 0,00% 00:07:12-5,00% 00:00:00-10,00% GLO1001 GLO1007 GLO1013 GLO1019 GLO1025 GLO1031 GLO1037 GLO1043 GLO1049 GLO1055 GLO1061 ONE6007 ONE6013 ONE6025 TAM3913 TAM3919 TAM3925 TAM3931 TAM3937 TAM3943 TAM3949 TAM3955 TAM3961 Figura 13: Tempo (minutos) em mal e bom tempo e perda na rota SBRJ-SBSP 2055

11 As variações de tempo foram de aumento de aproximadamente perda de três minutos a economia de aproximadamente de nove minutos, representado perdas de -6,37% a ganhos de 21,64%. O ganho de combustível também se materializou no ganho em economia da execução da rota. 5. CONCLUSÃO A meteorologia exerce enorme impacto na aviação. As condições de operação e segurança estão diretamente ligadas a meteorologia. Inúmeros acidentes aeronáuticos tiveram como fatores principais ou contribuintes a meteorologia. O objetivo do artigo foi analisar os impactos do mal tempo no consumo de combustível e no tempo de voo. Através da utilização da simulação em tempo acelerado, simulou-se que os voos interligando os do Galeão e Santos Dumont à Congonhas, com o fechamento da aerovia UZ44 e prosseguimento do voo pela aerovia UZ45. Os resultados mostraram que as perdas estão ligadas aos horários dos voos e a nova rota escolhida. Na rota Galeão-Santos Dumont, todos os voos foram impactados com o aumento do consumo e do tempo de voo. Na rota Santos Dumont-Congonhas as aeronaves apresentaram melhora de consumo indicando que a nova rota foi mais benéfica para as aeronaves, do que a rota obrigatória pelos órgãos de controle. Novos estudos devem focar nas combinações de rotas em determinados períodos objetivando a economia de combustível. No estudo, a função aleatoriedade foi desativada, fazendo com que os voos decolassem sempre no horário previsto. Porém, o sistema aeronáutico é marcado por atrasos, que impactariam no consumo da aeronave quando voando no sistema. Novos estudos devem abordar os atrasos nas decolagens. Por fim, mais importante que a economia é a segurança de voo. A otimização dos meios serve para melhorar a operacionalidade das empresas quando as condições assim o permitem, porém quando necessário, o piloto deve sempre ter a liberdade para evitar formações meteorológicas ou alternar para outros aeroportos, protegendo o maior bem que ele transporta: a vida de seus passageiros. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ANAC Agência Nacional de Aviação Civil. (2013). Anuário do Transporte Aéreo - Dados Estatísticos e Econômicos de ANAC Agência Nacional de Aviação Civil. (2014). Horário de Transportes (HOTRAN). Craig, C. (2012). Improving flight condition situational awareness through Human Centered Design. Work- Journal of Prevention Assessment and Rehabilitation, 41, DECEA Departamento de Controle do Espaço Aéreo. (2013). AIC 27/13 - Reestruturação da circulação aérea das áreas de Controle Terminal (TMA) do Rio de Janeiro e de São Paulo com aplicação do conceito de navegação baseada em performance (PBN): DECEA Departamento de Controle do Espaço Aéreo. (2013). Carta de Aeródromo (ADC). Hyams, D. S. (1999). Observations of aircraft proximity to weather for use in rerouting decision aids. Dissertação de Doutorado. MIT. Krozel, J., Mitchell, J. S., Polishchuk, V., & Prete, J. (2007, August). Capacity estimation for airspaces with convective weather constraints. In AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference. 2056

12 Kulesa, G. (2003). Weather and aviation: How does weather affect the safety and operations of airports and aviation, and how does FAA work to manage weather-related effects?. In The Potential Impacts of Climate Change on Transportation. MCKINSEY COMPANY (2010). Estudo do Setor de Transporte Aéreo do Brasil. Rio de Janeiro. ROCKWEEL-COLLINS (2014). Annual report Daniel Alberto Pamplona Instituto Tecnológico de Aeronáutica. Praça Marechal Eduardo Gomes, São José dos Campos, SP - Brasil 2057