LA SICUREZZA DELLE PISTE AEROPORTUALI


di Paolo Presi


Nell’ambito della sicurezza aeroportuale il problema della sicurezza delle pisteper il decollo e l'atterraggio di aeromobili riveste un aspetto di primaria importanza, in particolare quello connesso alle procedureriguardanti il decollo e l’atterraggio.

Da un’analisi statistica condotta nel decennio 1980-1990dall’Università di Catania, seppur datata ma valida ancor oggi, si evince che a fronte di una durata complessiva delle operazioni didecollo e di atterraggio pari al 2% della totale fase di volo si riscontra un tasso di incidentalità pari al 45%; per contro, allafase di crociera che, temporalmente, rappresenta il 60% delle operazioni di volo nel loro complesso, è associata una percentualedi incidenti pari solo al 6%.

In questa relazione vengono analizzati criticamente quei fattori da cuisi possono evincere le principali condizioni di rischio afferenti a tali manovre.

Gli aspetti più significativi presi in esame riguardano principalmente:


  1. La tessitura superficiale della pista.

  2. Le caratteristiche dei pneumatici.

  3. Le condizioni della pista (presenza di detriti e/o contaminanti).

  4. Gli effetti del getto dei gas di scarico dei motori.

  5. La distribuzione dei carichi che gravano sulla pavimentazione della pista.

  6. Gli effetti dei dispositivi di frenaggio.


Tessitura superficiale

Le piste per l’involo e l’atterraggio devono soddisfare trerequisiti principali:


  1. Offrire una adeguata funzione portante.

  2. Facilitare il rotolamento.

  3. Presentare una buona aderenza.


La prima funzione è assolta dalla consistenza della struttura dellapavimentazione, la seconda e la terza dalla conformazione e dalla tessitura superficiale della pista. Questo ultimo aspetto risultaessere il più importante in quanto ha un’incidenza diretta sulla sicurezza del suo utilizzo nonché sulla sua regolarità edefficacia.

Un fattore a cui è necessario considerare con particolare attenzione èla presenza di strati superficiali gommosi presenti sulla pavimentazione. Questa situazione risulta essere particolarmentecritica per le condizioni di aderenza della pista al punto tale che, quando i residui gommosi depositatisi superficialmente fanno scendereil Coefficiente di Aderenza µ al di sotto dei valori di riferimento, viene a rendersi necessariaun’azione di rimozione, o come in gergo si dice, di sgommatura delle superfici interessate, in genere quelle attinenti al contattodei pneumatici con la pista nella fase del touch-down.

Il coefficiente di aderenza è rappresentato dal rapporto tra la forzadi aderenza esercitata dall’interfaccia pneumatico-pavimentazione nella direzione del piano di simmetria della ruota ed il caricoverticale trasmesso dalla ruota stessa sulla pavimentazione. Questo coefficiente viene misurato a ruota bloccata e realizzando sullasuperficie in esame un velo idrico di assegnato spessore (di solito 0.5 ÷ 1 mm).

Secondo le norme ICAO (International Civil Aviation Organization ) esiste una netta correlazione tra il coefficiente di aderenza e l’azione frenante,indicata nella seguente tabella 1.


COEFFICIENTE DI ADERENZA µ

AZIONE FRENANTE STIMATA

CODICE

0.4 o superiore

buona

5

0.39 ÷ 0.36

da media a buona

4

0.35 ÷ 0.30

media

3

0.29 ÷ 0.26

da media a insufficiente

2

0.25 o inferiore

insufficiente

1

Tab. 1: Correlazione tra il coefficiente di aderenza µ e l’azionefrenante.


Il grafico riportato nella Fig. 1 è relativo ad una serie dimisurazioni condotte presso le piste 16L-34R, 07-25, 16R-34L dell’aeroporto Leonardo Da Vinci di Fiumicino. Tale graficoevidenzia come il coefficiente di aderenza subisca, nella prima parte delle piste, una brusca diminuzione raggiungendo valori compresi tra0.36 e 0.39 (1° Terzo in figura, ove cioè avviene il touch-down). Il motivo di tale diminuzione va ricercato nel fatto che in taliaree, nel tempo, vengono a depositarsi sottili strati di gomma dovuti all’impatto dei pneumatici.


Fig. 1: Valori dei coefficiente di aderenza µ prima del trattamento di sgommatura (fonte: Aeroporti di Roma).


La successiva Fig. 2 rappresenta il miglioramento del coefficiente diaderenza dopo il trattamento di sgommatura.


Fig. 2: Valori dei coefficienti di aderenza dopo il trattamento di sgommatura (fonte: Aeroporti di Roma).


La Fig. 2 mette in evidenza l’incremento dei valori dei coefficientidi aderenza a seguito del trattamento di sgommatura.

Le tecniche utilizzate per tale operazione sono diverse e si basano sulprincipio di non-alterazione delle caratteristiche meccanico-strutturali del conglomerato, sia esso bituminoso siacementizio, che costituisce il manto superficiale.

Il livello e la velocità del deposito varia in funzione di moltifattori, come le condizioni atmosferiche, la frequenza degli atterraggi e la sollecitazione dinamica conseguente all’impatto concui i pneumatici toccano la pista.

Ad esempio in quei aeroporti idonei all’atterraggio dei velivoli pesanti, cosiddettiwide-bodies, ogni pneumatico depone sul manto fino 2.5 lbs di gomma.

Ad esempio, il velivolo Boeing 747 che installa ben 18 pneumatici all’atterraggio puòlasciare sulla pista, nell’area di contatto, qualcosa come 45 lbs di gomma.

Se in un aeroporto internazionale atterrano 100 velivoli al giornol’organo federale americano, la Federal Aviation Administration (FAA), raccomanda un controllo del deposito ogni mese in accordo alla Tabella 2.




Numero di atterraggi giornalieri minimo

per ogni testata pista (velivoli commerciali).

Intervallo minimo di controllo

dello stato superficiale

meno di 15

1 anno

da 16 a 30

6 mesi

da 31 a 90

3 mesi

Da 91 a 150

1 mese

Da 151 a 210

2 settimane

Oltre 210

1 settimana


Tab. 2: Recommendations from FAA AC 150/5320-12C.

Quando le micro e le macro porosità del conglomerato vengono riempite dadepositi di gomma come visibile nella Fig. 3 si rende necessario l’intervento di sgommatura.

Fig. 3: Depositi di gomma che riempiono le porosità dello strato superficiale della pista riducendone l’aderenza.


Per questo intervento uno dei sistemi più impiegati, sicuramente il menoinquinante, utilizza acqua calda vaporizzata ad alta pressione (a 700÷1500 bar secondo le condizioni della pista) spruzzatadirettamente sulla superficie del manto, senza additivi chimici che potrebbero compromettere le caratteristiche dello stesso. Gli esitidi tale operazione sono visibili in Fig. 4.


Fig. 4: Strato superficiale della pista dopo lavaggio con acqua in pressione a 700 bar. E’ rilevabile una perfetta pulizia senza apportare danni allo strato superficiale con ristabilendo di una buona aderenza.


Il macchinario utilizzato consiste in un autocarro semovente,equipaggiato anteriormente con delle spazzole controrotanti ad alta velocità che vengono investite da un getto di acqua vaporizzata apressione ed ad alta temperatura, prodotto da un impianto installato a bordo dell’autocarro. L’autocarro rimorchia una cisterna da cuipreleva l’acqua di pulizia (Fig. 5).



Fig. 5: Autocarro semovente per la pulizia (fonte: Hammelmann).


Fig. 6: Gruppo spazzole (fonte: Hammelmann).


Il liquame che si forma durante il processo è immediatamente aspirato eraccolto nel semovente e, a sua volta, travasato in idonee cisterne che si alternano nel collegamento con il semovente per smaltire ilprodotto e consentire il rifornimento di altra acqua. L'intero gruppo percorre la pista a bassissima velocità (praticamente a passod'uomo).

Una cisterna scarica il prodotto presso un depuratore dove viene opportunamente smaltitosecondo quanto stabilito dalle norme vigenti in materia.

Un sistema molto pratico per la rimozione dei soli oggetti estranei (detriti) presentinelle zone di transito degli aeromobili è stato progettato dalla ditta americana FOD BOSS.

Si tratta di una sorta di rastrelli multistadio che, muovendosi trainatida un automezzo, intercettano lungo il percorso qualsiasi oggetto estraneo presente sulla pavimentazione (Fig.7).

La velocità di movimentazione è di tutto rispetto per i tempi dipulizia essendo pari a 25 mph (40 Km/h).


Fig. 7: Sistema di raccolta a rastrelli multistadio (fonte: Fod Boss).


Possono essere impiegati in più combinazioni (Fig. 8) il tutto all'insegnadell'economicità di esercizio.


Fig. 8: Varie possibili soluzioni (fonte: Fod Boss).


Caratteristiche dei pneumatici

Quando un aeromobile affronta le manovre sulla pista esso si comporta, atutti gli effetti, come un veicolo terrestre e, come tale, affida ai pneumatici una serie di compiti precisi e cioè:

1. Sviluppare forze di reazione tangenziali sia longitudinalmente e, in casi particolari, trasversalmente.

2. Sostenere il peso del velivolo.

3. Assorbire le irregolarità della superficie della pista.

4. Sopportare le brusche variazioni di sollecitazione che si hanno in fase di atterraggio, allorquando, in rapidasequenza, si verificano la toccata ed il rotolamento sulla pista.


I moderni velivoli commerciali installano tutti pneumatici ad altapressione (200 psi - 14 atmosfere circa).

L’utilizzo di tale tipo di pneumatici rende minima la larghezza della ruota edoccupano uno spazio ridotto, pertanto quando il carrello viene retratto, esso può essere adeguatamente alloggiato all’internodella fusoliera. Inoltre i pneumatici ad alta pressione presentano una considerevole resistenza.

Questa proprietà risulta particolarmente importante soprattutto se si fariferimento alle fasi finali della corsa di decollo ed alle fasi iniziali della corsa di atterraggio, durante le quali, per le elevatevelocità di rotazione, vengono generate considerevoli sollecitazioni di trazione sui pneumatici.

A tali velocità, i pneumatici a bassa pressione tenderebberorapidamente al collasso sia a causa dell’inevitabile fenomeno delle vibrazioni, sia a causa del riscaldamento e della possibilità di unaseparazione di brandelli di battistrada.

Da un punto di vista costruttivo, il pneumatico aeronautico ricorda molto da vicino quellostradale, essendo anch’esso costituito da una struttura toroidale elastica di caucciù vulcanizzato, formata dalla carcassa e dalbattistrada.

La carcassa è costituita da fili in acciaio, intrecciati e sovrapposti a strati.Sopra la carcassa vengono applicati 25 mm circa di gomma pura, più tre strati di tela intrecciata a fusione nella gomma. Al di sopra diquesta c’è quello che è comunemente considerato "il battistrada". Gli ultimi tre strati di tela non concorrono allarobustezza della gomma, la loro utilità è solamente a livello visivo, per tenere sotto controllo l’usura del pneumatico quando ilbattistrada si consuma.

Si deve tuttavia notare che, proprio nella conformazione del battistrada, si riscontrano ledifferenze più significative con i pneumatici adottati negli attuali mezzi stradali.

Infatti, mentre nei battistrada di questi ultimi vengono ricavate particolariscolpiture, aventi il compito di ottimizzare determinate caratteristiche (come l'aderenza longitudinale e trasversale incondizioni di strada bagnata, la silenziosità, le prestazioni alle alte velocità, ecc.), i battistrada dei pneumatici aeronauticipresentano in genere, come si evince dalla figura 9, una serie di scanalature circolari, le quali garantiscono un limitato effettodrenante nella situazione di pista bagnata.


Fig. 9: Pneumatico per aereo


Condizioni della pista

La situazione atmosferica che determina le condizioni della pista ha unanotevole influenza sul coefficiente di aderenza come risulta evidente nel grafico riportato nella Fig. 10.



Fig. 10: Andamento del coefficiente di aderenza µ al variare delle condizioni della pista.


Da questo grafico si evince come il coefficiente di aderenza decrescarapidamente dalla condizione di pista asciutta a quando è bagnata o addirittura ghiacciata.

Altro aspetto che determina le condizioni della pista riguarda la presenzasulla stessa di elementi estranei che possono provocare situazioni potenziali di pericolo.

Tali elementi vengono identificati nell’Annex 14 dell’ Airworthiness Technical Manual emesso dall’ICAO e classificati come detriti e contaminanti.

In questo documento i termini “contaminanti” e “detriti” sonousati con i seguenti significati.

Un contaminante è un deposito sulla pavimentazione della pista di neve, fango, ghiaccio,acqua, polvere, sabbia, olii e grassi.

I detriti sono invece dei veri e propri frammenti di materiale, come sassi,carta, gomma, legno, metallo e frammenti di pavimentazione, l’effetto dei quali può provocare seri danni ai velivoli, se non addiritturadisastri.

Nella terminologia specialistica tale problema è denominato “rischio FOD”, acronimodi Foreign Object Damage, cioè danno provocato da oggetto estraneo.

Sulle piste aeroportuali poi si possono trovare oggetti di ogni tipo, di solito persi dai velivoli (o ancheda mezzi terrestri) che transitano su di esse. Si possono trovare anche detriti conseguenti allo sfaldamento del manto superficiale.

Uno studio francese sui sistemi di rilevamento automatico di FOD (Workshop EUROCONTROL, del giugno 2008)rilevò che il 60% del materiale rinvenuto era di natura metallica, il 18% era costituito da frammenti in gomma, mentre la parterimanente da materiale indistinto di varia natura.

L’adozione in ambito aeroportuale di specifiche procedure operative, procedureche prevedono ispezioni e pulizie periodiche delle aree particolarmente sensibili, possono solo diminuire i rischi di FOD manon risolvono totalmente il problema poiché l'incidenza di eventi occasionali sono prevedibili possono determinare situazioni anchedrammatiche come quella del disastro del Concorde.


L’effetto del getto dei gas di scarico

Altro elemento importante per la manutenzione delle piste va ricercatonell’azione dei gas di scarico caldi dei motori a getto che impattano il manto superficiale delle piste. Per questo motivo lapavimentazione deve rispondere a precisi requisiti di stabilità.

E’ necessario però evidenziare che il tempo di esposizione al getto deigas è relativamente breve per cui le pavimentazioni non hanno il tempo di riscaldarsi eccessivamente.

Quando un velivolo percorre la pista di decollo muovendosi ad alta velocitàil tempo di esposizione è così breve che l’incremento di temperatura è del tutto trascurabile. Ne consegue che i gas caldicostituiscono un “rischio termico” solamente nei primi 100-150 metri della pista e nella parte finale, laddove cioè inizia la fasedi rotazione. Riguardo alla temperatura dei gas emessi dai motori a getto si può ritenere che essa tende a ridursi significativamente acausa della diffusione dei gas medesimi nello spazio circostante; tuttavia, quando il flusso gassoso raggiunge la pavimentazione, lasua temperatura è ancora intorno ai 250 ÷ 350°C e la sua velocità si aggira intorno a diverse decine di metri al secondo comerappresentato nella Fig. 11.


Fig. 11: Azione del getto gassoso sulla pista.

La distribuzione dei carichi

Per una visione completa delle problematiche afferenti alla sicurezza inambito aeroportuale occorre considerare i carichi dinamici che vengono trasmessi, attraverso le ruote dei velivoli, allapavimentazione e conseguentemente al terreno sottostante.

A questo proposito è stato preso in esame un campione significativo di aeromobili appartenenti ad un ideale parco velivoli commerciali internazionale aventi differenti caratteristiche, come peso a vuoto,peso massimo al decollo, peso massimo all’atterraggio, pressione di gonfiaggio dei pneumatici, lunghezza di decollo e di atterraggio, ela configurazione dei diversi tipi di carrello.

Dall’elaborazione dei dati relativi al campione preso in esame si deduce come nelle trefasi operative si abbia una variazione della distribuzione dei carichi, sintetizzabili nei campi di variabilità riportati nellaTabella 3.


FASI OPERATIVE

CARICO MINIMO

CARICO MASSIMO

A VUOTO

10.000 Kg

50.000 Kg

DECOLLO

20.000 Kg

100.000 Kg

ATTERRAGGIO

20.000 Kg

80.000 Kg


Tab.3: Distribuzione dei carichi in funzione delle fasi operative.


Se dunque si osserva che in fase di atterraggio le condizioni di caricovariano entro un intervallo abbastanza ampio (20t÷80t) ci si rende conto che il coefficiente di aderenza µ non deve essere consideratocome un numero atto a descrivere una capacità di aderenza applicabile a tutte le classi di velivoli, ma essendo l’entitàdelle forze frenanti tangenziali fortemente condizionata da una notevole variabilità dei carichi normali, si evince che la qualitàdell’azione frenante è definibile prendendo in considerazione il valore medio del coefficiente di aderenza longitudinale rilevatosulla pista.


I dispositivi di frenatura


Per quanto sopra esposto è opportuno fare alcune considerazioni suiprincipali dispositivi di frenatura di cui è dotato un moderno aeromobile, che sono:

  1. Freni aerodinamici.

  2. Freni meccanici + anti-skid.

I freni aerodinamici hanno lo scopo di aumentare la resistenzaaerodinamica all’avanzamento, azione che va ad aggiungersi all’azione dei freni meccanici applicati alle ruote. Lo stessodicasi per l’azione frenante derivata dagli inversori di spinta (riverse) che sono in effetti dei veri e propri freni aerodinamici poiché sfruttano laresistenza aerodinamica all’avanzamento generata dai getti di scarico dei motori deviati verso l’alto e il basso.

L’altro dispositivo di frenatura è rappresentata dal complesso costituitodai freni meccanici applicati alle ruote e dal sistema anti-skid.

La forza di frenatura varia con la velocità del velivolo e dipendedalle condizioni superficiali della pista, dal carico sui pneumatici e dall’abilità del pilota. In ultima analisi la fase finaledell’atterraggio è condizionata dalle modalità operative con cui vengono applicate e distribuite le forze frenanti e dallecaratteristiche di aderenza della pista.

FOD in pista

E’ necessario ribadire come il rischio FOD debba essere gestito preventivamentesecondo precise procedure aeroportuali dedicate. Purtroppo non sempre la prevenzione può far fronte a tale rischio. Detriti sulla pistapossono anche depositarsi in maniera del tutto occasionale vanificando ed eludendo i controlli sistematici di caratterepreventivo. Questo purtroppo è stato il caso che determinò il disastro del Concorde.




Bibliografia


Sascia Canale - Salvatore Leonardi - Francesco Nicosia - Il ruolo dell'aderenza superficiale nella definizione dellecaratteristiche di sicurezza delle piste aeroportualiAtti del Convegno SIIV Cagliari, 1999.

Donna Speidel – Runway Cleaning – Cleaner Times, May 2005.

Christopher Orlebar - The Concord Story - Osprey Publishing, Oxford UK, 2004.

Kev Darling - Concorde - The Crowood Press, Ramsbury-Marlborough UK, 2004.

Frédéric Beniada- Michel Fraile - Concorde - Editions Epa, Hachette-Livre, 2005.