Aplicación de control óptimo al estudio de la trayectoria de un avión comercial

Abstract

El sector aeronáutico es un entorno altamente competitivo, en el que cientos de líneas aéreas intentan hacerse con un nicho de mercado a diario. Por este motivo para las compañías resulta imprescindible establecer métodos que controlen los costes operacionales en todas las facetas de su actividad. Esta necesidad se ha visto incrementada de manera dramática en los últimos años con el aumento del precio del combustible. En este tipo de políticas de ahorro deben considerarse todos los aspectos de la aerolínea, desde los puramente económicos, la gestión del marketing, las programaciones de las tripulaciones, la operación de vuelo, las cuestiones de ingeniería, el mantenimiento y el estado técnico de las aeronaves. A pesar de esto siempre debe ser un objetivo prioritario la seguridad operacional de las aeronaves. En los últimos años el coste operacional de una aerolínea se ha visto incrementado por su relación directa con la escalada de precios del combustible. Esto ha generado un gran interés entre las compañías aéreas por reducir la factura económica de este. También ha de tenerse en cuenta que la sociedad está cada vez más concienciada con el medio ambiente, y teniendo en cuenta el crecimiento del 5,2% anual del tráfico aéreo, resulta de gran relevancia la reducción de las emisiones contaminantes. Esto pasa principalmente por reducir el consumo de las aeronaves en todas sus fases de vuelo. Las mejoras en la gestión del tráfico aéreo son las que mayores reducciones en el consumo de combustible y emisiones pueden producir de toda la industria, por eso es de vital importancia el diseño de rutas aéreas lo más acertadas posible y gestionar los niveles de vuelo óptimos en cada momento. Hay tres factores principales a tener en cuenta a la hora de minimizar el consumo de combustible durante el v La altitud de vuelo debe ser aquella que nos permita recorrer un mayor número de kilómetros por unidad de combustible consumida, para un peso y velocidad determinados.  La velocidad debe ser objeto de estudio, se debe valorar tanto el coste de combustible consumido, el cual se minimizaría volando a velocidad de máximo alcance, como el valor del tiempo para cada trayecto o tipo de recorrido.  Se debe realizar la elección de la ruta adecuada en función de los vientos y las restricciones impuestas por los controladores aéreos. Así pues, en el presente proyecto se pretende aplicar estrategias de control óptimo a un avión comercial, con el fin de calcular trayectorias más adecuadas desde el punto de vista de ahorro de combustible. Se trata de uno de los campos más importantes desde el punto de vista de ahorro energético puesto que la fase de crucero es la más larga del vuelo y los ahorros que se consiguen son los más significativos. Para ello, se realizará el estudio de distintas rutas aéreas y se procederá a su optimización mediante el método de optimización global denominado programación dinámica. Dicho método requiere del conocimiento de información futura, pero presenta una gran ventaja frene al resto de métodos de control puesto que es capaz de resolver problemas de optimización de cualquier complejidad sin necesidad de cambiar su algoritmo. Por tanto, es capaz de hallar una solución óptima al problema de forma robusta, a pesar de la gran complejidad matemática del problema planteado. Se ha abordado la formulación del problema de control óptimo bajo distintas condiciones de contorno, los cuales influirán en los resultados obtenidos en mayor o menor medida. Es posible considerar la influencia del viento, tanto de la velocidad como del ángulo de incidencia, sobre la mecánica del vuelo de la aeronave. También se tendrán en cuenta las restricciones de las rutas aéreas en las proximidades de los aeropuertos, las cuales vienen impuestas por las cartas de navegación de cada aeropuerto. Por último se llevara a cabo un análisis exhaustivo tanto de los resultados obtenidos como del impacto económico que podría tener sobre una compañía área.