Così funziona:
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\documentclass{report}
\usepackage{graphicx}
\usepackage{amsmath}
\usepackage{booktabs}
\usepackage{multirow}
\begin{document}
\centering
\begin{tabular}{*{4}{c}}
\toprule
& Segmento & Fase & Frazione\\
\midrule
\multirow{6}*{\rotatebox[origin=c]{90}{Tratta}} & 1-2 & warm-up e decollo & 0.97\\[1ex]
& 2-3 & salita & 0.985\\[1ex]
& 3-4 & crociera & $\exp\left({-\dfrac{R\cdot SFC}{V\cdotp E}}\right)$\\[1ex]
& 4-5 & discesa ed atterraggio & 0.995\\[1ex]
\midrule
\multirow{7}*{\rotatebox[origin=c]{90}{Diversione}} & 5-6 & attesa & 1\\[1ex]
& 6-7 & salita & 1\\[1ex]
& 7-8 & crociera & $\exp\left({-\dfrac{R\cdot SFC}{V\cdot E}}\right)$\\[1ex]
& 8-9 & diversione & 1\\[1ex]
& 9-10 & attesa & $\exp\left({-\dfrac{t_{loi}\cdot SFC}{E}}\right)$\\[1ex]
\bottomrule
\end{tabular}
\end{document}
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\multirow fa quel che può quando le righe della tabella sono tutte della stessa altezza; nel tuo caso bisogna aiutarlo un po’ imbrogliandolo sul numero di righe.