Depeaking – economic optimization of air traffic systems

More than half of all flights in and out of Frankfurt International Airport are conducted by Lufthansa airlines, as it is one of their two major hubs. The so called hub and spokes systems allow airlines to bundle major passenger flows via connecting flights across the in- and outbound traffic. The reliability of these transfer connections, and specifically the arrival punctuality at the hub airports are crucial to the economics of the daily operation.Since Frankfurt International Airport has lately been one of the most congested airports in Europe, delays (in particular arrival delays) have increased quite significantly throughout the last years. To compensate for additional queueing time in the arrival processes, the scheduled block times inbound Frankfurt were continuously adjusted upwardly keeping the arrival punctuality (and thereby the connection reliability) close to stable. The two disadvantages of this approach have been the decrease in aircraft productivity and over-deliveries in peak hours, which in turn induce either additional block time delay or ground delay programs inbound Frankfurt.This paper introduces an iterative stochastic-simulation approach that models the vicious circle of lengthening block times and increased over-deliveries. In a second step it quantifies the operational and economical effects of depeaking the schedule and illustrates the overall growth potentials for the depeaked operation of the airport. The schedule was successfully implemented in Frankfurt in summer 2004.     

Critical wake vortex encounter scenarios

A simulation-based method was developed to investigate the severity of Wake Vortex Encounters (WVEs). This paper describes an important part of this method: the determination of worst-case WVE conditions, which is referred to as Worst-Case Search (WCS). The WCS results permit to reduce time and costs of WVE severity related piloted simulator tests and allow the comparison of the hazard that vortices of different generator aircraft exert on a follower aircraft.The WCS is based on a high fidelity, offline simulation of the follower aircraft that includes the interacting wake vortex, a hazard criterion that rates the severity of each WVE, and a pilot model. It can be formulated as an optimisation problem that is solved with the optimisation tool MOPS (Multi Objective Parameter Synthesis). MOPS varies the encounter geometry until the simulation yields maximum values of the WVE hazard criterion.Worst-case encounter conditions for different parameters were investigated and sensitivity studies performed. The influence of the height above ground, the core radius, and the models for the wake vortex velocity profiles on the severity of a WVE was examined. To show the capability of the method, a comparison of the severity of a WVE behind two different heavy transport aircraft for a 20 t aircraft was made. The WCS method demonstrated its applicability and delivered the worst-case encounter geometry.

Zusammenfassung

Zur Untersuchung der Heftigkeit von Wirbelschleppen wurde eine simulationsbasierte Methode entwickelt. Dieser Beitrag beschreibt einen wichtigen Bestandteil dieser Methode: die Bestimmung der ungünstigsten (worst case) Einflugbedingungen in die Wirbelschleppe. Die Kenntnis dieser Bedingungen gestattet eine Zeit- und Kostenreduzierung bei wirbelschleppenbezogenen Simulatorversuchen mit Piloten und ermöglicht gleichzeitig einen Vergleich der vom Wirbel ausgehgehenden Gefährdung für verschiedene Kombinationen voraus- und einfliegender Flugzeuge.Die Worst-Case-Bedingungen werden mit einer Offline-Simulation des Folgeflugzeugs bestimmt, die Modelle für die Wechselwirkung mit der Wirbelschleppe und für das Pilotenverhalten sowie Kriterien für die Gefährdung durch den Wirbel umfasst. Für die Steuerung der Simulation und die Worst-Case-Suche wird die Optimierungssoftware MOPS (Multi Objective Parameter Synthesis) verwendet. MOPS variiert die Geometrie des Wirbelschleppendurchflugs bis die Simulation die maximalen Kriterienwerte für die Gefährdung durch den Wirbel liefert.Die Worst-Case-Bedingungen wurden für unterschiedliche Parameter untersucht. Der Einfluss der Höhe über Grund, des Kernradius' und der unterschiedlichen Modelle für das Wirbelgeschwindigkeitsprofil auf die von den Wirbelschleppen ausgehenden Gefährdung wurde dabei ermittelt. Um die Leistungsfähigkeit der Methode zu demonstrieren, wurde die Gefährdung von Wirbelschleppen zweier generierender Flugzeuge (heavy class) auf ein nachfolgendes 20 t Transportflugzeug verglichen. Die Anwendbarkeit der Methode wurde bestätigt und die ungünstigsten Einflugbedingungen berechnet.