ANALYSES ON A CIVIL AIR TO AIR REFUELING NETWORK IN A TRAFFIC SIMULATION

The project REsearch on a CRuiser Enabled Air Transport Environment (RECREATE) is about the introduction and airworthiness of cruiser-feeder operations for civil aircraft. Cruiser-feeder operations are investigated as a promising pioneering idea for the air transport of the future. The top level objective of the project is to demonstrate on a preliminary design level that cruiser-feeder operations (as a concept to reduce fuel burn and CO2 emission levels) can be shown to comply with the airworthiness requirements for civil aircraft. (The 42-month RECREATE project research receives funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement n° 284741. This publication reflects only the authors' views. The European Union is not liable for any use that may be made of the information contained therein.) Air-to-air refuelling operations are an example of this concept. Currently Air-to-air refuelling operations are primary used to extend range of aircrafts in military operation. However some research has been done in the past to estimate fuel saving capabilities of air-to-air refuelling in both military and civil operations. Most of these estimations give highly positive results on the fuel saving capabilities. Nevertheless these results mainly based on a small number of optimised cases. As part of the primary design in the RECREATE project this paper will discuss air-to-air refuelling operations in a traffic scenario based on Eurocontrol-Data containing one day of traffic over Europe. The effects of different design parameters for the participating aircrafts and the underling air to air refuelling network will be the centre of discussion in this paper

Interference Liability of a civil Air to Air refueling Traffic Network

The project REsearch on a CRuiser Enabled Air Transport Environment (RECREATE) is about the introduction and airworthiness of cruiser-feeder operations for civil aircraft. Cruiser-feeder operations are investigated as a promising pioneering idea for the air transport of the future. The top level objective of the project is to demonstrate on a preliminary design level that cruiser-feeder operations (as a concept to reduce fuel burn and CO2 emission levels) can be shown to comply with the airworthiness requirements for civil aircraft. (The 42-month RECREATE project research receives funding from the European Union Seventh Framework Programme (FP7/2007-2013) under grant agreement n° 284741. This publication reflects only the authors' views. The European Union is not liable for any use that may be made of the information contained therein.) Air-to-air refuelling operations are an example of this concept. Currently Air-to-air refuelling operations are primary used to extend range of aircrafts in military operation. However some research has been done in the past to estimate fuel saving capabilities of air-to-air refuelling in both military and civil operations. Most of these estimations give highly positive results on the fuel saving capabilities. Nevertheless these results mainly based on a small number of optimised cases. As part of the primary design in the RECREATE project this paper will discuss air-to-air refuelling operations in a traffic scenario based on Eurocontrol-Data containing one day of traffic over Europe. With this traffic two main scenarios have been created. The first contains traffic between Europe and America while the other one contains traffic between Europe and Asia. The traffic scenarios used in the paper will exchange current flights due flight with air to air refuelling somewhere on the route. The aircrafts used on these routes will be exchanged to RECREATE specific aircrafts as aircrafts who use air to air refuelling have a much lower design range than the aircrafts they replace. As reference the same routes will be flown by aircrafts without air to air refuelling and a higher design range. These aircrafts have the same efficiency as the RECREATE Aircraft. Also the reference aircrafts will use direct routes while the aircrafts with air to air refuelling will use fuel optimized routes with one or more refuelling operations. The third aircraft type used in the traffic simulation is the Feeder aircraft. The Feeder aircraft will take off from a specific Feeder base and refuel a number of cruiser aircrafts depending on the size of the feeder. The Feeder will then land on the same Feeder base. The main parameters for the Feeder are the Feeder size, the Feeder range and the Feeder efficiency. The Scenario includes 2776 connections between Europe and North-America. In this Transatlantic Scenario 8 Feeder bases have been chosen to serve as take-off and landing airport for the feeder aircrafts. The location of these feeder bases orientates at the optimal refuelling position for these connections. In the simulation the cruiser aircrafts will fly routes where the fuel spend by the cruiser and the fuel spend by the feeder spent on refuelling this cruiser aircraft is minimal. Furthermore the Cruiser will use the same take-off time as the original aircraft in the Eurocontrol data. The Feeder aircrafts then will be scheduled according to the cruisers flight plan. With these fuel optimized routes the traffic is more centred towards the feeder bases. The whole system depends strongly on reliable services at the feeder bases. This paper will discuss the effect of discontinuances at the feeder bases

ZIVILER FORMATIONSFLUG IM TRANSTALANTIK VERKEHR UND ZWISCHEN EUROPA UND ASIEN. TREIBSTOFFERSPARNIS UND ROBUSTHEIT DES SYSTEMS

Formationsflug ist eine Möglichkeit Treibstoff einzusparen. Das hinten fliegende Flugzeug positioniert sich hierzu in den Aufwindbereichen der Wirbelschleppe des vorausfliegenden Flugzeugs. Diese Methode ist seit langer Zeit bekannt und wird bisher in erster Linie von Vögeln verwendet um weniger anstrengend zu fliegen. Frühere Studien haben ergeben, dass ein folgendes Flugzeug theoretisch bis zu 15% seines aktuellen Treibstoffverbrauchs einsparen kann [1]. In Flugversuchen konnten eine Senkung des Treibstoffverbrauchs 8.8% +- 5% nachgewiesen werden [1]. In weiteren Studien wurden optimale Routen für Formationen untersucht deren Teilnehmer verschiedene Start und Zielflughäfen aufwiesen [2-4]. In einer früheren Studie wurde zudem das Konzept des Formationsflugs auf den Transatlantischen Flugverkehr angewandt und die möglichen Treibstoffeinsparungen abgeschätzt. In dieser Paper wird neben der Transatlantischen Flugverkehr auch der Flugverkehr zwischen Europa und dem Asiatischen Raum betrachtet. Es werden die zentralen Unterschiede der beiden Scenarien herausgestellt und ihre Auswirkungen auf den Nutzen von Formationsflug. In einem letzten Schritt werden die für den Formationsflug optimierten Scenario mit Verspätungen beaufschlagt um deren Auswirkungen auf die Formationsbildung und die Treibstoffersparnis durch Formationsflug zu beschreiben

Untersuchung von Methoden zur Reduktion von Beobachtern bei der Generierung von Lärmoptimierter An- und Abflugverfahren

Zur Generierung lärmoptimierter An- und Abflugverfahren wurde bisher eine vereinfachte sehr schnelle Lärmrechnung verwendet. Diese Berechnungsart ermöglichte es um die 55 tausend Beobachterpositionen für jede Anflugoption zu berücksichtigen. Durch die Vereinfachungen ist es nicht möglich neue lärmminimierte Flugzeugdesgins im Optimierungsverfahren zu berücksichtigen und den Nutzen dieser Flugzeugdesigns auch auf lärmoptimierte Anflugdesigns zu bewerten. Um eine detailliertere Lärmberechnung im bisher verwendeten Optimierungsverfahren zu nutzen müsste die Berechnung der Lärmkosten ähnlich viel Zeit kosten. Um dies zu erreichen müsste die Anzahl der Beobachterpositionen deutlich reduziert werden um eine Größenordnung von 50 Beobachterpositionen zu erreichen. Einige Beobachterpositionen lassen sich durch die Arbeitsweise des Optimierungsverfahrens selbst einsparen da die Kosten dieser Positionen in bestimmten Optimierungsphasen konstant bleiben. Insbesondere in späteren Optimierungsschritten lässt sich die Anzahl der Beobachterpositionen auf 26 Tausend reduzieren. Dies stellt eine deutliche Reduktion dar erreicht aber noch lange nicht die Angestrebte Anzahl an Beobachterpositionen. Daher wurden im zweiten Schritt einfache Mechanismen untersucht um Beobachterpositionen zusammen zu fassen. Diese Zusammenfassungsmethode müssen einfach gestaltet sein um den Zeitgewinn durch die geringe Anzahl an Beobachterpositionen nicht direkt durch die Zeitkosten der Zusammenfassungsmethode aufzubrauchen. Die Anzahl der Beobachterkosten konnte mit auf weniger als 60 reduziert werden. Die resultierenden Lärmkosten zeigten Ähnlichkeiten mit den lärmkosten der Ursprünglichen Methode. Keine der Angewandten Zusammenlegungsmethoden erzielte Lärmkosten die genau genug mit der klassischen Methode übereinstimmen, dass man bei der Nutzung der Zusammenlegungsmethode im Optimierungsverfahren von den gleichen Ergebnissen Ausgehen kann. Entsprechend müssen weitere Methoden untersucht werden um eine genauere Lärmberechnung im Optimierungsverfahren zu ermöglichen um auf diese weise den Nutzen neuer Flugzeugdesigns auf lärmoptimierte Anflugdesigns untersuchen zu können

TREIBSTOFFERSPARNIS DURCH FORMATIONSFLUG IN GROßEN AIR-TRAFIC-SZENARIEN

Formationsflug ist eine Möglichkeit Treibstoff einzusparen. Das hinten fliegende Flugzeug positioniert sich hierzu in den Aufwindbereichen der Wirbelschleppe des vorausfliegenden Flugzeugs. Diese Methode ist seid langer zeit bekannt und wird bisher in erster Linie von Vögeln verwendet um weniger anstrengend zu fliegen. Frühere Studien haben ergeben, dass ein folgendes Flugzeug theoretisch bis zu 15% seines aktuellen Treibstoffverbrauchs einsparen kann [1]. In Flugversuchen konnten eine Senkung des Treibstoffverbrauchs 8.8% +- 5% nachgewiesen werden [1]. In weiteren Studien wurden optimale Routen für Formationen untersucht deren Teilnehmer verschiedene Start und Zielflughäfen aufwiesen. Hierbei wurden mehrere Städtepaarungen untersucht mit bis zu 3 Teilnehmern in einer Formation [2-4]. Die in diesem Paper vorgestellte Studie untersuchte die möglichen Treibstoffeinsparungen durch Formationsflug in einem größeren Verkehrssimulation. Dieses beinhaltet 2 Tage Transatlantischen Verkehrs aus Eurocontrol Daten [5]. Die Flugzeuge in diesem Szenario können Formationen mit bis zu 5 Teilnehmer formen um ihren Treibstoffverbrauch zu senken. Im Folgenden wird beschrieben wie die Trajectorien der einzelnen Teilnehmer bestimmt werden und aus welchen Parametern sich der Treibstoffverbrauch berechnet. Des Weiteren werden die notwendigen Vereinfachungen beschrieben welche zur Simulation des Szenarios nötig waren. Ebenso werden die Bedingungen beschrieben zu denen eine Formation gebildet werden kann. Einen zentralen Teil bildet hierbei die Routenoptimierung der einzelnen Formationen welche detaillierter beschrieben wird. Einen zweiten wichtigen Teil bilden die Auswahlkriterien für ein mögliches Formationsmitglied um nicht sämtliche möglichen Kombinationen Testen zu müssen. Abschließend werden die Ergebnisse der Simulation unter verschiedenen Randbedingungen vorgestellt

PLANUNGSHORIZONTE UND IHRE AUSWIRKUNGEN AUF ROUTEN UND TREIBSTOFFERSPARNISSE IM ZIVILEN FORMATIONSFLUG IM FLUGVERKEHR ZWISCHEN EUROPA-AMERIKA, EUROPA-ASIEN UND INNEREUROPÄISCH

Formationsflug ist eine Möglichkeit Treibstoff einzusparen. Das hinten fliegende Flugzeug positioniert sich hierzu in den Aufwindbereichen der Wirbelschleppe des vorausfliegenden Flugzeugs. Diese Methode ist seit langer Zeit bekannt und wird bisher in erster Linie von Vögeln verwendet um weniger anstrengend zu fliegen. Frühere Studien haben ergeben, dass ein folgendes Flugzeug theoretisch bis zu 15% seines aktuellen Treibstoffverbrauchs einsparen kann [1]. In Flugversuchen konnten eine Senkung des Treibstoffverbrauchs 8.8% +- 5% nachgewiesen werden [1]. In weiteren Studien wurden optimale Routen für Formationen untersucht deren Teilnehmer verschiedene Start und Zielflughäfen aufwiesen [2-4]. In einer früheren Studie wurde zudem das Konzept des Formationsflugs auf den Transatlantischen Flugverkehr angewandt und die möglichen Treibstoffeinsparungen abgeschätzt. Des Weiteren wurden in früheren Studie [5] [6] dieses Konzept auf ein Transatlantik Scenario wie auch auf ein Asien Europa Scenario angewendet und die Auswirkungen näher beschrieben. Zudem wurden die möglichen Treibstoffeinsparungen für mehrere Anwendungsvarianten abgeschätzt. Des Weiteren wurde die Reaktion des Systems auf typische Verspätungen im Luftverkehr analysiert. Dieser Simulationsansatz wird im Folgenden weiter ausgedehnt. Zum auf ein rein Innereuropäisches Scenario um zu betrachten wie gut das Konzept des Formationsflugs Treibstoffersparnisse in einem Raum generieren kann in welchen primär Kurzstreckenverbindungen vorherrschen. Im weiteren Verlauf wird auch der Umgang mit Verspätungszeiten verfeinert. So wird die Simulation um einen „rollenden“ Planungshorizont erweitert. Dieser kann in seinem zeitlichen Abstand zur Simulationszeit angepasst werden und wird in seinen Auswirkungen in Abhängigkeit dieses zeitlichen Abstands und in allen drei Szenarien analysiert

A Modular Experimental Flight Management and 4D Trajectory Generation System for Unmanned Multicopter, Urban Air Mobility Vehicles and Other VTOL Vehicles

This paper describes a modular flight management system for unmanned multicopters, small unmanned fixed wing vehicles, vehicles used in Urban Air Mobility concepts, helicopters and other VTOL vehicles. With the expected growth in traffic of these types of vehicles especially in the urban environment it is necessary to generate reliable precalculated 4D trajectories for these vehicles. Furthermore, some of these vehicles need additional guidance to keep them on the precalculated path. The second central use case for this system is the fast trajectory calculation for fast and real time traffic simulations with a broad variety of vehicles, especially vehicles which are not covered by conventional flight management and trajectory generation systems. To solve these requirements, the system precalculates precise 4D trajectories for classic and experimental mission designs. These trajectories are tested for safety and continuity by a separate module and could then be executed on the corresponding vehicle (or a simulation) with the use of a guidance module. To calculate this huge variety of vehicles with different means of propulsion, the vehicle performance is kept in a separate module. This allows the system to not only work with different vehicle types, but also to switch between different vehicle configurations with considerable changes in the vehicle’s performance and behavior. Some of the targeted vehicles only exist in an earlier design stage or do not provide details performance information. Thus, the performance module is able to work with very simple performance modules based on early design conditions as well as detailed performance models based on exhaustive knowledge of the vehicle’s physical behavior. As the flight behaviors could change between the vehicles and their corresponding performance types, not all vehicles could use the same flight phases. Different parts of the trajectory are designed by different modules which specialize in the design of a specific flight phase. The performance module holds the information which flight phase could be applied on the vehicle and the corresponding boundaries. The system includes conventional flight phase modules for takeoff, cruise and landing and the transition between these phases as well as some specific flight phases, such as following waypoints relative to a moving target. The central trajectory management module then coordinates the different flight phases and ensures a continuous trajectory. This module also adds flight phases where required to guaranty a smooth transition between the different phases

Tanking Strategies for Transatlantic air-to-air refueling operations

The project REsearch on a CRuiser Enabled Air Transport Environment (RECREATE) is about the introduction and airworthiness of cruiser-feeder operations for civil aircraft. Cruiser-feeder operations are investigated as a promising pioneering idea for the air transport of the future. The top level objective of the project is to demonstrate on a preliminary design level that cruiser-feeder operations (as a concept to reduce fuel burn and CO2 emission levels) can be shown to comply with the airworthiness requirements for civil aircraft. (The project is funded through the Seventh Framework Programme of the European Commission.) Air-to-air refuelling operations are an example of this concept. Currently Air-to-air refuelling operations are primary used to extend range of aircrafts in military operation. However some research has been done in the past to estimate fuel saving capabilities of air-to-air refuelling in both military and civil operations. Most of these estimations give highly positive results on the fuel saving capabilities. Nevertheless these results mainly based on a small number of optimised cases. As part of the primary design in the RECREATE project this paper will discuss air-to-air refuelling operations in a traffic scenario based on the Star Alliance transatlantic flight schedule for one day in December. Adapted from these flight routes the location and criteria for useful tanker bases will be discussed. Continuative different Tanking strategies will be designed for this scenario. The focus will lie on the fuel savings which can be achieved with different Tanking strategies and which will be estimated in a traffic simulation. Furthermore the Tanker workload during the day on each Tanker base used in this scenario will be identified. Thus the necessary number of Tankers on each base could be appraised. To archive these different tanking strategies, different tanker dimensions, different cruiser aircrafts as well as different durations for the refuelling operation will be taken into account in this paper. In Result the most promising cases will be used for more detailed analysis within the RECREATE project

Formation generation in huge traffic scenarios

Various research has shown that aircraft could save fuel while flying in close formation. Hence a huger traffic simulation should benefit from the introduction of formation flight. Nevertheless the number of possible combination in a huger scenario puts limits on the scenario size as well as on the size of a single formation. This paper presents a method to select possible members for a formation from all aircraft in a scenario. Up to 5 of these possible members the most beneficial formation will be selected. In the process all aircraft in a scenario will be assigned to formations until no more benefits could be achieved. This paper will describe the selection method in detail as well as the optimization method for each formation. The boundary condition of the optimization process will be discussed as well. Finally this paper will show the results of these processes in a transatlantic scenario which include 2776 flights over 48 hours. The results will show the fuel savings in the scenario and the effect of different conditions on the formation (only same type of aircraft in one formation) and on the aircraft timing (takeoff time could be adjusted or remain fixed). Thus this paper could give estimation on how much fuel formation flight could save in today air traffic system

Benefits and challenges of a civil air to air refuelling network analysed in a traffic simulation

The project REsearch on a CRuiser Enabled Air Transport Environment (RECREATE) is about the introduction and airworthiness of cruiser-feeder operations for civil aircraft. Cruiser-feeder operations are investigated as a promising pioneering idea for the air transport of the future. The top level objective of the project is to demonstrate on a preliminary design level that cruiser-feeder operations (as a concept to reduce fuel burn and CO2 emission levels) can be shown to comply with the airworthiness requirements for civil aircraft. (The project is funded through the Seventh Framework Programme of the European Commission.) Air-to-air refuelling operations are an example of this concept. Currently Air-to-air refuelling operations are primary used to extend range of aircrafts in military operation. However some research has been done in the past to estimate fuel saving capabilities of air-to-air refuelling in both military and civil operations. Most of these estimations give highly positive results on the fuel saving capabilities. Nevertheless these results mainly based on a small number of optimised cases. This paper will discuss the effect of the introduction of air-to-air refuelling operations in the civil air transportation system. A traffic scenario based on Eurocontrol-Data containing one day of traffic over Europe serves as basis for a transatlantic Scenario. The traffic scenarios used in the paper will exchange current flights due flight with air to air refuelling somewhere on the route. The aircrafts used on these routes will be exchanged to RECREATE specific aircrafts as aircrafts who use air to air refuelling have a much lower design range than the aircrafts they replace. As reference the same routes will be flown by aircrafts without air to air refuelling and a higher design range. These aircrafts have the same technology level as the RECREATE Aircraft. Also the reference aircrafts will use direct routes while the aircrafts with air to air refuelling will use fuel optimized routes with one or more refuelling operations. The third aircraft type used in the traffic simulation is the Feeder aircraft. The Feeder aircraft will take off from a specific Feeder base and refuel a number of cruiser aircrafts depending on the size of the feeder. The Feeder will then land on the same Feeder base. The main parameters for the Feeder are the Feeder size, the Feeder range and the Feeder efficiency. The Scenario includes 2776 connections between Europe and North-America. In this Transatlantic Scenario 8 Feeder bases have been chosen to serve as take-off and landing airport for the feeder aircrafts. The location of these feeder bases orientates at the optimal refuelling position for these connections. The resulting fuel savings will be shown as the main benefits for air to air refuelling in the traffic system. The driving parameters on the fuel savings will be shown. Furthermore the paper will show the differences in routings with high concentration at the feeder bases and the effects of the main parameters on the network. Thus the traffic loads on the feeder bases will be part of the analyses