Cruise speed reduction for air traffic flow management
Authors:   , Delgado Muñoz Luis 
Published: October 2023

Avui dia un considerable nombre d’infraestructures del transport aeri tenen problemes de congestió. Aquesta situació es veu empitjorada amb l’increment de trànsit existent i amb la seva densitat deguda al sistema de hub i spoke utilitzat per les companyies aèries. Aquesta congestió es veu agreujada puntualment per disminucions de capacitat per causes com la meteorologia. Per mitigar aquests desequilibris, normalment són implementades mesures de gestió del flux de transit aeri (ATFM), sent el retard a l’aeroport d’origen una de les més utilitzades. Assignant retard previ a l’enlairament, el trànsit d’arribada és repartit durant un interval de temps superior i les arribades es distribueixen. Malgrat això, la predicció de quan aquestes reduccions de capacitat es solucionaran una tasca dificultosa. Això comporta que es defineixin regulacions que són més llargues del necessari i per tant, porta a la realització de retard innecessari i al desaprofitament de capacitat.
La definició de trajectòries precises ofereix noves oportunitats per gestionar aquests desequilibris.
Una tècnica prometedora és la utilització de variacions de velocitat durant el creuer.
Generalment, es considera que volar més lent que la velocitat de màxim abast (MRC) no és eficient.
En aquesta tesis es presenta una nova aproximació. Quan les aerolínies planifiquen els seus vols, consideren el cost del temps junt amb el del combustible. Per tant, és habitual seleccionar velocitats més ràpides que MRC. Així és possible volar més lent de la velocitat de MRC tot mantenint
el mateix consum inicialment planificat. Aquest retard realitzat a l’aire pot ser considerat a la fase pre-tàctica per dividir el retard assignat a un vol en retard a terra i retard a l’aire durant el creuer. Amb aquesta estratègia, el retard és absorbit de manera gradual durant el vol fent servir el mateix combustible que inicialment planificat. Si la regulació es cancel•la abans del que estava planificat inicialment, els vols que estan a l’aire es troben en una situació més favorable per tal de recuperar part del retard.
La present tesis es centra en l’estudi d’aquest concepte. En primer lloc, s’ha realitzat un estudi de la relació entre el combustible utilitzat i el temps de vol quan es modifica la velocitat nominal de creuer. A continuació, s’ha definit i analitzat el retard que pot ser realitzat sense incorre en un consum extra de combustible en l’absència i en la presencia de vent. També s’ha considerat i analitza la influència de triar un nivell de vol diferent del planificat inicialment i la utilització de combustible extra per tal d’obtenir major quantitat de retard. Els resultats mostren que per vols de curt i mitja distància, la quantitat de retard realitzable és d’entorn a 5 minuts, aquesta quantitat augmenta a uns 25 minuts per vols de llarg recorregut. El nivell de vol s’ha identificat com un dels paràmetres principals que afecten a la quantitat de retard que pot ser absorbit a l’aire.
A continuació es presenta l’aplicació de la tècnica a regulacions d’ATFM realistes, i particularment a ground delay programs (GDP). Per tal de mostrar resultats que siguin significatius, els GDPs implementats en 2006 en el espai aeri nord-americà han sigut analitzats. Han sigut detalladament estudiats escenaris als aeroports de San Francisco, Newark i Chicago. Aquests tres aeroports van ser els que van declarar més GDPs durant el 2006 i per la seva situació geogràfica presenten trànsits amb diferents característiques. Per tal de considerar el trànsit s’ha utilitzat dades de la Federal Aviation Administration i característiques aerodinàmiques i de consum realistes provinents d’Airbus.
Finalment, la tesis presenta l’efecte d’utilitzar radis d’exempció en els programes de regulació de trànsit i l’ ús de polítiques de priorització de vols diferents a la utilitzada actualment (ration-byschedule). Per concloure, s’ha realitzat una breu discussió sobre l’impacte d’aquesta estratègia en la gestió del trànsit aeri.
Nowadays, many air transport infrastructures suffer from congestion. This situation is worsened by a continuous increase in traffic, and, traffic density due to hub and spoke systems. Weather is one of the main causes which leads to punctual capacity reduction. To mitigate these imbalances, air traffic flow management (ATFM) initiatives are usually undertaken, ground delay at the origin airport being one of the main ones used. By assigning delay on ground at the departure airport, the arrival traffic is spread out and the arrivals are metered at the congested infrastructure. However, forecasting when these capacity drops will be solved is usually a difficult task. This leads to unnecessarily long regulations, and therefore to the realisation of unnecessary delay and an underuse of the capacity of the infrastructures.The implementation of precise four dimension trajectories, envisaged in the near future, presents new opportunities for dealing with these capacity demand imbalances. In this context, a promising technique is the use of speed variation during the cruise. Generally, it is considered that flying slower than the maximum range speed (MRC) is neither efficient nor desirable. In this dissertation a new approach is presented. When airlines plan their flights, they consider the cost of time along with the cost of fuel. It is therefore common practice to select speeds that are faster than MRC.Thus, it is possible to fly slower than MRC while maintaining fuel consumption as initially planned. This airborne delay can be considered at a pre-tactical phase to divide the assigned air traffic flow management delay between ground and airborne delay. With this strategy, the delay is absorbed gradually during the flight using the same fuel as initially planned, but with the advantage that, if the regulation is cancelled before planned, the flights which are already airborne are in a better position to recover part of their assigned delay.This dissertation focuses on the study of this concept. Firstly, a study of the trade-off existing between fuel consumption and flight time, when modifying the nominal cruise speed, is presented. Secondly, the airborne delay that can be realised without incurring extra fuel consumption is defined and assessed in the absence and presence of wind. The influence of selecting a different flight level than initially planned, and the use of extra fuel consumption to obtain higher delay, are also considered and analysed. Results show that for short and mid-range flights around 5 minutes of airborne delay can be realised, while for longer flights this value increases up to around 25 minutes. The flight level is identified as one of the main parameters which affect the amount of airborne delay realisable.Then, the application of the suggested cruise speed reduction on realistic ATFM initiatives, and, in particular, on ground delay programs (GDP) in the United States, is presented. In order to obtain significant results, the GDPs implemented in North American airspace during 2006 are analysed. Scenarios for San Francisco International, Newark Liberty International and Chicago O'Hare International are studied in detail, as these airports were the ones where the most GDPs were implemented in 2006. In addition, due to their location, they present different traffic behaviours. In order to consider the traffic, Federal Aviation Administration data and the aerodynamics and fuel consumption characteristic form Airbus are used.Finally, the use of radius of exemption in the GPDs and the use of ration policies different from the operative ration-by-schedule, are also analysed. To conclude, a brief discussion about the impact of this speed reduction strategy on the air traffic management is presented.
Hoy en día un número considerable de infraestructuras del transporte aéreo tienen problemas de congestión. Esta situación se ve empeorada por el incremento de tráfico existente y por su densidad producida por el sistema de hub y spoke utilizado por las compañías aéreas. Esta congestión se ve agravada puntualmente por disminuciones de capacidad debidas a causas como la meteorología. Para mitigar estos desequilibrios, normalmente se implementan medidas de gestión del tráfico aéreo (ATFM), siendo el retraso en el aeropuerto de origen una de las más utilizadas. Asignando retraso en tierra previo al despegue, el tráfico de llegada se distribuye durante un intervalo mayor de tiempo y se controlan las llegadas. Pese a esto, la predicción de cuando estas reducciones de capacidad se solventarán es generalmente una tarea compleja. Por esto, se suelen definir regulaciones durante un periodo de tiempo superior al necesario, comportando la asignación y realización de retraso innecesario y el desaprovechamiento de las infraestructuras.
La definición de trayectorias precisas permite nuevas oportunidades para gestionar estos desequilibrios. Una técnica prometedora es el uso de variaciones de velocidad durante el crucero. Suele considerarse que volar más lento que la velocidad de máximo alcance (MRC) no es eficiente.
En esta tesis se presenta una nueva aproximación. Cuando las aerolíneas planifican sus vuelos consideran el coste del tiempo junto con el del combustible. Por consiguiente, es una práctica habitual seleccionar velocidades mas rápidas que MRC. Así es posible volar mas lento que la velocidad de MRC manteniendo el mismo consumo que el inicialmente planificado. Este retraso realizable en el aire puede ser considerado en la fase pre-táctica para dividir el retraso asignado entre retraso en tierra y retraso durante el crucero. Con esta estrategia, el retraso es absorbido de manera gradual durante todo el vuelo utilizando el mismo combustible que el planificado inicialmente por la compañía. Esta estrategia presenta la ventaja de que los vuelos que están en el aire se encuentran en una situación mas favorable para recuperar parte del retraso que tenían asignado si la regulación se cancela.
En primer lugar se ha realizado un estudio de la relación existente entre el combustible usado y el tiempo de vuelo cuando la velocidad de crucero es modificada. A continuación, se ha definido y analizado el retraso que se puede realizar sin repercutir en el consumo en la ausencia y en la presencia de viento. También se ha considerado la influencia de elegir un nivel de vuelo diferente al planificado y el uso de combustible extra para incrementar el retraso. Los resultados muestran que para vuelos de corto y medio alcance, la cantidad de retraso es de en torno a 5 minutos, esta cantidad aumenta a unos 25 minutos para vuelos de largo recorrido. El nivel de vuelo se ha identificado como uno de los parámetros principales que afectan a la cantidad de retraso que puede ser absorbido.
Seguidamente se presenta la aplicación de esta técnica en regulaciones de ATFM realistas, y en particular de ground delay programs (GDP). Con el objetivo de mostrar resultados significativos, los GDPs definidos en 2006 en el espacio aéreo norteamericano han sido analizados. Han sido estudiados en detalle escenarios en los aeropuertos de San Francico, Newark y Chicago. Estos tres aeropuertos fueron los aeropuertos que implementaron m´as GDPs en 2006 y por su situación geográfica presentan tráficos con diferentes características. Para considerar el tráfico se han utilizado datos de la Federal Aviation Administration y características aerodinámicas y de consumo provenientes de Airbus.
Finalmente, se presenta el efecto de usar radios de exención en los GDPs y el uso de políticas de priorización de vuelos diferentes a la utilizada actualmente (ration-by-schedule). Para concluir se ha realizado una breve discusión sobre el impacto de esta estrategia en la gestión del tráfico aéreo.