Robust Coupled Optimization of Aircraft Family Design and Fleet Allocation for Multiple Markets

Abstract

Increasing air traffic demand and the resulting climate impact of aircraft are of growing public concern. The requirements for new commercial aircraft can differ significantly for different markets and operators. The design of new aircraft takes into account different markets and operational requirements; the design process is only loosely coupled with the use of these aircraft by operators around the world. The economic and environmental sustainability of commercial aviation requires not only the design of efficient new aircraft, but also closer consideration of the operations and flexibility of these aircraft during the design stage. This can be achieved by coupling the design optimization of multiple aircraft families with the simultaneous allocation of these aircraft in multiple markets. Including operational assignment of aircraft in the design stage can reduce operational inefficiencies, while the design of an aircraft family aims at reducing cost through the use of common components. In order to thoroughly investigate the trade-offs involved in designing efficient, environmentally sustainable aircraft, a coupled robust design optimization involving uncertainties in passenger demand over multiple years of operations was conducted. Results obtained show that the coupled design of aircraft families with the allocation of these aircraft to two distinct markets can significantly reduce fuel burn, operating and acquisition costs compared to existing aircraft. The optimized aircraft also provide higher flexibility and improved performance when compared against aircraft obtained from a robust design optimization approach, where each aircraft is optimized decoupled from the fleet allocation.

L'augmentation de la circulation aérienne et son impacte sur l'environnement sont une préoccupation croissante du publique. Les critères de conceptions de nouveaux appareils commerciaux varient grandement selon le marché et l'opération. La conception de nouveaux appareils tient compte des marchés et des besoins opérationnels mais le processus de design n'est que faiblement couplé aux emploies de ces appareils par les exploitants d'aéronefs à travers le monde. La durabilité économique et environnemental de l'aviation commerciale exige non seulement un appareil économe mais aussi une plus importante considération de comment ses appareils sont utilisés lors de la conception. Pour parvenir à ceci on doit coupler la conception des familles d'avions aux affectations des appareils dans divers marchés. Inclure l'affectation dans le processus de design peut réduire les inefficiences opérationnelles, alors que la conception de famille d'appareils à pour but de réduire les couts en utilisant de assemblages communs. Pour étudier à fond les compromis requis lors d'une conception d'appareils économiquement et environnementalement durable, une optimisation robuste et totalement couplée utilisant des incertitudes de la demande passagère sur plusieurs années d'opérations fut réalisée. Les résultats démontrent que coupler la conception de familles d'avions avec les affectations de ces appareils à deux marchés distincts peut grandement diminuer la consommation d'essence, les couts d'opérations et d'acquisitions comparés aux appareils existants. Les appareils optimisés permettent une plus grande flexibilité et une meilleure performance que des appareils conçus par une optimisation robuste où chaque appareil est découplé de leur affectation.