运输部署案例集/2018/飞机的历史？

简介

飞机是现代社会主要的空中交通工具。飞机是一种比空气重的飞行器，具有固定机翼，并由一个或多个发动机提供动力，使其能够在空中飞行。它由螺旋桨或高速喷气发动机推动，并由空气对其机翼的动态反作用力支撑。机翼和螺旋桨的设计由物理特性决定，以使飞机通过升力和阻力的正确组合克服重力。高功率重量比的发动机和轻便坚固的材料是关键的设计要素。

飞机设计有四个主要的软硬件技术方面。首先，在考虑由于摩擦引起的阻力和帮助飞机克服重力的升力时，需要深入了解相关的物理学。如果没有这样的理解，将不会起飞。在硬技术方面，内燃机和螺旋桨是提供自动推力的必要条件。莱特兄弟通过在风洞中进行大量测试，成功开发了可以替代压缩气体的机翼。最后一个部分是操纵飞机的能力。莱特兄弟再次通过使用方向舵和襟翼扭曲机翼和尾翼来实现这一点。这种模式是航空业中少数几种模式之一，其主要优势在于速度。即使在诞生阶段，飞机也能够胜过飞艇，并且拥有巨大的发展潜力。

飞机市场

飞机在相对较短的时间内将乘客和货物运送到世界各地，充分利用了其相对于其他交通方式的速度优势。乘客和货物运输是飞机的主要市场，由于其速度，它们比其他模式更适合非豪华运输和高价值货物。有时，它可能是到达特定目的地的唯一手段。今天的飞机舒适、高效、快捷。

尽管需要正确对准跑道才能起飞和降落，但飞机不需要像轨道或道路那样为整个行驶距离建造东西，因此与其他交通选择（如公路和铁路）相比，基础设施要求很低。空中交通在偏远地区和城市地区也易于到达，物理障碍（如海洋、山脉和森林）不会阻碍航线，只要存在起飞和降落空间。

除了旅行和货物运输外，飞机市场还包括医疗运输、搜索和救援行动、天气观测、勘测、喷洒农药、灭火、航空摄影等。它们在娱乐行业也有用途，例如航空表演、跳伞和观光飞行。

飞机在军事方面也发挥着重要作用，包括空中作战、摧毁战略目标的定点地面攻击任务、监视、侦察以及军事装备和人员的运输。

背景和当代交通方式

不同交通方式的发展可以追溯到公元前 3500 年左右，当时第一辆带轮的推车被开发出来，大约在公元前 2000 年，马被首次训练用来拉推车。

飞行一直是人类的渴望。对此的记录可以追溯到古代，并且跨越了许多文明。许多关于古代神灵的故事都涉及飞行的能力，像代达罗斯和伊卡洛斯的故事反映了人类对飞行的渴望，但我们却无法做到。早在公元 559 年，中国皇帝的儿子被强行绑在风筝上，从一座塔上起飞，试图掌握飞行，但最终失败了。在 1492 年，莱昂纳多·达·芬奇被认为设计了一架“飞行器”，但他的梦想要过很多年才能实现。

热气球是 1783 年实现载人飞行的第一种交通工具。这是一次巨大的进步，证明了随着人类对世界的理解不断扩展，飞行成为了一种可能性。

蒸汽机的设计诞生于 17 世纪末，首次为自动化推进提供了一种手段。尽管蒸汽机花了很长时间才获得动力，但它广泛的实施和多样化的设计使人们了解了发动机的工作原理以及如何将它们用于升级交通方式。然而，所有尝试使用蒸汽机作为飞行动力来源的尝试都失败了，因为发动机的重量太大。

20 世纪初，当飞机首次被开发出来时，社会上的主要交通方式是蒸汽火车和船舶，以及新兴的汽车。到 19 世纪末和 20 世纪初，内燃机开始在市场上占据越来越重要的地位，人们投入了大量的努力来改进它们。汽车行业在内燃机和电动汽车哪个是为汽车提供动力的最佳选择这个问题上存在分歧。最终，内燃机提供了更大的马力，并最终成为汽车推进的首选方法。改进的设计和技术发展使功率重量比更高，最终使其适合为飞机提供动力。

设计与诞生

莱特兄弟受滑翔机概念的启发，建造了第一架成功的动力飞机，并在 1903 年进行了首次动力飞行。虽然他们不是第一个建造实验飞机的人，但他们是第一个发明飞机控制系统的人，使固定翼动力飞行成为可能。这对兄弟高中辍学，从事各种机械工作，包括自行车。正是这些工作培养了他们的机械技能，特别是他们与自行车的工作影响了他们的设计。

这对兄弟设想飞机的转向方式类似于自行车的转向，即车辆倾斜转弯而不是突然改变方向。他们在滑翔机方面做了一些早期工作，试图弄清楚如何实现这一点，并发现了机翼扭曲作为解决方案的益处。他们还遇到了升力问题。经过调查，他们发现升力方程中系数的传统值最终会夸大升力，这解释了他们的问题。为了准确地确定每个机翼的升力，这对兄弟建造了一个风洞，并测试了许多不同的机翼设计，以获得每个机翼提供的升力的准确值。

在一些实验之后，在尾部安装了一个垂直方向舵，这有助于消除转弯问题，它可以移动，使飞机能够安全地结束转弯动作。三轴控制的进一步发展使飞行员能够有效地操纵飞机并保持其平衡。

他们螺旋桨设计的开发是详细风洞测试不同设计的结果。他们决定使用两个长约 8 英尺的“推力式”螺旋桨，它们反向旋转以抵消扭矩。它们是由三层胶合云杉木制成的。

轻型发动机的开发导致了一些独特想法的应用。例如，使用铸铝发动机缸体来减轻重量，使用原始化油器，以及利用重力将燃料送入发动机。发动机是由他们的车间机械师与这对兄弟密切合作设计的。

飞机没有立即获得动力，飞艇几乎完全垄断了空中旅行。飞机的兴起以及随后飞艇的衰落直到第一次世界大战才到来。在战争期间，德国人委托制造了近 100 艘飞艇用于军事行动。它们的机动性、速度和效率远远超过飞机，突出了飞机的优势及其未来的潜力。兴登堡号事件进一步促进了飞机飞行的兴起，飞机很快就成为市场领先者，因为它更快，但不太舒适。

第一次世界大战结束后，航空业进展缓慢。1922年，澳航（QANTAS）进行了首次客运飞行，以及首次邮件递送服务。用于这些航程的飞机是战争中遗留下来的战斗机，可以搭载驾驶员和最多两名乘客。邮件运输被许多航空公司采用，作为为客运航班提供资金的方式。

增长

第二次世界大战期间，空中作战受到高度重视，促使参战国家改进现有设计。1936年，德国人取得了最重大的进步，他们发明了Heinkel He 178，这是世界上第一架喷气式飞机。由于设计的不实用性，它并没有得到广泛应用。在第二次世界大战期间，德国人基于这种设计，于1943年设计了梅塞施密特Me 262，这是第一架投入使用的喷气式战斗机。作为当时最快的战斗机，梅塞施密特被认为是传统螺旋桨设计的巨大改进，促使其他国家也走上了这条发展道路。

最初的飞机设计小巧轻便，限制了大型货物运输和客运航班。提供的主要服务是短途出租车服务和寻求刺激的游客的游乐飞行。

直到更轻、更坚固的金属材料、更精确的制造工艺、喷气发动机设计和燃料的改进，以及计算机技术和电力技术的进步，飞机才得以发展到今天的样子。

客机变得更大，从只能搭载两名乘客发展到能搭载数百名乘客。这使得客运航班更加盈利，从而带来更好的服务，吸引更多客户，形成良性循环。这种趋势一直持续到今天。

货运领域也出现了类似的情况。随着飞机能够承载更大载重，货运飞机应运而生，使主要用于高价值商品的快速运输成为可能。战争的努力推动了很大一部分发展。由于航空货运运输成本巨大，这种服务最初只适用于重要商品或需要快速运输方式的商品。即使航空货运进一步发展，这种状况在今天仍然存在，因为大多数单位体积成本低的商品都是通过集装箱运输方式运输的，这要便宜得多。

飞机在市场上的另一个最初的利基领域是军方。飞机在第一次世界大战爆发前十年就被发明出来了，第一次世界大战见证了飞机的首次广泛应用。战争验证了飞机作为军用车辆的效率和潜力，引发了 20 世纪航空运输的许多重大发展。在 20 世纪，飞机被用于许多军事目的，例如：侦察、对陆地部队/基地和海军部队的空中打击、重要货物运输、人员插入等等。

如果没有军方的发展动力，航空运输的进步将会更加缓慢。飞机的广泛应用和多功能性促使各国继续为飞机的设计开发提供资金，包括改进发动机机械、改进材料以及在电力系统、计算机技术、跟踪系统和安全系统方面取得重大进步。这些发展迅速地进入商业市场，并改善了整个系统。

政策问题

莱特兄弟尽快以尽可能详细的方式为他们的设计申请了专利。他们还通过积极的法律行动追究任何对该专利的侵犯行为。因此，莱特兄弟被其他人视为贪婪。其中一起涉及格伦·柯蒂斯（Glenn Curtiss）的诉讼从 1909 年持续到 1914 年。在这段时间里，莱特兄弟将大部分精力花在了打官司上，而不是进一步改进他们的设计。尽管柯蒂斯创办了一家大型公司来开发和制造飞机，以及其他人效仿他的做法，但飞机在美国的发展受到了严重阻碍。

因此，在第一次世界大战期间，美国被迫使用法国设计的飞机，因为他们自己的设计远远落后。在一些国家，政府发挥了重要作用。在美国，政府在政策方面严格遵循铁路模式。他们认为这两者是相似的，因为它们都执行运输任务，并且操作方式相似。来自铁路的政策，例如固定乘客票价，被延续到飞机上。对乘客票价的限制损害了该行业在早期的发展。如果飞机没有满载，这在早期经常发生，那么航程就不会盈利。为了解决这个问题，飞机经常运送货物来补贴成本，但仍然不盈利。当飞机开始运输邮政货物时，这个问题得到了解决，因为运输邮件获得了政府的大额补贴，帮助提高了盈利能力。关于劳资纠纷的政策直接来自其他运输系统，例如铁路，铁路已经建立了有效的制度。还有关于为小型社区提供服务的政策。必须提供最低级别的服务来包括在路线中的小型社区。这些规定旨在保护现有企业免受新企业的影响。

第二次世界大战后，飞机在商业领域的应用开始起飞。喷气式发动机的发现使得飞机更大，运载能力更强，导致规模经济的进一步发展。在澳大利亚国内市场，各州和领地之间主要城市的航线迅速开通。在国际上，主要枢纽之间开通了走廊，以前所未有的方式连接着各国。在大多数情况下，旅游业是决定该行业在何处以及如何发展的控制因素，因为可以说它是国际航空旅行的主要原因，并且今天仍然如此。以旅游业为重点导致交通枢纽被选中作为机场的所在地，因为这些位置提供了与其他热门目的地的良好连接。

在澳大利亚，澳航（QANTAS）于 1935 年与帝国航空公司（Imperial Airways）合作开始运营国际航班，这被证明是一项有利可图的冒险。战争结束时，袋鼠航线诞生，袋鼠标志被用作品牌，因为它成为了一个闻名世界的象征。第二次世界大战后，澳航迅速扩大了其国际影响力，尤其是在 1946 年被澳大利亚横贯航空公司（Trans-Australia Airlines）从国内市场撤出后。该公司旨在将澳大利亚与世界上的所有主要国家连接起来。随着技术和工程的进步，随着时间的推移，这一目标变得越来越容易实现。

到 20 世纪 90 年代初，飞机运输的私有化在全球范围内相当普遍。这导致了商业竞争，政府经常鼓励这种竞争，同时也易受政府政策的影响。澳航在 1995 年被完全私有化，此前三年获得了运营国内航班的权利。此前，该航空公司几乎全部运营国际航班，创造了一些世界纪录并保持了稳定的业务流程。由于该航空公司几乎所有里程都是国际航班，因此他们受到的多数政策和法规都与降落、维护、空中交通管制和安全有关。由于严格的法规阻止了新航空公司成立，澳大利亚的竞争很少。澳航的主要国内竞争对手在 2001 年倒闭，使澳航获得了垄断地位。然而，这种情况持续时间很短，因为维珍蓝（Virgin Blue）扩张进入市场，提供了竞争。这种竞争激发了对服务质量的增长和持续改进的需求。这种增长的一个例子是捷星航空（Jetstar），这是一家廉价航空公司，是澳航的子公司，部署来与维珍竞争。类似事件在整个飞机历史中一直在国际市场上演，但规模更大，派系更多，联盟也更加复杂。

定量分析

定量分析的目的是概述模式生命周期。需要理解生命周期的三个阶段（诞生、增长和成熟），以便绘制描绘飞机生命周期的 S 型曲线。可以使用以下公式估计该曲线：

S(t) = K/[1+exp(-b(t-t₀)]

其中

 S(t) 是状态度量（在本例中，是飞机乘客数量）

 t 是以年为单位的时间

 t₀ 是达到 0.5K 的年份

 K 是饱和状态水平

 b 是一个系数

此公式简化为

-b(t – t₀) = ln(K/S(t) – 1)

数据提供了 S(t) 和 t 的值，根据这些值，可以在 Excel 中的回归分析中对 K 的估计值进行试用。找到 K 后，将 y 轴截距除以 -b 将得到 t₀。

结果

国际民用航空组织 (ICAO) 自 1970 年以来一直在收集航空数据。数据集包含有关运输的几个领域的信息，例如货运和客运航班。在本分析中，将使用有关全球每年乘客数量的数据。这些数据是在世界银行^[1]获得的，以及随后有关澳大利亚和英国的特定数据。不幸的是，尽管民航可以追溯到 20 世纪的头十年，但这些数据是最古老的条目。这个问题将在后面处理。

图 1 显示了世界乘客数据的图，以及一条指数趋势线，以显示易于识别的关系。

从上面的图中可以看出，随着时间的推移，持续增长正在发生。数据还符合指数增长曲线，表明飞机作为一种交通方式甚至还没有进入其增长阶段的后半段。这意味着这种模式还没有进入成熟阶段。图 2 和图 3 显示了相同类型的资料，但分别只关注澳大利亚和英国。

图 2 和图 3 中的数据表现出与图 1 相同的行为，证明了飞机仍然处于增长阶段的理论的有效性。

回归分析仅对图 1 中的数据集进行，因为该数据代表了整个世界。分析结果如下表 1 所示。

	K	t₀	b	R^2
世界	16000	2040.374867	0.052846	0.982325968

图 4 下面显示了对澳大利亚数据的近似外推。选择澳大利亚是因为它需要最少的年份来外推，同时也遵循与其他数据集相同的趋势。这种外推完成了澳大利亚民航的诞生阶段。

成熟

由于模态利用率仍在大幅增长，因此飞机尚未达到成熟阶段尚存疑问。从上面的图表可以观察到，乘坐飞机出行的人数总体呈上升趋势，表明这种交通方式仍在发展。回归分析和数据图的结果也支持了这一结论。

参考文献

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12. 飞机的主要用途是什么？，Reference.com 2018 年，2018 年 5 月 8 日查看，https://www.reference.com › 车辆 › 飞机和直升机

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附录