运输部署案例集/2023/美国客机

美国客机简介

客机技术特点

客机设计用于商业目的运输人员和货物。它们尺寸和类型各不相同，从小型支线飞机到能够承载数百名乘客的 大型宽体飞机。用于驱动客机的发动机类型取决于飞机的时代和设计。早期客机通常使用活塞式发动机，而后期机型则转向喷气式发动机。如今，涡扇发动机是现代客机的首选。尽管发动机技术发生了变化，但空气动力学的 基本原理仍然相同，包括使用伯努利原理通过增加速度来产生压力差以产生升力。飞机设计和工程技术的进步 导致了更高效、更可靠的客机的开发，这些客机彻底改变了人类旅行和经商的方式。

优势

不同时代客机提供的相同优势是，它们为人类提供了更快的国内和国际旅行选择，节省了相同距离的船舶、火车和汽车的旅行时间。从 1926 年客机问世到能够承载大量货物的客机，再到如今一次能够承载 800 多名乘客的客机，无论乘客数量多少，飞行都是最快的旅行选择。^[1]

RMS 奥林匹克邮轮

1930 年从纽约市到美国各地不同地点的旅行时间（以天为单位）

现代客机的优势在于，它是当今最安全的旅行方式之一。先进的技术、严格的培训计划和严格的法规都促进了航空旅行的安全。客机也是环保的，每乘客英里的碳排放量低于其他交通方式。^[2] 最新的客机以乘客舒适度为设计理念，提供各种便利设施，如机上娱乐、餐饮服务和无线互联网接入。^[1] 这些特点使航空旅行成为许多乘客的热门选择。

美国客机市场

在美国航空业的早期，飞行器主要用于美国的航空邮件市场。^[3] 由于缺乏基础设施和技术，客机市场有限。美国客机市场在第一次世界大战后将库存轰炸机改装为商用后真正开放。^[4] 在 1940 年至 1980 年之间，由于工程和制造的进步，客机变得更加复杂和高效。^[4] 每架飞机的乘客数量增加，导致票价下降，这加速了客机市场的增长，当时波音和道格拉斯等大型公司主导着航空业。如今，波音收购道格拉斯，使得客机市场在美国和世界各地领先，唯一竞争对手是法国的空中客车。^[5]

客机市场的增长正在放缓，以 COVID-19 疫情为起点，选择国际旅行的人越来越少。5G 网络时代让更多人能够远程参加会议和学校。航空公司也在退役更多高容量飞机，例如空客 A380 和波音 747。^[6] 但全球对客机的需求仍在上升，未来 20 年全球仍将交付 44500 架新飞机，但偏爱中型客机。^[7] 从客机设计角度来看，让更多乘客享受更好的飞行舒适度将成为未来客机市场的首要目标。

客机出现之前的运输方式

在客机出现之前，长途旅行在很大程度上仍然依赖于两种交通方式：船舶和火车。而跨洋旅行只依靠船舶进行。在速度限制方面，使用火车或船舶会更加明显，较慢的旅行速度导致在交通中花费更多时间。在 20 世纪初，RMS 奥林匹克邮轮横渡大西洋需要近 15 天。^[9] 当时美国铁路系统正处于鼎盛时期。从纽约到艾奥瓦州也需要至少一天的时间才能通过铁路旅行。^[8] 当时，邮轮和火车被视为一种更富裕的旅行方式，因此对于旅行舒适度来说，它们是一个不错的选择。从旅行效率的角度来看，商人 和专业人士需要更长的时间进行长途旅行。对于镀金时代的美国来说，所消耗的时间是不可接受的，当时的贫富差距非常严重，再加上不受限制的铁路扩张导致美国劳工罢工以及对铁路交通方式本身的其他负面影响。因此，需要发现一种更快、更便捷的交通方式。

“珍妮”寇蒂斯 JN-4H 坠毁在树上

波音 247 - 1933

卡尔文·柯立芝总统用来签署 1925 年《航空邮件法案》的钢笔

客机的发明

世界上第一架飞机“1903年莱特飞行者”的发明，推动了航空业的发展，最终催生了客机的出现。^[10] 19世纪早期，滑翔机机翼设计的空气动力学角度引起了公众的关注。^[4] 当时的主要技术障碍是如何为飞行产生持续的动力。俄罗斯人尝试过蒸汽动力，但效果不佳。1876年，埃蒂安·莱诺瓦制造了第一台内燃机，成功地为飞机奠定了理论动力基础，使莱特兄弟能够制造出他们用于飞机的四缸发动机，并成功地实现了飞行，标志着航空业的正式诞生。^[4]

十五年后，在1918年，美国正式开始使用“珍妮”寇蒂斯 JN-4H 双翼飞机进行航空邮件服务。^[3] 该飞机由美军和海军制造。^[11] 从1918年到1926年，有200多名航空邮件飞行员，其中35人死于飞机事故。^[3] 直到第一次世界大战结束，大量的退役美国轰炸机德哈维兰 DH-4 被移交给航空邮件行业，飞机的危险系数才得以降低。^[4] 当时，轰炸机被认为是一种更安全、更快且更优秀的飞机。DH-4 通过大幅缩短长距离运输时间，对铁路行业造成了巨大冲击，而对时间敏感的金融行业则在支票和证券交易普遍使用邮件的时代，增加了对航空邮件行业的支撑。^[4] 航空邮件行业的快速发展引起了国会的关注，最终促成了“1925年航空邮件合同法”和“航空商业法”的颁布。^[12] 这两项法案使航空邮件行业能够以私营合同的方式进行，并确保了外部投资的安全性，也使所有个人和企业都能安全地参与航空业，增加了竞争机会，加速了客机行业的成长。从1925年开始，在政策支持下，飞机制造业开始迅速发展，新的整流罩设计、活塞发动机、可变桨距螺旋桨以及其他新型飞机设计大量涌现。^[4] 第一架客机波音247问世，它拥有前所未有的速度（290公里/小时），能够搭载多达10名乘客和3名机组人员，当时获得了350万美元的订单，于1933年5月22日开始为联合航空公司运营。^[13][4] 这成功地开启了客机的篇章。

美国客机的生命周期

美国客机早期市场（1926-1960）

道格拉斯 DC-2

民航局

波音307-Stratoliner

波音247的推出正式开启了活塞发动机客机的早期市场。在此之前，许多航空公司都在尝试通过运输乘客来获利，而在波音247出现之前，所有客运航空公司都因高昂的运营成本而倒闭。^[3] 美国联邦政府不得不引入各种补贴来鼓励客机的发展，包括前面提到的“航空邮件合同法”和“航空商业法”。1930年，“麦克纳里-沃特斯法案-航空邮件法案”颁布，允许邮件和客机航线合并，并根据判断增加航线数量。^[14] 该法案极大地刺激了航空业，更多可选的航线让更多人能够选择空中旅行，大量新开发的航线也推动了对客机的需求。随着波音247在1933年的问世，高额的利润回报吸引了更多公司加入客机竞争，道格拉斯飞机公司抓住波音247在堪萨斯州坠毁的机会，生产了DC-2。^[4] 1936年，该公司研发出DC-3的改进版本，它能够搭载21名乘客，并占到了当时全球航空运输量的90%。^[4] 从1936年DC-3出现开始，乘客数量从每年10万人增加到每年100万人。^[15] 在此期间，“民航法案”颁布，美国民航局（CAA）正式成立，^[16] 客机正式转向以乘客为导向的客机市场。

这种增长在太平洋战争爆发两年后暂时停止，^[15] 但战争促进了飞机工程的快速发展。波音再次根据B-17轰炸机设计研制了波音307 Stratoliner。^[17] 它是世界上第一架能够搭载40人飞入平流层的客机。^[span>17] 从1942年中途岛战役之后，美国将赢得这场战争的事实已被美国人所熟知。因此，1943年，客机登机乘客人数恢复到1941年的水平，并以每年300万乘客的增幅继续增长。^[15] 由于后来增加了波音307和DC-4等更大容量的客机，使得从1952年到1957年，客机乘客人数增长到每年500万。^[15] 因此，客机快速发展的时代开始了。

客机早期市场的发展，是从技术的创新到政策的变化，最后到技术的进步。美国客机早期的补贴政策以及与客机运输相关的计划，都受到政策的影响，这些政策促使客机发展得以增长。

美国客机市场发展阶段（1960-2000）

波音367-80（707原型机）推出

美国客机的发展阶段是全球航空史上较为复杂的阶段，本章将重点关注技术和政策这两个改变美国客机发展阶段的根本因素。事实上，经济、政治和环境因素都在美国客机市场的發展中发挥了作用，但本章将不予讨论。

技术

第二次世界大战催生了喷气发动机技术。波音再次根据轰炸机（B-47）衍生出一款喷气式客机。^[4] 1954年，美国第一架喷气式客机波音707进行了试飞，能够在一趟行程中搭载近200名乘客。^[span>3] 首次飞行是在1957年，当时跨洋飞行和长途飞行的市场被完全打开。从1960年到1970年，波音707占领了大部分市场，从1970年开始，波音747和波音737被生产出来，使波音在美国客机市场上形成了垄断地位。客机技术也在这一时期达到了顶峰。^[4][5]

政策

1956年大峡谷空中相撞事件

联邦航空管理局-FAA

第一个政策变化与客机的安全有关。从20世纪50年代开始，航空发展使美国领空变得非常拥挤，1956年和1958年发生的两次客机坠毁事件表明，民航局（CAA）实施的空中交通管制已经过时。1958年，艾森豪威尔签署了“联邦航空法案”，该法案废除了民航局，并成立了联邦航空管理局（FAA），重新规范了航空业的安全以及民用和军用飞机使用美国领空的情况。^[18]

第二个是“1970年机场和航空发展法案”，该法案通过提高燃油税、机票税和其他税收来为机场发展提供资金。该法案是为了满足航空业的需求而创建的。^[19]

接着是“1978年航空公司放松管制立法法案”，该法案降低了票价，并增加了航空公司之间的竞争，使机票价格更实惠。^[20]

最后是“1994年通用航空振兴法案”，该法案降低了航空制造商的责任，为航空制造业提供了推动，并为小型客机制造商提供了机会。这是一项创造更多就业机会并促进航空业发展的法案。^[21]

在此期间，出台的法案旨在解决四个因素：安全、基础设施、价格和责任。该法案的制定时间顺序也反映了每个因素的重要性：首先确保飞机安全，其次确保机场数量，然后增加消费，最后确定责任分配。与之前在客机市场上制定的以发展为导向的政策相比，发展阶段的政策更多地发挥着界定框架和建立边界的作用，允许客机市场真正地进行规划和调度。

该时期先进的技术和有效的政策也使美国客机乘客的年乘客数量从1962年的6000万增加到2000年的近7亿。^[15] 这些数据证明，美国在航空业发展方面取得了成功。

阿联酋航空 空中客车 A380-861

波音 747-8

成熟阶段（2000 年至今）

从 2000 年开始，美国客机每年运送的乘客数量已进入一个增长率逐渐保持平稳的阶段。造成这种影响的因素包括世界范围内技术的进步、航空公司乘客需求的变化、不可预见事件的发生以及对经济的影响。

从技术角度来看，客机技术不再仅仅专注于发动机升级，速度和及时性也并非唯一标准。法国协和式超音速飞机就是一个很好的例子。客机技术已从工程转向乘客设计，包括（客舱设施升级、乘客容量改进、飞机稳定性设计和飞机舒适度设计），而这些指标更侧重于乘客本身。在 2000 年之后，舒适性成为了客机设计的主要目标，同时在舒适度基础上提高了乘客容量。波音和空中客车这两个航空业的全球垄断企业都推出了具有更高舒适度和更高乘客容量的空中客车 A380 和波音 737-Max 机型。

舒适性和高乘客容量设计仍然无法阻止美国客机年乘客数量的下降，这主要是由于航空业之外的不可预见事件，这些事件是由经济因素造成的。从 2000 年初至今，美国客机乘客年流量已出现三次大幅下降。^[15][22]

1. 2001 年的“911”事件，恐怖事件加剧了客机安全因素，导致乘客数量比 2000 年下降 36.7%。^[23]
2. 2007 年的金融危机，金融市场大幅下跌导致航空燃料价格大幅上涨，而美国人民出于经济原因减少了旅行需求。^[24]
3. 2020 年的 COVID-19 疫情，病毒的大规模传播需要美国人民长时间居家隔离，消除了所有必要的航空旅行。2020 年客机运力比 2019 年下降了 60% 以上，与 1985 年的客运量持平。^[22]

这些意外情况在很大程度上阻止了客机持续增长的趋势，但也表明这种交通方式本身正处于这些意外情况的交叉点，即使没有这些意外情况，也难以确定客机是否会降低增长趋势。5G 快网络时代已经到来，自 1926 年以来通过飞机邮寄的证券和支票可以使用网络在几秒钟内传输。远程办公和会议不再困难或复杂，VR 和 AR 的发展正在促进更多虚拟互动方式。与此同时，亚洲快速发展的快速铁路系统正在以更低的成本、相同的时间和更舒适的体验与客机系统竞争国内交通。客机运输系统正遭遇越来越多的挑战。唯一持续的优势是它们具备的短时间跨洋能力，这可能是未来乘客选择客机的唯一原因。

定量分析 - （美国客机年登机乘客）

通过比较和合并来自美国航空公司 (Data & Statistics/Past A4Annual Reports 1937-2011) 和运输统计局 (2001 - 2022) 的两组数据，获得了 1926 年至 2022 年美国客机年乘客数量的历史数据。对美国客机的整个生命周期（早期、发展和成熟）进行了统计分析。^[15][22]

公式

使用三参数 S 形曲线逻辑函数

S(t) = S_max/[1+exp(-b(t-t_i)]

S(t) = 状态测量（以机上乘客人数为单位），

  t = 时间（以年为单位），

  t ₀ = 拐点时间（获得 S max 的一半的年份），

  S _max = 饱和水平（美国客机年最大乘客运力），

  b = 待估计的系数。

参数

为了使模型尽可能地拟合（R 平方接近 1），在测试中使用了不同的 S_max 参数，最终的 S_max 值通过从大量测试中逐次缩小范围和进行多次测试来确定真正的 S_max 边界。

最终测试最多的 S-Max 值是 93606600 个乘客。

回归结果

使用 S_Max=93606600 获得的预测数据的模型拟合

变量	值		回归统计数据（1926 年至 2022 年）			回归统计数据（1926 年至 2019 年）
S_max	936066000		多重 R	0.943978862		多重 R	0.954178
b	0.109892		R 平方	0.891096091		R 平方	0.910455
t_i	1992.33		调整后的 R 平方	0.889949734		调整后的 R 平方	0.909482
			标准误差	1.086944085		标准误差	0.989378
			观测值	97		观测值	94

1926 年至 2022 年的回归统计数据

R 平方未超过 0.9 的原因是，2020 年美国客机乘客数量比 2019 年下降了 60%，这是一个非常不正常的数字，因此使用 S_Max=93606600 计算模型拟合数据，用于预测 2021 年之前的预测数据。

1926 年至 2019 年的回归统计数据

R 平方超过 0.9 并达到 0.91，这使得 2020 年之前的预测数据与模型更加一致。

结果

原始记录数据放置在提供的 Google 表格中，每年的数据对应于通过审查 A4A 年度报告关键字分析获得的中间空缺。^[15]

以下 Excel 表示“1926 年至 2022 年美国客机年登机乘客的实际和预测记录”。

年	实际乘客	预测乘客		年	实际乘客	预测乘客		年	实际乘客	预测乘客		年	实际乘客	预测乘客
1926	5782	638825.7		1950	19099889	8850417		1974	207449000	110182444.1		1998	612900000	609304830
1927	8679	712973.5		1951	24685300	9867621		1975	205062000	121322154.2		1999	636000000	632274297.5
1928	49713	795720.2		1952	27381801	11000348		1976	223313000	133406190.7		2000	665500000	654375604.8
1929	173405	888061.4		1953	31215371	12261383		1977	240326000	146477443.9		2001	622100000	675531560
1930	417505	991107		1954	35184000	13664841		1978	274719000	160573217.3		2002	612900000	695682302.5
1931	531662	1106095		1955	41623000	15226295		1979	316863000	175723569.7		2003	646300000	714785031.6
1932	547560	1234407		1956	45943000	16962891		1980	296749000	191949563.7		2004	702900000	732813229.6
1933	576612	1377582		1957	49339000	18893487		1981	285976000	209261480.1		2005	738600000	749755479.3
1934	572265	1537335		1958	49075000	21038779		1982	294102000	227657069.9		2006	744700000	765613982.5
1935	874116	1715581		1959	55875000	23421442		1983	318638000	247119934.6		2007	769600000	780402885.7
1936	1166043	1914451		1960	57700000	26066257		1984	344683000	267618134.3		2008	743300000	794146510.9
1937	1289735	2136321		1961	58441000	29000242		1985	380024000	289103131.1		2009	703900000	806877573.1
1938	1536111	2383838		1962	62480000	32252767		1986	418946000	311509173.4		2010	720500000	818635455.6
1939	2045021	2659952		1963	71414000	35855660		1987	447678000	334753216.6		2011	728368297	829464593.5
1940	3185278	2967945		1964	81774000	39843283		1988	454614000	358735453.8		2012	734322469	839413001.4
1941	4380610	3311474		1965	94662000	44252582		1989	453692000	383340500.7		2013	740859387	848530967.7
1942	3943979	3694608		1966	1.09E+08	49123094		1990	456560000	408439240.6		2014	761003553	856869925.1
1943	3891997	4121875		1967	1.32E+08	54496906		1991	412301000	433891286.5		2015	796914123	864481496.3
1944	5191225	4598309		1968	1.5E+08	60418540		1992	475108000	459547978.2		2016	822888623	871416710.2
1945	8287373	5129509		1969	1.72E+08	66934764		1993	488520000	485255783.8		2017	848769671	877725373.7
1946	13254728	5721698		1970	1.7E+08	74094304		1994	528848000	510859945.3		2018	888629905	883455586.7
1947	14249920	6381784		1971	1.74E+08	81947445		1995	547384000	536208186.8		2019	926436914	888653380.8
1948	14540854	7117439		1972	1.91E+08	90545494		1996	581200000	561154297		2020	369691837	893362466.6
1949	16600771	7937172		1973	2.02E+08	99940108		1997	599100000	585561409.3		2021	666147623	897624072.2
												2022	780674848	901476856.5

数据可视化

对模拟数据曲线的分析提供了充分的证据，表明总体预测拟合与实际数据一致。

此外，以上三个阶段，早期（1926-1960 年）、发展（1960-2000 年）和成熟（2000-2022 年）都符合预测曲线中的变化幅度。

唯一的困难是，对 97 年的数据进行更高拟合分析更具挑战性，本文获得的预测曲线仍然只是对真实预测曲线的近似，需要根据数据的变化程度进行更多细分。

蓝色线 - 预测登机乘客 绿色线 - 实际登机乘客

1926 年至 2022 年（完整周期）

美国航空公司乘客登机人数 1926-2022

1926-1960 年（早期）

美国航空公司乘客登机人数 1926-1960

1961-2000 年（发展）

美国航空公司乘客登机人数 1961-2000

2000-2022 年（成熟）

美国航空公司乘客登机人数 2000-2022