运输部署案例集/国际航空公司
作者：Michael Petesch
跨越海洋在国家之间旅行有多种方式，但目前商业客机在旅行速度方面占据垄断地位。在机动船舶引入之前，帆船跨大西洋的合理旅行时间为一到两个月。以煤炭为动力的机动船在速度和可靠性方面取得了惊人的进步，进一步将单程跨大西洋旅行时间缩短至1840年的16天。[1] 随着柴油发动机和替代的、减重的建筑材料的出现，旅行时间进一步缩短。1952年，主要由铝制成的美国联合号（SS United States）创造了3天12小时的最快跨大西洋航行记录，时速超过54公里/小时，至今仍保持着这一记录。[2]
另一种在20世纪40年代和50年代之前出现并与商业客机竞争的交通工具是飞艇，特别是齐柏林飞艇。也许有史以来最成功的载客飞艇是LZ 127兴登堡号。在其服役期间，它飞行了超过一百万英里，包括1929年首次环球飞行。1928年10月11日，它从德国腓特烈港起飞，开通了跨大西洋空中客运服务。经过111小时44分钟的飞行，该飞艇于1928年10月15日降落在新泽西州莱克赫斯特。它载有40名机组人员和20名乘客[3] 返回德国的旅程耗时71小时49分钟，略低于三天。当时的远洋客轮需要两倍的时间才能将乘客运送到大西洋彼岸。[3]
尽管旅行时间更快，但齐柏林飞艇在其他方面处于严重劣势。乘客数量通常如果不是总是低于100人，而且由于其巨大的尺寸，它们非常消耗资源，需要巨大的制造机库和特殊的停泊区域。当臭名昭著的兴登堡号飞艇，充满易爆氢气，变成一个巨大的漂浮然后坠落的火球时，辉煌的飞艇时代结束了。
随着飞艇时代的终结，公众对快速旅行的需求也超越了其他交通方式。到20世纪40年代和50年代，跨大西洋商业航班开创了一种以小时而不是天为单位的新参照系。一架商业飞机可以在5到6个小时内从纽约市飞往伦敦，横跨大西洋。快捷和直达一直是航空运输最大的优势，并且将继续保持下去。如今，大多数度假者和旅行者由于工作义务而限制了旅行时间，因此快速、便捷的旅行变得越来越重要。以前，乘坐船舶和飞艇旅行时，旅客需要确定潜在度假体验的时长和质量是否超过旅行时间。现在，度假者可以预订机票，乘坐飞机，并在同一天在数千公里外的国家用餐。
客运量也使航空旅行极具竞争力。早期的载客量与齐柏林飞艇相似，但随着建筑材料技术、减重技术和发动机推力的进步，现在可以一次运送数百名乘客。
安全性是航空旅行的另一个优势。仅根据每公里旅行的死亡人数或甚至坠机次数来看，飞机是有史以来最安全的交通工具之一。飞行员的专业知识和飞机的安全法规减少了飞行事故的数量。航空旅行通常通过在云层之上飞行来避开大多数天气模式，这使得旅行安全且不受风暴活动的影响。另一方面，海上旅行会受到任何天气变化的直接影响，这些变化会产生风或造成大浪，有时会延长航程，使其变得乏味且更加危险。海上旅行还需要熟练的导航以避免危险的岩石构造或冰流，而航空旅行此类危险较少。[4] 通过使用自动驾驶技术，可以进一步降低这些危险。
最后，对航空旅行的需求增加了国际航班和航空公司的数量，使商业客机更加令人向往。最初，飞行是一种非常昂贵的交通方式，只有富人才负担得起，但随着市场的全球化，公司开始为商务人士支付飞行费用。现在，航空公司之间的竞争降低了飞行成本，并增加了各种飞行时间、直达性、便利设施和舒适度的旅行选择。
- 喷气发动机：尽管自18世纪后期就已授予了工作燃气涡轮喷气发动机的专利，但第一个真正为飞机提供动力的喷气发动机是由一位名叫汉斯·冯·奥哈因的德国人开发的。1939年8月27日，一次成功的首飞使Heinkel He 178成为世界上第一架喷气式飞机。[5] 到20世纪50年代，喷气发动机在战斗机中几乎普遍使用，并在英国的商用客机上变得越来越普遍。到20世纪60年代，尽管活塞式和螺旋桨式发动机燃油效率更高，但所有大型民用飞机都采用了喷气发动机。随着高涵道比涡扇喷气发动机的出现，这种发动机在高速和高空表现更好，喷气发动机的效率也与前身发动机一样高。[6] 此外，燃气涡轮发动机在商用应用中淘汰了螺旋桨，因为它们具有更高的功率重量比。燃气涡轮发动机也比相同功率的往复式发动机更小。因此，鼓励商用客机发展壮大。
- 煤油燃料：飞行高度和航程的增加意味着部件和燃料将受到更多条件的影响。专门为商用喷气飞机开发的喷气燃料（称为Jet-A）提供了急需的一致性和可靠性。Jet-A是纯煤油，具有很高的闪点（燃料蒸汽被明火点燃的温度）和辛烷值（确保燃油高效燃烧）。它通常与防冻剂混合，以防止油箱中结冰，从而可能堵塞油管并使发动机熄火。
- 自动驾驶仪：导航精度是自动驾驶仪系统的重要组成部分。通过减少人类飞行员常犯的微小导航错误，自动驾驶仪可以缩短飞行时间并最大限度地提高燃油效率。因此，自动驾驶仪系统确保可靠的最大线性距离。
- 复合材料：自20世纪20年代飞机开始使用铝以来，已经开发和使用了多种复合材料，这些材料结合了两种或多种有机或无机成分，例如玻璃纤维、碳纤维和其他特殊纤维。复合材料的最大价值在于它们既轻便又坚固。飞机重量越重，消耗的燃油就越多，因此减轻重量对航空工程师来说非常重要。[7] 另一方面，铝在受到持续凹陷后可以修复。复合材料则不行。尽管波音 777 的结构重量约有 10% 是复合材料，但商用客机可能会继续使用铝制造，因为铝需要较少的维护。[7]
- 燃料类型受到监管以确保安全。喷气发动机对燃料的化学和物理性质比汽油和柴油发动机敏感得多。[8] “发动机和飞机设计的进步极大地扩展了飞行包线的种类，这需要制定涡轮发动机燃料质量的新标准。这导致了为不同目的引入各种燃料类型，并制定了规范以确保燃料满足设备要求并在所有飞行条件下可靠燃烧。”[8]
- 跑道长度：每种飞机型号都有最低的起飞和着陆距离要求。跑道长度必须标准化，不仅是为了使国际航班成为可能，而且是为了鼓励国际航班。
- 跑道保护区：“跑道端部以外的梯形区域，旨在在飞机着陆或坠毁超出跑道端部时增强对地面人员和财产的保护。”[9] 机场必须遵守联邦航空管理局设计标准中关于跑道保护区的三个规定。首先，机场必须拥有这块土地。其次，机场业主必须保护跑道保护区免受障碍物和不兼容土地用途的影响。最后，机场业主必须努力在机场周围获得兼容的区域划分，以防止可能导致或引发冲突的不兼容土地用途，这些冲突会危及机场，导致机场关闭，或需要大量补救投资来购买有冲突的开发财产。[9]
- 着陆费：一项规定，要求飞机向其着陆的机场支付费用。如果许多飞机想要降落在繁忙的机场，由于对固定数量的航站楼的需求很大，着陆费将很高。这些高昂的成本不成比例地有利于大型商用飞机，因为它们可以运载大量人员来抵消费用的成本。因此，高昂的着陆成本鼓励使用更大的飞机。
- 跑道长度：随着商用飞机越来越大，它们需要越来越长的跑道才能起飞和着陆。因此，机场常常不得不延长跑道以吸引这些大型飞机的业务。通过尽早积极地保护跑道保护区，机场可以适应跑道延伸并获得大型飞机带来的好处。
- 安全程序：9/11/01 事件后实施的许多安全政策，例如全身扫描、液体限制、鞋和腰带移除，使得国际旅行比以前更加麻烦。十年前某一天的结果已经并将继续对国际航空旅行的增长产生负面影响。
计算客运公里数的过程涉及几个步骤。首先，将“国际航班”定义为至少 5568 公里（纽约到伦敦的距离）的航班。这确定了最低飞行距离，并排除了 1938 年之前飞行的商用客机。它还确保了数据和后续分析的一致性。其次，在维基百科的帮助下，整理了一份飞机及其首次服役年份的清单。第三，获取了有关每架飞机最大载客量配置、最大飞行距离和服役开始日期的飞机技术数据和规格。[10] 第四，客运公里数计算为飞机载客人数乘以飞机飞行距离的乘积。
| 飞机型号 | 年份 | 乘客 | 航程 | 客运公里数 | 预测客运公里数 |
|---|---|---|---|---|---|
| 波音 314 | 1938 | 77 | 5633 | 433718 | 702543 |
| 波音 377 | 1947 | 114 | 6759 | 770554 | 986467 |
| 布拉巴宗 | 1949 | 100 | 8047 | 804672 | 1063177 |
| 波音 707-120 | 1957 | 179 | 8704 | 1558088 | 1430951 |
| 波音 707-320 | 1958 | 189 | 6917 | 1307355 | 1484619 |
| 麦克唐纳道格拉斯 DC-8-63 | 1959 | 259 | 7232 | 1873104 | 1540179 |
| 图波列夫 Tu-114 | 1961 | 224 | 10944 | 2451353 | 1657203 |
| 麦克唐纳道格拉斯 DC-8-61 | 1965 | 269 | 8945 | 2406248 | 1916546 |
| 波音 747-100 | 1970 | 452 | 8575 | 3875792 | 2293297 |
| 麦克唐纳道格拉斯 DC-10 | 1971 | 380 | 10001 | 3800304 | 2376301 |
| 空中客车 A330 | 1974 | 300 | 7686 | 2305740 | 2641808 |
| 协和飞机 | 1976 | 144 | 6232 | 897405 | 2833221 |
| 波音 747-300 | 1983 | 496 | 12168 | 6035149 | 3602112 |
| 波音 747-400 | 1989 | 524 | 13446 | 7045452 | 4395359 |
| 麦克唐纳道格拉斯 MD-11CF | 1990 | 410 | 12168 | 5186156 | 4540464 |
| 空中客车 A340-300 | 1993 | 295 | 13242 | 3906331 | 4998688 |
| 波音 777-300 | 1998 | 550 | 11019 | 6060670 | 5840251 |
| 波音 747-400ER | 2002 | 524 | 14205 | 7443336 | 6584145 |
| 空中客车 A340-500 | 2004 | 313 | 16048 | 5022893 | 6979355 |
| 空中客车 A380 | 2005 | 840 | 14816 | 12445440 | 7182659 |
| 波音 787-8 | 2010 | 250 | 15742 | 3935500 | 8253967 |
| 波音 747-8 | 2011 | 450 | 14816 | 6667200 | 8478677 |
| K 值 | 27000000 |
| 多重 R | 0.8553 |
| R 平方 | 0.7315 |
| 调整后的 R 平方 | 0.7181 |
| 标准误差 | 0.5326 |
| 观察值 | 22 |
| df | SS | MS | F 值 | F 的显著性 | |
| 回归 | 1 | 15.4541 | 15.4541 | 54.4827 | 3.95E-07 |
| 残差 | 20 | 5.6730 | 0.2837 | ||
| 总计 | 21 | 21.1272 |
| 系数 | 标准误差 | t 统计量 | P 值 | 下限 95% | 上限 95% | |
| 截距 | -79.0493 | 10.4288 | -7.5799 | 2.65478E-07 | -100.8034 | -57.2952 |
| X 变量 1 | 0.0389 | 0.0053 | 7.3812 | 3.95048E-07 | 0.0279 | 0.0499 |
使用 Excel 中的回归工具，生成了 K 值从 17000000 到 31000000 的几个回归结果。然后将每个 K 结果的调整后的 R 平方、F 值和 T 值放入表格中并进行视觉比较（参见表 6）。
| K 值 | 调整后的 R 平方 | F 值 | T 值 |
| 17000000 | 0.702479572 | 50.58338869 | 7.11219999 |
| 18000000 | 0.706651792 | 51.58727892 | 7.182428484 |
| 19000000 | 0.709590042 | 52.31156993 | 7.232673774 |
| 20000000 | 0.711744049 | 52.85192183 | 7.269932725 |
| 21000000 | 0.713372065 | 53.26571282 | 7.298336305 |
| 22000000 | 0.714632535 | 53.58932794 | 7.320473205 |
| 23000000 | 0.715627717 | 53.8468594 | 7.338041932 |
| 24000000 | 0.716426308 | 54.05482449 | 7.352198616 |
| 25000000 | 0.717075988 | 54.22487715 | 7.363754284 |
| 26000000 | 0.717610766 | 54.36544126 | 7.37329243 |
| 27000000 | 0.71805546 | 54.48273329 | 7.381241988 |
| 28000000 | 0.718428545 | 54.58142382 | 7.387924189 |
| 29000000 | 0.718744015 | 54.66507769 | 7.393583549 |
| 30000000 | 0.719012625 | 54.7364539 | 7.398408876 |
| 31000000 | 0.719242758 | 54.7977145 | 7.402547839 |
随着 K 值的增加，调整后的 R 平方在约 71% 的位置趋于平稳，表明变量调整中解释了 71% 的运动（生成的数字）。此外，F 值稳定在 54，T 值稳定在 7.4，表明该模型整体上具有统计学意义。
0.71 的调整后的 R 平方值与 27000000 公里的 K 值相关。在 27000000 公里之后，所有三个测量值（调整后的 R、F 值和 T 值）在每个后续的 K 值之间变化小于 0.1。这种微小的变化表明，270000000 公里之后的 K 值都是确定 K 的同样好的模型，甚至包括 50000000 公里。因此，K = 27000000 被用作最佳拟合回归线。
S(t) = K/[1+exp(-b(t-t0)]
| K 值 | 27000000 |
| 截距 | -79.0493 |
| b | 0.0389 |
| t0 = 截距/-B | 2031.0763 |
如前所述，选择 27000000 的 K 值是因为它标志着平台的开始。表 5 总结了从 K 值为 27000000 的回归计算中收集的信息。使用计算出的截距和 b 系数，可以计算出 t0（以年份表示的拐点，在该点客运公里数开始以递减的速度增加）。K = 27000000 的 t0 是 2031 年。使用这些变量，使用方程式 S(t) = K/[1+exp(-b(t-t0)] 计算了 S 型曲线。右侧生成的 S 型曲线描述了客运公里数的进步将在 2031 年后开始下降，并在图中大约 2170 年达到 27000000 客运公里数的水平。由于所有参数都是最大值，因此如果燃料类型保持一致，则确定的拐点是相对极值。本次分析中没有考虑燃料类型和燃油效率的变化。
- 跑道和航站楼的长度可能会限制大型飞机的最终尺寸。尽管在存在降落费的情况下，大型飞机将继续比小型飞机更有利可图，但航站楼的规模将成为一个问题。将不得不权衡允许停靠在机场的飞机数量或允许停靠的飞机的大小。
- 一些机场比其他机场有更大的扩展空间。这可能导致商业航班出现规模专业化，其中超级大型飞机能够在特定机场起降。但是，这种专业化可能是弊大于利的，因为为了真正获得超级大型飞机的好处，它应该全天候全年运行。否则，将是对资本投资的浪费。再说一次，如果超级大型飞机只能在特定机场之间飞行，那么行程选择和可能性就会减少，从而进一步降低其经济可行性。
尽管有模型，但商用飞机的航程可能已经达到顶峰，因为不需要能够飞越半个地球的飞机。因此，为了增加每次飞行的客运公里数，飞机必须变得更大，搭载更多乘客。空客A380目前是世界上最大的飞机，并且像之前的波音747一样，可能会在未来几十年保持这一称号。原因是，建造更大飞机的成本以及改造基础设施（航站楼和跑道）以适应更大飞机的成本可能会抑制客运公里数的增长。因此，虽然该模型预测增长将持续到2170年，但增长可能会零星出现，并且可能在2170年之前达到成熟期的平台。
对快速、安全和廉价的国际旅行的需求促使航空公司投资更大的飞机、轻质复合材料以及更大、更高效的发动机。这些因素相结合，提高了燃油燃烧效率，并有助于提高每次飞行的潜在客运公里数。根据22架飞机的最大载客量和航程，每次飞行的客运公里数将呈指数增长，直到2031年，然后呈指数下降，直到该技术在2170年左右达到平台期，这是根据生成的模型得出的。虽然该模型预测了这一点，但它可能会受到最近投入使用的空客A380的巨大载客量的影响。像A380这样的巨型飞机的推出是很少见的，导致数据集相当零散，从而影响了拐点和成熟年份。此外，其他限制因素，如世界的大小和跑道的长度，已经开始限制必要的最大航程和飞机尺寸（直接影响载客量）。因此，客运公里数的成熟期可能会比模型预测的更早到来。
- ↑ Decker，Kris D. 没有飞机的生活：从伦敦到纽约需要3天12小时。低科技杂志。2008年6月4日。检索日期：2011年10月12日。[1]
- ↑ 跨大西洋航线时间，1838 - 1952（以天为单位）。交通系统地理学。检索日期：2011年10月10日。[2]
- ↑ a b 格拉夫齐柏林号历史。飞艇：兴登堡号和其他齐柏林飞艇。2009年。检索日期：2011年10月12日。[3]
- ↑ 麦肯齐，理查德·B. 理解航空安全辩论。卡托商业与政府评论。1991年。检索日期：2011年10月12日。
- ↑ 瓦尔西茨，卢茨：第一位喷气式飞机飞行员——德国试飞员埃里希·瓦尔西茨的故事（第125页），佩恩与剑图书有限公司，英国，2009年
- ↑ 第10章：飞机技术。追求性能：现代飞机的演变。第二部分：喷气时代。Hq.nasa.gov。检索日期：2011年10月12日。[4]
- ↑ a b 复合材料和先进材料。美国飞行百年委员会
- ↑ a b 喷气燃料的历史。BP航空
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- ↑ 飞机技术数据和规格。2011年。检索日期：2011年10月10日。[6]