运输部署案例集/国际航空公司

作者：迈克尔·佩特奇

竞争

跨越海洋在国家之间旅行有几种方式，但目前商业客机在旅行速度上处于垄断地位。在机动船出现之前，帆船跨越大西洋的合理旅行时间为一到两个月。1840年，以煤炭为燃料的机动船带来了速度和可靠性的显着提升，将单程跨越大西洋的旅行时间缩短至16天。 随着柴油发动机的出现以及替代的、减轻重量的建筑材料，旅行时间进一步缩短。1952年，主要由铝制成的美国号邮轮创造了跨越大西洋最快航行的记录，仅用3天12小时，速度超过54公里/小时，至今保持着这一记录。

另一种在商业客机出现之前就存在并在1940年代和1950年代之前一直与商业客机竞争的运输方式是飞艇，特别是齐柏林飞艇。也许有史以来最成功的客运飞艇是 LZ 127 齐柏林伯爵号。它在其使用寿命内飞行了超过一百万英里，包括 1929 年的首次环球飞行。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 日降落在新泽西州的莱克赫斯特。它搭载了 40 名机组人员和 20 名乘客。 回程至德国耗时 71 小时 49 分钟，略少于三天。当时的远洋客轮跨越大西洋需要两倍的时间来运送乘客。

尽管旅行时间更快，但飞艇在其他方面处于严重劣势。乘客负载通常（如果不是始终）低于 100 人，而且由于体积巨大，它们的资源密集度很高，需要巨大的制造机库和专门的停泊区。当臭名昭著的兴登堡号飞艇（装满了易爆的氢气）变成一个巨大的漂浮然后坠落的火球时，辉煌的飞艇时代就宣告结束。

国际航班的诞生

优势

速度

随着飞艇时代的自我毁灭，公众对快速旅行的需求也超过了其他交通方式。到 1940 年代和 1950 年代，跨越大西洋的商业航班开创了一个新的参考系统，以小时而不是天来衡量。一架商业飞机可以从纽约市飞往伦敦，跨越大西洋，仅需 5 或 6 个小时。快速和直接一直是，并且将继续是航空的最大优势。如今，大多数度假者和旅行者由于工作义务而受限于旅行时间，因此快速、无忧无虑的旅行变得越来越重要。以前，乘坐船舶和飞艇旅行时，旅行者需要权衡潜在的度假体验的持续时间和质量是否超过旅行时间的持续时间。现在，度假者可以预订机票，登上飞机，并在同一天在数千公里外的国家享用美食。

容量

乘客容量也使航空旅行极具竞争力。早期的乘客负载与飞艇运载的乘客相似，但随着建筑材料的科技进步、减重技术的应用和发动机推力的增加，现在一次可以运送数百名乘客。

安全性

安全性是航空旅行的另一大优势。仅从每公里旅行的死亡人数或甚至坠机次数来看，飞机是最安全的交通工具之一。飞行员的专业知识和飞机上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免大多数天气模式，这使得旅程安全且不受风暴活动的影响。另一方面，海上旅行会直接受到任何天气变化的影响，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，以避免危险的岩石地层或冰流，而航空旅行的此类危险较少。 这些危险可以通过使用自动驾驶仪技术进一步降低。

定价

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，使商业客机更加受欢迎。最初，飞行是一种非常昂贵的交通方式，只有富人才能负担得起，但随着市场的全球化，企业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，并增加了旅行选择，包括各种航班时间、直飞航班、设施和舒适度。

创新

• 喷气发动机：虽然早在 18 世纪后期就颁发了燃气动力喷气发动机的专利，但第一个真正为飞机提供动力的喷气发动机是由德国人汉斯·冯·奥海因研发的。1939 年 8 月 27 日，一次成功的首飞将 Heinkel He 178 确立为世界上第一架喷气式飞机。 到 20 世纪 50 年代，喷气发动机几乎在所有战斗机上普及，并在英国商用客机上变得越来越普遍。到 20 世纪 60 年代，尽管活塞和螺旋桨发动机更有效地燃烧燃料，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，它们在高速和高空表现更好，喷气发动机的效率与前身发动机一样高。 此外，燃气涡轮发动机在商用应用中取代了螺旋桨，因为它们具有极高的功率重量比。燃气涡轮发动机也比相同功率的往复式发动机更小。因此，商用客机得以不断发展壮大。
• 煤油燃料：飞行高度和航程的增加意味着部件和燃料将面临更多条件。专为商用喷气飞机研发的喷气燃料，称为 Jet-A，提供了急需的一致性和可靠性。Jet-A 是纯煤油，具有较高的闪点（蒸汽可以被明火点燃的温度）和高辛烷值（确保燃料高效燃烧）。它通常与防冻剂混合，以防止燃油箱中积冰，这可能会堵塞油管并使发动机停车。
• 自动驾驶仪：导航精度是自动驾驶仪系统的重要组成部分。通过减少人工驾驶员通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了可靠的最大线性距离。
• 复合材料：自 20 世纪 20 年代铝合金开始用于飞机以来，已经开发并使用了几种复合材料，这些材料将两种或多种有机或无机成分结合在一起，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又强。飞机越重，燃烧的燃料就越多，因此减轻重量对于航空工程师来说至关重要。 另一方面，铝合金可以在持续凹陷后进行修复。复合材料不行。尽管波音 777 的结构重量约有 10% 是复合材料，但商用客机可能仍将继续使用铝合金建造，因为它需要较少的维护。

政策

• 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。 “发动机和飞机设计的进步极大地扩展了飞行包线的种类，这使得涡轮发动机燃料质量需要制定新的标准。这导致了为不同用途引入了多种燃料类型，以及开发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地燃烧。”
• 跑道长度：每个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，不仅是为了实现国际航班，也是为了鼓励国际航班。

增长期

政策

• 跑道保护区：“跑道末端以外的梯形区域，用于在飞机在跑道末端以外着陆或坠毁时增强对地面人员和财产的保护。” 机场必须遵守 FAA 设计标准中关于 RPZ 的三个规定。首先，机场必须拥有土地。其次，机场所有者必须保护 RPZ 免受障碍物和不相容的土地用途的影响。最后，机场所有者必须努力实现机场周围的兼容分区，以防止可能导致或引发危及机场的冲突、导致机场关闭或需要大量补救投资来购买发生冲突的开发财产的不相容土地用途。
• 降落费：一项规定，要求飞机向其着陆的机场支付费用。如果很多飞机想要降落在繁忙的机场，由于对固定数量航站楼的需求量很大，降落费将很高。这些高昂的成本不成比例地有利于大型商用飞机，因为它们可以搭载大量乘客来抵消费用成本。因此，高昂的降落成本鼓励了更大飞机的使用。
• 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来起飞和着陆。因此，机场往往不得不延长跑道，以便吸引这些大型飞机的业务。通过尽早积极地保护 RPZ，机场可以适应跑道延长，并享受大型飞机带来的益处。
• 安保程序：2001 年 9 月 11 日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过去、现在和将来都会对国际航空旅行的增长产生负面影响。

方法

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（从纽约市到伦敦的距离）的航班。这确定了最小航程，并排除了 1938 年之前运营的商用客机。它还确保了整个数据和后续分析的一致性。其次，在维基百科的帮助下，列出了飞机及其首次服役年份。第三，获取了有关每架飞机的最大乘客配置、最大航程和首次服役日期的飞机技术数据和规格。 第四，客运公里数计算为飞机可搭载的乘客数量乘以该飞机的航程。

表 1：过去、现在和未来客运公里数数据

飞机型号	年份	乘客数量	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
协和式飞机	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

表 2：预测模型的回归统计

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
观察次数	22

表 3：预测模型的方差分析统计

	df	SS	MS	F 分数	F 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

表 4：预测模型的统计结果

	系数	标准误差	t 统计量	P 值	95% 下限	95% 上限
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，生成了从 17000000 到 31000000 的多个 K 值的回归结果。然后将每个 K 结果的调整后的 R 平方、F 分数和 T 分数放入表格中并进行视觉比较（参见表 6）。

表 6：统计比较表

K 值	调整后的 R 平方	F 分数	T 分数
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 71% 的移动（生成的数字）在变量调整中得到解释。此外，F 分数稳定在 54，T 分数稳定在 7.4，表明该模型整体上具有统计意义。

0.71 的调整后的 R 平方值与 K 值为 27000000 公里相关联。在 27000000 公里之后，所有三个测量值（调整后的 R、F 分数和 T 分数）在每个后续 K 值之间的变化小于 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，即使是 50000000 公里。因此，K = 27000000 被用作最佳拟合回归线。

表 5：S 形曲线模型参数

S(t) = K/[1+exp(-b(t-t0)]

K 值	27000000
截距	-79.0493
b	0.0389
t0 = 截距/-B	2031.0763

每趟国际航班的潜在公里数

如前所述，K 值为 27000000 被选择是因为它标志着平台的开始。表 5 合成了从 K 值为 27000000 的回归计算中收集的信息。使用计算的截距和 b 系数，可以计算出 t0（乘客公里数开始以递减的速度增加的拐点年份）。K = 27000000 的 t0 是 2031 年。使用这些变量，使用公式 S(t) = K/[1+exp(-b(t-t0)] 计算出 S 形曲线。右侧的 S 形曲线显示，在 2031 年之后，乘客公里的增长将开始下降，并在图中大约 2170 年开始在 27000000 乘客公里处趋于平稳。由于所有参数都是最大值，因此如果燃料类型保持一致，确定的拐点将是一个相对极值。这种分析没有考虑燃料类型和燃油效率的变化。

成熟度

政策

• 跑道和航站楼的长度可能会限制大型飞机的最终尺寸。虽然在存在降落费的情况下，大型飞机将继续比小型飞机更赚钱，但航站楼的尺寸将成为一个问题。必须在允许停靠在机场的飞机数量或允许停靠的飞机尺寸之间进行权衡。
• 一些机场比其他机场有更大的扩展空间。这可能会导致商用航班的规模专业化，其中超大型飞机能够在特定机场起降。然而，这种专业化可能弊大于利，因为为了真正享受超大型飞机带来的好处，它应该全年全天候运行。不这样做，将是一种资本投资的浪费。另一方面，如果超大型飞机只能在特定机场之间旅行，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，为了增加每趟航班的乘客公里数，飞机必须更大，容纳更多乘客。空客 A380 目前是世界上最大的飞机，与之前的波音 747 一样，它可能会保持这一头衔数十年。原因是，建造更大飞机的成本以及适应基础设施（航站楼和跑道）以容纳更大飞机的成本可能会抑制每趟航班乘客公里数的增长。因此，尽管该模型预测增长将持续到 2170 年，但增长可能会零星出现，并可能在 2170 年之前达到成熟高原。

结论

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、轻质复合材料和更大、更高效的发动机。这些因素结合起来，提高了燃油燃烧效率，并有助于每趟航班的潜在乘客公里数增加。根据 22 架飞机的最大客运量和航程，根据所产生的模型，每趟航班的乘客公里数将在 2031 年之前呈指数增长，然后在 2170 年左右技术达到高原之前呈指数下降。虽然该模型预测了这一点，但它可能会受到最近投入运营的空客 A380 的巨大客运量的扭曲。像 A380 这样的巨型飞机的推出很少，导致数据集合相当零星，这会影响拐点和成熟度年份。此外，其他限制，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（直接影响客运量）。因此，每趟航班乘客公里数的成熟度可能会早于模型的预测。