運輸部署案例集/2018/飛機的歷史？

簡介

飛機是現代社會主要的空中交通工具。飛機是一種比空氣重的飛行器，具有固定機翼，並由一個或多個發動機提供動力，使其能夠在空中飛行。它由螺旋槳或高速噴氣發動機推動，並由空氣對其機翼的動態反作用力支撐。機翼和螺旋槳的設計由物理特性決定，以使飛機透過升力和阻力的正確組合克服重力。高功率重量比的發動機和輕便堅固的材料是關鍵的設計要素。

飛機設計有四個主要的軟硬體技術方面。首先，在考慮由於摩擦引起的阻力和幫助飛機克服重力的升力時，需要深入瞭解相關的物理學。如果沒有這樣的理解，將不會起飛。在硬技術方面，內燃機和螺旋槳是提供自動推力的必要條件。萊特兄弟透過在風洞中進行大量測試，成功開發了可以替代壓縮氣體的機翼。最後一個部分是操縱飛機的能力。萊特兄弟再次透過使用方向舵和襟翼扭曲機翼和尾翼來實現這一點。這種模式是航空業中少數幾種模式之一，其主要優勢在於速度。即使在誕生階段，飛機也能夠勝過飛艇，並且擁有巨大的發展潛力。

飛機市場

飛機在相對較短的時間內將乘客和貨物運送到世界各地，充分利用了其相對於其他交通方式的速度優勢。乘客和貨物運輸是飛機的主要市場，由於其速度，它們比其他模式更適合非豪華運輸和高價值貨物。有時，它可能是到達特定目的地的唯一手段。今天的飛機舒適、高效、快捷。

儘管需要正確對準跑道才能起飛和降落，但飛機不需要像軌道或道路那樣為整個行駛距離建造東西，因此與其他交通選擇（如公路和鐵路）相比，基礎設施要求很低。空中交通在偏遠地區和城市地區也易於到達，物理障礙（如海洋、山脈和森林）不會阻礙航線，只要存在起飛和降落空間。

除了旅行和貨物運輸外，飛機市場還包括醫療運輸、搜尋和救援行動、天氣觀測、勘測、噴灑農藥、滅火、航空攝影等。它們在娛樂行業也有用途，例如航空表演、跳傘和觀光飛行。

飛機在軍事方面也發揮著重要作用，包括空中作戰、摧毀戰略目標的定點地面攻擊任務、監視、偵察以及軍事裝備和人員的運輸。

背景和當代交通方式

不同交通方式的發展可以追溯到公元前 3500 年左右，當時第一輛帶輪的推車被開發出來，大約在公元前 2000 年，馬被首次訓練用來拉推車。

飛行一直是人類的渴望。對此的記錄可以追溯到古代，並且跨越了許多文明。許多關於古代神靈的故事都涉及飛行的能力，像代達羅斯和伊卡洛斯的故事反映了人類對飛行的渴望，但我們卻無法做到。早在公元 559 年，中國皇帝的兒子被強行綁在風箏上，從一座塔上起飛，試圖掌握飛行，但最終失敗了。在 1492 年，萊昂納多·達·芬奇被認為設計了一架“飛行器”，但他的夢想要過很多年才能實現。

熱氣球是 1783 年實現載人飛行的第一種交通工具。這是一次巨大的進步，證明了隨著人類對世界的理解不斷擴充套件，飛行成為了一種可能性。

蒸汽機的設計誕生於 17 世紀末，首次為自動化推進提供了一種手段。儘管蒸汽機花了很長時間才獲得動力，但它廣泛的實施和多樣化的設計使人們瞭解了發動機的工作原理以及如何將它們用於升級交通方式。然而，所有嘗試使用蒸汽機作為飛行動力來源的嘗試都失敗了，因為發動機的重量太大。

20 世紀初，當飛機首次被開發出來時，社會上的主要交通方式是蒸汽火車和船舶，以及新興的汽車。到 19 世紀末和 20 世紀初，內燃機開始在市場上佔據越來越重要的地位，人們投入了大量的努力來改進它們。汽車行業在內燃機和電動汽車哪個是為汽車提供動力的最佳選擇這個問題上存在分歧。最終，內燃機提供了更大的馬力，並最終成為汽車推進的首選方法。改進的設計和技術發展使功率重量比更高，最終使其適合為飛機提供動力。

設計與誕生

萊特兄弟受滑翔機概念的啟發，建造了第一架成功的動力飛機，並在 1903 年進行了首次動力飛行。雖然他們不是第一個建造實驗飛機的人，但他們是第一個發明飛機控制系統的人，使固定翼動力飛行成為可能。這對兄弟高中輟學，從事各種機械工作，包括腳踏車。正是這些工作培養了他們的機械技能，特別是他們與腳踏車的工作影響了他們的設計。

這對兄弟設想飛機的轉向方式類似於腳踏車的轉向，即車輛傾斜轉彎而不是突然改變方向。他們在滑翔機方面做了一些早期工作，試圖弄清楚如何實現這一點，並發現了機翼扭曲作為解決方案的益處。他們還遇到了升力問題。經過調查，他們發現升力方程中係數的傳統值最終會誇大升力，這解釋了他們的問題。為了準確地確定每個機翼的升力，這對兄弟建造了一個風洞，並測試了許多不同的機翼設計，以獲得每個機翼提供的升力的準確值。

在一些實驗之後，在尾部安裝了一個垂直方向舵，這有助於消除轉彎問題，它可以移動，使飛機能夠安全地結束轉彎動作。三軸控制的進一步發展使飛行員能夠有效地操縱飛機並保持其平衡。

他們螺旋槳設計的開發是詳細風洞測試不同設計的結果。他們決定使用兩個長約 8 英尺的“推力式”螺旋槳，它們反向旋轉以抵消扭矩。它們是由三層膠合雲杉木製成的。

輕型發動機的開發導致了一些獨特想法的應用。例如，使用鑄鋁發動機缸體來減輕重量，使用原始化油器，以及利用重力將燃料送入發動機。發動機是由他們的車間機械師與這對兄弟密切合作設計的。

飛機沒有立即獲得動力，飛艇幾乎完全壟斷了空中旅行。飛機的興起以及隨後飛艇的衰落直到第一次世界大戰才到來。在戰爭期間，德國人委託製造了近 100 艘飛艇用於軍事行動。它們的機動性、速度和效率遠遠超過飛機，突出了飛機的優勢及其未來的潛力。興登堡號事件進一步促進了飛機飛行的興起，飛機很快就成為市場領先者，因為它更快，但不太舒適。

第一次世界大戰結束後，航空業進展緩慢。1922年，澳航（QANTAS）進行了首次客運飛行，以及首次郵件遞送服務。用於這些航程的飛機是戰爭中遺留下來的戰鬥機，可以搭載駕駛員和最多兩名乘客。郵件運輸被許多航空公司採用，作為為客運航班提供資金的方式。

增長

第二次世界大戰期間，空中作戰受到高度重視，促使參戰國家改進現有設計。1936年，德國人取得了最重大的進步，他們發明了Heinkel He 178，這是世界上第一架噴氣式飛機。由於設計的不實用性，它並沒有得到廣泛應用。在第二次世界大戰期間，德國人基於這種設計，於1943年設計了梅塞施密特Me 262，這是第一架投入使用的噴氣式戰鬥機。作為當時最快的戰鬥機，梅塞施密特被認為是傳統螺旋槳設計的巨大改進，促使其他國家也走上了這條發展道路。

最初的飛機設計小巧輕便，限制了大型貨物運輸和客運航班。提供的主要服務是短途計程車服務和尋求刺激的遊客的遊樂飛行。

直到更輕、更堅固的金屬材料、更精確的製造工藝、噴氣發動機設計和燃料的改進，以及計算機技術和電力技術的進步，飛機才得以發展到今天的樣子。

客機變得更大，從只能搭載兩名乘客發展到能搭載數百名乘客。這使得客運航班更加盈利，從而帶來更好的服務，吸引更多客戶，形成良性迴圈。這種趨勢一直持續到今天。

貨運領域也出現了類似的情況。隨著飛機能夠承載更大載重，貨運飛機應運而生，使主要用於高價值商品的快速運輸成為可能。戰爭的努力推動了很大一部分發展。由於航空貨運運輸成本巨大，這種服務最初只適用於重要商品或需要快速運輸方式的商品。即使航空貨運進一步發展，這種狀況在今天仍然存在，因為大多數單位體積成本低的商品都是透過集裝箱運輸方式運輸的，這要便宜得多。

飛機在市場上的另一個最初的利基領域是軍方。飛機在第一次世界大戰爆發前十年就被髮明出來了，第一次世界大戰見證了飛機的首次廣泛應用。戰爭驗證了飛機作為軍用車輛的效率和潛力，引發了 20 世紀航空運輸的許多重大發展。在 20 世紀，飛機被用於許多軍事目的，例如：偵察、對陸地部隊/基地和海軍部隊的空中打擊、重要貨物運輸、人員插入等等。

如果沒有軍方的發展動力，航空運輸的進步將會更加緩慢。飛機的廣泛應用和多功能性促使各國繼續為飛機的設計開發提供資金，包括改進發動機機械、改進材料以及在電力系統、計算機技術、跟蹤系統和安全系統方面取得重大進步。這些發展迅速地進入商業市場，並改善了整個系統。

政策問題

萊特兄弟儘快以儘可能詳細的方式為他們的設計申請了專利。他們還透過積極的法律行動追究任何對該專利的侵犯行為。因此，萊特兄弟被其他人視為貪婪。其中一起涉及格倫·柯蒂斯（Glenn Curtiss）的訴訟從 1909 年持續到 1914 年。在這段時間裡，萊特兄弟將大部分精力花在了打官司上，而不是進一步改進他們的設計。儘管柯蒂斯創辦了一家大型公司來開發和製造飛機，以及其他人效仿他的做法，但飛機在美國的發展受到了嚴重阻礙。

因此，在第一次世界大戰期間，美國被迫使用法國設計的飛機，因為他們自己的設計遠遠落後。在一些國家，政府發揮了重要作用。在美國，政府在政策方面嚴格遵循鐵路模式。他們認為這兩者是相似的，因為它們都執行運輸任務，並且操作方式相似。來自鐵路的政策，例如固定乘客票價，被延續到飛機上。對乘客票價的限制損害了該行業在早期的發展。如果飛機沒有滿載，這在早期經常發生，那麼航程就不會盈利。為了解決這個問題，飛機經常運送貨物來補貼成本，但仍然不盈利。當飛機開始運輸郵政貨物時，這個問題得到了解決，因為運輸郵件獲得了政府的大額補貼，幫助提高了盈利能力。關於勞資糾紛的政策直接來自其他運輸系統，例如鐵路，鐵路已經建立了有效的制度。還有關於為小型社群提供服務的政策。必須提供最低級別的服務來包括在路線中的小型社群。這些規定旨在保護現有企業免受新企業的影響。

第二次世界大戰後，飛機在商業領域的應用開始起飛。噴氣式發動機的發現使得飛機更大，運載能力更強，導致規模經濟的進一步發展。在澳大利亞國內市場，各州和領地之間主要城市的航線迅速開通。在國際上，主要樞紐之間開通了走廊，以前所未有的方式連線著各國。在大多數情況下，旅遊業是決定該行業在何處以及如何發展的控制因素，因為可以說它是國際航空旅行的主要原因，並且今天仍然如此。以旅遊業為重點導致交通樞紐被選中作為機場的所在地，因為這些位置提供了與其他熱門目的地的良好連線。

在澳大利亞，澳航（QANTAS）於 1935 年與帝國航空公司（Imperial Airways）合作開始運營國際航班，這被證明是一項有利可圖的冒險。戰爭結束時，袋鼠航線誕生，袋鼠標誌被用作品牌，因為它成為了一個聞名世界的象徵。第二次世界大戰後，澳航迅速擴大了其國際影響力，尤其是在 1946 年被澳大利亞橫貫航空公司（Trans-Australia Airlines）從國內市場撤出後。該公司旨在將澳大利亞與世界上的所有主要國家連線起來。隨著技術和工程的進步，隨著時間的推移，這一目標變得越來越容易實現。

到 20 世紀 90 年代初，飛機運輸的私有化在全球範圍內相當普遍。這導致了商業競爭，政府經常鼓勵這種競爭，同時也易受政府政策的影響。澳航在 1995 年被完全私有化，此前三年獲得了運營國內航班的權利。此前，該航空公司幾乎全部運營國際航班，創造了一些世界紀錄並保持了穩定的業務流程。由於該航空公司幾乎所有里程都是國際航班，因此他們受到的多數政策和法規都與降落、維護、空中交通管制和安全有關。由於嚴格的法規阻止了新航空公司成立，澳大利亞的競爭很少。澳航的主要國內競爭對手在 2001 年倒閉，使澳航獲得了壟斷地位。然而，這種情況持續時間很短，因為維珍藍（Virgin Blue）擴張進入市場，提供了競爭。這種競爭激發了對服務質量的增長和持續改進的需求。這種增長的一個例子是捷星航空（Jetstar），這是一家廉價航空公司，是澳航的子公司，部署來與維珍競爭。類似事件在整個飛機歷史中一直在國際市場上演，但規模更大，派系更多，聯盟也更加複雜。

定量分析

定量分析的目的是概述模式生命週期。需要理解生命週期的三個階段（誕生、增長和成熟），以便繪製描繪飛機生命週期的 S 型曲線。可以使用以下公式估計該曲線：

S(t) = K/[1+exp(-b(t-t₀)]

其中

 S(t) 是狀態度量（在本例中，是飛機乘客數量）

 t 是以年為單位的時間

 t₀ 是達到 0.5K 的年份

 K 是飽和狀態水平

 b 是一個係數

此公式簡化為

-b(t – t₀) = ln(K/S(t) – 1)

資料提供了 S(t) 和 t 的值，根據這些值，可以在 Excel 中的迴歸分析中對 K 的估計值進行試用。找到 K 後，將 y 軸截距除以 -b 將得到 t₀。

結果

國際民用航空組織 (ICAO) 自 1970 年以來一直在收集航空資料。資料集包含有關運輸的幾個領域的資訊，例如貨運和客運航班。在本分析中，將使用有關全球每年乘客數量的資料。這些資料是在世界銀行^[1]獲得的，以及隨後有關澳大利亞和英國的特定資料。不幸的是，儘管民航可以追溯到 20 世紀的頭十年，但這些資料是最古老的條目。這個問題將在後面處理。

圖 1 顯示了世界乘客資料的圖，以及一條指數趨勢線，以顯示易於識別的關係。

從上面的圖中可以看出，隨著時間的推移，持續增長正在發生。資料還符合指數增長曲線，表明飛機作為一種交通方式甚至還沒有進入其增長階段的後半段。這意味著這種模式還沒有進入成熟階段。圖 2 和圖 3 顯示了相同型別的資料，但分別只關注澳大利亞和英國。

圖 2 和圖 3 中的資料表現出與圖 1 相同的行為，證明了飛機仍然處於增長階段的理論的有效性。

迴歸分析僅對圖 1 中的資料集進行，因為該資料代表了整個世界。分析結果如下表 1 所示。

	K	t₀	b	R^2
世界	16000	2040.374867	0.052846	0.982325968

圖 4 下面顯示了對澳大利亞資料的近似外推。選擇澳大利亞是因為它需要最少的年份來外推，同時也遵循與其他資料集相同的趨勢。這種外推完成了澳大利亞民航的誕生階段。

成熟

由於模態利用率仍在大幅增長，因此飛機尚未達到成熟階段尚存疑問。從上面的圖表可以觀察到，乘坐飛機出行的人數總體呈上升趨勢，表明這種交通方式仍在發展。迴歸分析和資料圖的結果也支援了這一結論。

參考文獻

1. 世界銀行：國際民航組織 2018 年，2018 年 5 月 4 日檢視，https://data.worldbank.org/indicator/IS.AIR.PSGR

2. Garrison, WL & Levinson, DM 2014，THE TRANSPORTATION EXPERIENCE，第 2 版，牛津大學出版社，紐約，紐約。

3. “萊特兄弟”，維基百科，維基百科文章，2018 年 5 月 4 日檢視，萊特兄弟

4. “QANTAS 歷史”，維基百科，維基百科文章，2018 年 5 月 4 日檢視，QANTAS 歷史

5. “噴氣式飛機”，維基百科，維基百科文章，2018 年 5 月 4 日檢視，噴氣式飛機

6. 大英百科全書 2018 年，協和式飛機，大英百科全書編輯，2018 年 5 月 5 日檢視，https://www.britannica.com/technology/Concorde

7. QANTAS，悉尼，2018 年 5 月 6 日檢視，https://www.qantas.com/au/en.html

8. 飛機，牛津詞典 2018 年英語中飛機的定義，2018 年 5 月 4 日檢視，https://en.oxforddictionaries.com/definition/aeroplane

9. 飛機定義和含義，柯林斯英語詞典 2018 年，2018 年 5 月 4 日檢視，https://www.collinsdictionary.com/dictionary/english/aeroplane

10. 飛機，定義、型別、機制和事實，大英百科全書網站 2018 年，2018 年 5 月 4 日檢視，https://www.britannica.com/technology/airplane

11. 空運的優缺點 - 教程 - Vskills 2018 年，2018 年 5 月 4 日檢視，https://www.vskills.in/certification/.../advantages-and-disadvantages-of-air-transport/

12. 飛機的主要用途是什麼？，Reference.com 2018 年，2018 年 5 月 8 日檢視，https://www.reference.com › 車輛 › 飛機和直升機

13. 交通時間軸，2018 年 5 月 8 日檢視，https://www.bclm.co.uk/media/learning/library/ks1-transport-timeline.pdf

14. 空運歷史發展 - 施普林格 2016 年，2018 年 5 月 7 日檢視，https://www.springer.com/cda/content/document/cda.../9783709118795-c2.pdf?..

附錄