運輸部署案例集/2023/美國客機

美國客機簡介

客機技術特點

客機設計用於商業目的運輸人員和貨物。它們尺寸和型別各不相同，從小型支線飛機到能夠承載數百名乘客的 大型寬體飛機。用於驅動客機的發動機型別取決於飛機的時代和設計。早期客機通常使用活塞式發動機，而後期機型則轉向噴氣式發動機。如今，渦扇發動機是現代客機的首選。儘管發動機技術發生了變化，但空氣動力學的 基本原理仍然相同，包括使用伯努利原理透過增加速度來產生壓力差以產生升力。飛機設計和工程技術的進步 導致了更高效、更可靠的客機的開發，這些客機徹底改變了人類旅行和經商的方式。

優勢

不同時代客機提供的相同優勢是，它們為人類提供了更快的國內和國際旅行選擇，節省了相同距離的船舶、火車和汽車的旅行時間。從 1926 年客機問世到能夠承載大量貨物的客機，再到如今一次能夠承載 800 多名乘客的客機，無論乘客數量多少，飛行都是最快的旅行選擇。^[1]

RMS 奧林匹克郵輪

1930 年從紐約市到美國各地不同地點的旅行時間（以天為單位）

現代客機的優勢在於，它是當今最安全的旅行方式之一。先進的技術、嚴格的培訓計劃和嚴格的法規都促進了航空旅行的安全。客機也是環保的，每乘客英里的碳排放量低於其他交通方式。^[2] 最新的客機以乘客舒適度為設計理念，提供各種便利設施，如機上娛樂、餐飲服務和無線網際網路接入。^[1] 這些特點使航空旅行成為許多乘客的熱門選擇。

美國客機市場

在美國航空業的早期，飛行器主要用於美國的航空郵件市場。^[3] 由於缺乏基礎設施和技術，客機市場有限。美國客機市場在第一次世界大戰後將庫存轟炸機改裝為商用後真正開放。^[4] 在 1940 年至 1980 年之間，由於工程和製造的進步，客機變得更加複雜和高效。^[4] 每架飛機的乘客數量增加，導致票價下降，這加速了客機市場的增長，當時波音和道格拉斯等大型公司主導著航空業。如今，波音收購道格拉斯，使得客機市場在美國和世界各地領先，唯一競爭對手是法國的空中客車。^[5]

客機市場的增長正在放緩，以 COVID-19 疫情為起點，選擇國際旅行的人越來越少。5G 網路時代讓更多人能夠遠端參加會議和學校。航空公司也在退役更多高容量飛機，例如空客 A380 和波音 747。^[6] 但全球對客機的需求仍在上升，未來 20 年全球仍將交付 44500 架新飛機，但偏愛中型客機。^[7] 從客機設計角度來看，讓更多乘客享受更好的飛行舒適度將成為未來客機市場的首要目標。

客機出現之前的運輸方式

在客機出現之前，長途旅行在很大程度上仍然依賴於兩種交通方式：船舶和火車。而跨洋旅行只依靠船舶進行。在速度限制方面，使用火車或船舶會更加明顯，較慢的旅行速度導致在交通中花費更多時間。在 20 世紀初，RMS 奧林匹克郵輪橫渡大西洋需要近 15 天。^[9] 當時美國鐵路系統正處於鼎盛時期。從紐約到艾奧瓦州也需要至少一天的時間才能透過鐵路旅行。^[8] 當時，郵輪和火車被視為一種更富裕的旅行方式，因此對於旅行舒適度來說，它們是一個不錯的選擇。從旅行效率的角度來看，商人 和專業人士需要更長的時間進行長途旅行。對於鍍金時代的美國來說，所消耗的時間是不可接受的，當時的貧富差距非常嚴重，再加上不受限制的鐵路擴張導致美國勞工罷工以及對鐵路交通方式本身的其他負面影響。因此，需要發現一種更快、更便捷的交通方式。

“珍妮”寇蒂斯 JN-4H 墜毀在樹上

波音 247 - 1933

卡爾文·柯立芝總統用來簽署 1925 年《航空郵件法案》的鋼筆

客機的發明

世界上第一架飛機“1903年萊特飛行者”的發明，推動了航空業的發展，最終催生了客機的出現。^[10] 19世紀早期，滑翔機機翼設計的空氣動力學角度引起了公眾的關注。^[4] 當時的主要技術障礙是如何為飛行產生持續的動力。俄羅斯人嘗試過蒸汽動力，但效果不佳。1876年，埃蒂安·萊諾瓦製造了第一臺內燃機，成功地為飛機奠定了理論動力基礎，使萊特兄弟能夠製造出他們用於飛機的四缸發動機，併成功地實現了飛行，標誌著航空業的正式誕生。^[4]

十五年後，在1918年，美國正式開始使用“珍妮”寇蒂斯 JN-4H 雙翼飛機進行航空郵件服務。^[3] 該飛機由美軍和海軍制造。^[11] 從1918年到1926年，有200多名航空郵件飛行員，其中35人死於飛機事故。^[3] 直到第一次世界大戰結束，大量的退役美國轟炸機德哈維蘭 DH-4 被移交給航空郵件行業，飛機的危險係數才得以降低。^[4] 當時，轟炸機被認為是一種更安全、更快且更優秀的飛機。DH-4 透過大幅縮短長距離運輸時間，對鐵路行業造成了巨大沖擊，而對時間敏感的金融行業則在支票和證券交易普遍使用郵件的時代，增加了對航空郵件行業的支撐。^[4] 航空郵件行業的快速發展引起了國會的關注，最終促成了“1925年航空郵件合同法”和“航空商業法”的頒佈。^[12] 這兩項法案使航空郵件行業能夠以私營合同的方式進行，並確保了外部投資的安全性，也使所有個人和企業都能安全地參與航空業，增加了競爭機會，加速了客機行業的成長。從1925年開始，在政策支援下，飛機制造業開始迅速發展，新的整流罩設計、活塞發動機、可變槳距螺旋槳以及其他新型飛機設計大量湧現。^[4] 第一架客機波音247問世，它擁有前所未有的速度（290公里/小時），能夠搭載多達10名乘客和3名機組人員，當時獲得了350萬美元的訂單，於1933年5月22日開始為聯合航空公司運營。^[13][4] 這成功地開啟了客機的篇章。

美國客機的生命週期

美國客機早期市場（1926-1960）

道格拉斯 DC-2

民航局

波音307-Stratoliner

波音247的推出正式開啟了活塞發動機客機的早期市場。在此之前，許多航空公司都在嘗試透過運輸乘客來獲利，而在波音247出現之前，所有客運航空公司都因高昂的運營成本而倒閉。^[3] 美國聯邦政府不得不引入各種補貼來鼓勵客機的發展，包括前面提到的“航空郵件合同法”和“航空商業法”。1930年，“麥克納裡-沃特斯法案-航空郵件法案”頒佈，允許郵件和客機航線合併，並根據判斷增加航線數量。^[14] 該法案極大地刺激了航空業，更多可選的航線讓更多人能夠選擇空中旅行，大量新開發的航線也推動了對客機的需求。隨著波音247在1933年的問世，高額的利潤回報吸引了更多公司加入客機競爭，道格拉斯飛機公司抓住波音247在堪薩斯州墜毀的機會，生產了DC-2。^[4] 1936年，該公司研發出DC-3的改進版本，它能夠搭載21名乘客，並佔到了當時全球航空運輸量的90%。^[4] 從1936年DC-3出現開始，乘客數量從每年10萬人增加到每年100萬人。^[15] 在此期間，“民航法案”頒佈，美國民航局（CAA）正式成立，^[16] 客機正式轉向以乘客為導向的客機市場。

這種增長在太平洋戰爭爆發兩年後暫時停止，^[15] 但戰爭促進了飛機工程的快速發展。波音再次根據B-17轟炸機設計研製了波音307 Stratoliner。^[17] 它是世界上第一架能夠搭載40人飛入平流層的客機。^[span>17] 從1942年中途島戰役之後，美國將贏得這場戰爭的事實已被美國人所熟知。因此，1943年，客機登機乘客人數恢復到1941年的水平，並以每年300萬乘客的增幅繼續增長。^[15] 由於後來增加了波音307和DC-4等更大容量的客機，使得從1952年到1957年，客機乘客人數增長到每年500萬。^[15] 因此，客機快速發展的時代開始了。

客機早期市場的發展，是從技術的創新到政策的變化，最後到技術的進步。美國客機早期的補貼政策以及與客機運輸相關的計劃，都受到政策的影響，這些政策促使客機發展得以增長。

美國客機市場發展階段（1960-2000）

波音367-80（707原型機）推出

美國客機的發展階段是全球航空史上較為複雜的階段，本章將重點關注技術和政策這兩個改變美國客機發展階段的根本因素。事實上，經濟、政治和環境因素都在美國客機市場的發展中發揮了作用，但本章將不予討論。

技術

第二次世界大戰催生了噴氣發動機技術。波音再次根據轟炸機（B-47）衍生出一款噴氣式客機。^[4] 1954年，美國第一架噴氣式客機波音707進行了試飛，能夠在一趟行程中搭載近200名乘客。^[span>3] 首次飛行是在1957年，當時跨洋飛行和長途飛行的市場被完全開啟。從1960年到1970年，波音707佔領了大部分市場，從1970年開始，波音747和波音737被生產出來，使波音在美國客機市場上形成了壟斷地位。客機技術也在這一時期達到了頂峰。^[4][5]

政策

1956年大峽谷空中相撞事件

聯邦航空管理局-FAA

第一個政策變化與客機的安全有關。從20世紀50年代開始，航空發展使美國領空變得非常擁擠，1956年和1958年發生的兩次客機墜毀事件表明，民航局（CAA）實施的空中交通管制已經過時。1958年，艾森豪威爾簽署了“聯邦航空法案”，該法案廢除了民航局，併成立了聯邦航空管理局（FAA），重新規範了航空業的安全以及民用和軍用飛機使用美國領空的情況。^[18]

第二個是“1970年機場和航空發展法案”，該法案透過提高燃油稅、機票稅和其他稅收來為機場發展提供資金。該法案是為了滿足航空業的需求而建立的。^[19]

接著是“1978年航空公司放松管制立法法案”，該法案降低了票價，並增加了航空公司之間的競爭，使機票價格更實惠。^[20]

最後是“1994年通用航空振興法案”，該法案降低了航空製造商的責任，為航空製造業提供了推動，併為小型客機制造商提供了機會。這是一項創造更多就業機會並促進航空業發展的法案。^[21]

在此期間，出臺的法案旨在解決四個因素：安全、基礎設施、價格和責任。該法案的制定時間順序也反映了每個因素的重要性：首先確保飛機安全，其次確保機場數量，然後增加消費，最後確定責任分配。與之前在客機市場上制定的以發展為導向的政策相比，發展階段的政策更多地發揮著界定框架和建立邊界的作用，允許客機市場真正地進行規劃和排程。

該時期先進的技術和有效的政策也使美國客機乘客的年乘客數量從1962年的6000萬增加到2000年的近7億。^[15] 這些資料證明，美國在航空業發展方面取得了成功。

阿聯酋航空 空中客車 A380-861

波音 747-8

成熟階段（2000 年至今）

從 2000 年開始，美國客機每年運送的乘客數量已進入一個增長率逐漸保持平穩的階段。造成這種影響的因素包括世界範圍內技術的進步、航空公司乘客需求的變化、不可預見事件的發生以及對經濟的影響。

從技術角度來看，客機技術不再僅僅專注於發動機升級，速度和及時性也並非唯一標準。法國協和式超音速飛機就是一個很好的例子。客機技術已從工程轉向乘客設計，包括（客艙設施升級、乘客容量改進、飛機穩定性設計和飛機舒適度設計），而這些指標更側重於乘客本身。在 2000 年之後，舒適性成為了客機設計的主要目標，同時在舒適度基礎上提高了乘客容量。波音和空中客車這兩個航空業的全球壟斷企業都推出了具有更高舒適度和更高乘客容量的空中客車 A380 和波音 737-Max 機型。

舒適性和高乘客容量設計仍然無法阻止美國客機年乘客數量的下降，這主要是由於航空業之外的不可預見事件，這些事件是由經濟因素造成的。從 2000 年初至今，美國客機乘客年流量已出現三次大幅下降。^[15][22]

1. 2001 年的“911”事件，恐怖事件加劇了客機安全因素，導致乘客數量比 2000 年下降 36.7%。^[23]
2. 2007 年的金融危機，金融市場大幅下跌導致航空燃料價格大幅上漲，而美國人民出於經濟原因減少了旅行需求。^[24]
3. 2020 年的 COVID-19 疫情，病毒的大規模傳播需要美國人民長時間居家隔離，消除了所有必要的航空旅行。2020 年客機運力比 2019 年下降了 60% 以上，與 1985 年的客運量持平。^[22]

這些意外情況在很大程度上阻止了客機持續增長的趨勢，但也表明這種交通方式本身正處於這些意外情況的交叉點，即使沒有這些意外情況，也難以確定客機是否會降低增長趨勢。5G 快網路時代已經到來，自 1926 年以來透過飛機郵寄的證券和支票可以使用網路在幾秒鐘內傳輸。遠端辦公和會議不再困難或複雜，VR 和 AR 的發展正在促進更多虛擬互動方式。與此同時，亞洲快速發展的快速鐵路系統正在以更低的成本、相同的時間和更舒適的體驗與客機系統競爭國內交通。客機運輸系統正遭遇越來越多的挑戰。唯一持續的優勢是它們具備的短時間跨洋能力，這可能是未來乘客選擇客機的唯一原因。

定量分析 - （美國客機年登機乘客）

透過比較和合並來自美國航空公司 (Data & Statistics/Past A4Annual Reports 1937-2011) 和運輸統計局 (2001 - 2022) 的兩組資料，獲得了 1926 年至 2022 年美國客機年乘客數量的歷史資料。對美國客機的整個生命週期（早期、發展和成熟）進行了統計分析。^[15][22]

公式

使用三引數 S 形曲線邏輯函式

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

S(t) = 狀態測量（以機上乘客人數為單位），

  t = 時間（以年為單位），

  t ₀ = 拐點時間（獲得 S max 的一半的年份），

  S _max = 飽和水平（美國客機年最大乘客運力），

  b = 待估計的係數。

引數

為了使模型儘可能地擬合（R 平方接近 1），在測試中使用了不同的 S_max 引數，最終的 S_max 值透過從大量測試中逐次縮小範圍和進行多次測試來確定真正的 S_max 邊界。

最終測試最多的 S-Max 值是 93606600 個乘客。

迴歸結果

使用 S_Max=93606600 獲得的預測資料的模型擬合

變數	值		迴歸統計資料（1926 年至 2022 年）			迴歸統計資料（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		調整後的 R 平方	0.889949734		調整後的 R 平方	0.909482
			標準誤差	1.086944085		標準誤差	0.989378
			觀測值	97		觀測值	94

1926 年至 2022 年的迴歸統計資料

R 平方未超過 0.9 的原因是，2020 年美國客機乘客數量比 2019 年下降了 60%，這是一個非常不正常的數字，因此使用 S_Max=93606600 計算模型擬合數據，用於預測 2021 年之前的預測資料。

1926 年至 2019 年的迴歸統計資料

R 平方超過 0.9 並達到 0.91，這使得 2020 年之前的預測資料與模型更加一致。

結果

原始記錄資料放置在提供的 Google 表格中，每年的資料對應於透過審查 A4A 年度報告關鍵字分析獲得的中間空缺。^[15]

以下 Excel 表示“1926 年至 2022 年美國客機年登機乘客的實際和預測記錄”。

年	實際乘客	預測乘客		年	實際乘客	預測乘客		年	實際乘客	預測乘客		年	實際乘客	預測乘客
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

資料視覺化

對模擬資料曲線的分析提供了充分的證據，表明總體預測擬合與實際資料一致。

此外，以上三個階段，早期（1926-1960 年）、發展（1960-2000 年）和成熟（2000-2022 年）都符合預測曲線中的變化幅度。

唯一的困難是，對 97 年的資料進行更高擬合分析更具挑戰性，本文獲得的預測曲線仍然只是對真實預測曲線的近似，需要根據資料的變化程度進行更多細分。

藍色線 - 預測登機乘客 綠色線 - 實際登機乘客

1926 年至 2022 年（完整週期）

美國航空公司乘客登機人數 1926-2022

1926-1960 年（早期）

美國航空公司乘客登機人數 1926-1960

1961-2000 年（發展）

美國航空公司乘客登機人數 1961-2000

2000-2022 年（成熟）

美國航空公司乘客登機人數 2000-2022