運輸部署案例集/國際航空公司
作者：Michael Petesch
跨越海洋在國家之間旅行有多種方式，但目前商業客機在旅行速度方面佔據壟斷地位。在機動船舶引入之前，帆船跨大西洋的合理旅行時間為一到兩個月。以煤炭為動力的機動船在速度和可靠性方面取得了驚人的進步，進一步將單程跨大西洋旅行時間縮短至1840年的16天。[1] 隨著柴油發動機和替代的、減重的建築材料的出現，旅行時間進一步縮短。1952年，主要由鋁製成的美國聯合號（SS United States）創造了3天12小時的最快跨大西洋航行記錄，時速超過54公里/小時，至今仍保持著這一記錄。[2]
另一種在20世紀40年代和50年代之前出現並與商業客機競爭的交通工具是飛艇，特別是齊柏林飛艇。也許有史以來最成功的載客飛艇是LZ 127興登堡號。在其服役期間，它飛行了超過一百萬英里，包括1929年首次環球飛行。1928年10月11日，它從德國腓特烈港起飛，開通了跨大西洋空中客運服務。經過111小時44分鐘的飛行，該飛艇於1928年10月15日降落在新澤西州萊克赫斯特。它載有40名機組人員和20名乘客[3] 返回德國的旅程耗時71小時49分鐘，略低於三天。當時的遠洋客輪需要兩倍的時間才能將乘客運送到大西洋彼岸。[3]
儘管旅行時間更快，但齊柏林飛艇在其他方面處於嚴重劣勢。乘客數量通常如果不是總是低於100人，而且由於其巨大的尺寸，它們非常消耗資源，需要巨大的製造機庫和特殊的停泊區域。當臭名昭著的興登堡號飛艇，充滿易爆氫氣，變成一個巨大的漂浮然後墜落的火球時，輝煌的飛艇時代結束了。
隨著飛艇時代的終結，公眾對快速旅行的需求也超越了其他交通方式。到20世紀40年代和50年代，跨大西洋商業航班開創了一種以小時而不是天為單位的新參照系。一架商業飛機可以在5到6個小時內從紐約市飛往倫敦，橫跨大西洋。快捷和直達一直是航空運輸最大的優勢，並且將繼續保持下去。如今，大多數度假者和旅行者由於工作義務而限制了旅行時間，因此快速、便捷的旅行變得越來越重要。以前，乘坐船舶和飛艇旅行時，旅客需要確定潛在度假體驗的時長和質量是否超過旅行時間。現在，度假者可以預訂機票，乘坐飛機，並在同一天在數千公里外的國家用餐。
客運量也使航空旅行極具競爭力。早期的載客量與齊柏林飛艇相似，但隨著建築材料技術、減重技術和發動機推力的進步，現在可以一次運送數百名乘客。
安全性是航空旅行的另一個優勢。僅根據每公里旅行的死亡人數或甚至墜機次數來看，飛機是有史以來最安全的交通工具之一。飛行員的專業知識和飛機的安全法規減少了飛行事故的數量。航空旅行通常透過在雲層之上飛行來避開大多數天氣模式，這使得旅行安全且不受風暴活動的影響。另一方面，海上旅行會受到任何天氣變化的直接影響，這些變化會產生風或造成大浪，有時會延長航程，使其變得乏味且更加危險。海上旅行還需要熟練的導航以避免危險的岩石構造或冰流，而航空旅行此類危險較少。[4] 透過使用自動駕駛技術，可以進一步降低這些危險。
最後，對航空旅行的需求增加了國際航班和航空公司的數量，使商業客機更加令人嚮往。最初，飛行是一種非常昂貴的交通方式，只有富人才負擔得起，但隨著市場的全球化，公司開始為商務人士支付飛行費用。現在，航空公司之間的競爭降低了飛行成本，並增加了各種飛行時間、直達性、便利設施和舒適度的旅行選擇。
- 噴氣發動機：儘管自18世紀後期就已授予了工作燃氣渦輪噴氣發動機的專利，但第一個真正為飛機提供動力的噴氣發動機是由一位名叫漢斯·馮·奧哈因的德國人開發的。1939年8月27日，一次成功的首飛使Heinkel He 178成為世界上第一架噴氣式飛機。[5] 到20世紀50年代，噴氣發動機在戰鬥機中幾乎普遍使用，並在英國的商用客機上變得越來越普遍。到20世紀60年代，儘管活塞式和螺旋槳式發動機燃油效率更高，但所有大型民用飛機都採用了噴氣發動機。隨著高涵道比渦扇噴氣發動機的出現，這種發動機在高速和高空表現更好，噴氣發動機的效率也與前身發動機一樣高。[6] 此外，燃氣渦輪發動機在商用應用中淘汰了螺旋槳，因為它們具有更高的功率重量比。燃氣渦輪發動機也比相同功率的往復式發動機更小。因此，鼓勵商用客機發展壯大。
- 煤油燃料：飛行高度和航程的增加意味著部件和燃料將受到更多條件的影響。專門為商用噴氣飛機開發的噴氣燃料（稱為Jet-A）提供了急需的一致性和可靠性。Jet-A是純煤油，具有很高的閃點（燃料蒸汽被明火點燃的溫度）和辛烷值（確保燃油高效燃燒）。它通常與防凍劑混合，以防止油箱中結冰，從而可能堵塞油管並使發動機熄火。
- 自動駕駛儀：導航精度是自動駕駛儀系統的重要組成部分。透過減少人類飛行員常犯的微小導航錯誤，自動駕駛儀可以縮短飛行時間並最大限度地提高燃油效率。因此，自動駕駛儀系統確保可靠的最大線性距離。
- 複合材料：自20世紀20年代飛機開始使用鋁以來，已經開發和使用了多種複合材料，這些材料結合了兩種或多種有機或無機成分，例如玻璃纖維、碳纖維和其他特殊纖維。複合材料的最大價值在於它們既輕便又堅固。飛機重量越重，消耗的燃油就越多，因此減輕重量對航空工程師來說非常重要。[7] 另一方面，鋁在受到持續凹陷後可以修復。複合材料則不行。儘管波音 777 的結構重量約有 10% 是複合材料，但商用客機可能會繼續使用鋁製造，因為鋁需要較少的維護。[7]
- 燃料型別受到監管以確保安全。噴氣發動機對燃料的化學和物理性質比汽油和柴油發動機敏感得多。[8] “發動機和飛機設計的進步極大地擴充套件了飛行包線的種類，這需要制定渦輪發動機燃料質量的新標準。這導致了為不同目的引入各種燃料型別，並制定了規範以確保燃料滿足裝置要求並在所有飛行條件下可靠燃燒。”[8]
- 跑道長度：每種飛機型號都有最低的起飛和著陸距離要求。跑道長度必須標準化，不僅是為了使國際航班成為可能，而且是為了鼓勵國際航班。
- 跑道保護區：“跑道端部以外的梯形區域，旨在在飛機著陸或墜毀超出跑道端部時增強對地面人員和財產的保護。”[9] 機場必須遵守聯邦航空管理局設計標準中關於跑道保護區的三個規定。首先，機場必須擁有這塊土地。其次，機場業主必須保護跑道保護區免受障礙物和不相容土地用途的影響。最後，機場業主必須努力在機場周圍獲得相容的區域劃分，以防止可能導致或引發衝突的不相容土地用途，這些衝突會危及機場，導致機場關閉，或需要大量補救投資來購買有衝突的開發財產。[9]
- 著陸費：一項規定，要求飛機向其著陸的機場支付費用。如果許多飛機想要降落在繁忙的機場，由於對固定數量的航站樓的需求很大，著陸費將很高。這些高昂的成本不成比例地有利於大型商用飛機，因為它們可以運載大量人員來抵消費用的成本。因此，高昂的著陸成本鼓勵使用更大的飛機。
- 跑道長度：隨著商用飛機越來越大，它們需要越來越長的跑道才能起飛和著陸。因此，機場常常不得不延長跑道以吸引這些大型飛機的業務。透過儘早積極地保護跑道保護區，機場可以適應跑道延伸並獲得大型飛機帶來的好處。
- 安全程式：9/11/01 事件後實施的許多安全政策，例如全身掃描、液體限制、鞋和腰帶移除，使得國際旅行比以前更加麻煩。十年前某一天的結果已經並將繼續對國際航空旅行的增長產生負面影響。
計算客運公里數的過程涉及幾個步驟。首先，將“國際航班”定義為至少 5568 公里（紐約到倫敦的距離）的航班。這確定了最低飛行距離，並排除了 1938 年之前飛行的商用客機。它還確保了資料和後續分析的一致性。其次，在維基百科的幫助下，整理了一份飛機及其首次服役年份的清單。第三，獲取了有關每架飛機最大載客量配置、最大飛行距離和服役開始日期的飛機技術資料和規格。[10] 第四，客運公里數計算為飛機載客人數乘以飛機飛行距離的乘積。
| 飛機型號 | 年份 | 乘客 | 航程 | 客運公里數 | 預測客運公里數 |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 |
| 麥克唐納道格拉斯 DC-8-63 | 1959 | 259 | 7232 | 1873104 | 1540179 |
| 圖波列夫 Tu-114 | 1961 | 224 | 10944 | 2451353 | 1657203 |
| 麥克唐納道格拉斯 DC-8-61 | 1965 | 269 | 8945 | 2406248 | 1916546 |
| 波音 747-100 | 1970 | 452 | 8575 | 3875792 | 2293297 |
| 麥克唐納道格拉斯 DC-10 | 1971 | 380 | 10001 | 3800304 | 2376301 |
| 空中客車 A330 | 1974 | 300 | 7686 | 2305740 | 2641808 |
| 協和飛機 | 1976 | 144 | 6232 | 897405 | 2833221 |
| 波音 747-300 | 1983 | 496 | 12168 | 6035149 | 3602112 |
| 波音 747-400 | 1989 | 524 | 13446 | 7045452 | 4395359 |
| 麥克唐納道格拉斯 MD-11CF | 1990 | 410 | 12168 | 5186156 | 4540464 |
| 空中客車 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 |
| 空中客車 A340-500 | 2004 | 313 | 16048 | 5022893 | 6979355 |
| 空中客車 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 |
| 調整後的 R 平方 | 0.7181 |
| 標準誤差 | 0.5326 |
| 觀察值 | 22 |
| df | SS | MS | F 值 | F 的顯著性 | |
| 迴歸 | 1 | 15.4541 | 15.4541 | 54.4827 | 3.95E-07 |
| 殘差 | 20 | 5.6730 | 0.2837 | ||
| 總計 | 21 | 21.1272 |
| 係數 | 標準誤差 | t 統計量 | P 值 | 下限 95% | 上限 95% | |
| 截距 | -79.0493 | 10.4288 | -7.5799 | 2.65478E-07 | -100.8034 | -57.2952 |
| X 變數 1 | 0.0389 | 0.0053 | 7.3812 | 3.95048E-07 | 0.0279 | 0.0499 |
使用 Excel 中的迴歸工具，生成了 K 值從 17000000 到 31000000 的幾個迴歸結果。然後將每個 K 結果的調整後的 R 平方、F 值和 T 值放入表格中並進行視覺比較（參見表 6）。
| K 值 | 調整後的 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 |
隨著 K 值的增加，調整後的 R 平方在約 71% 的位置趨於平穩，表明變數調整中解釋了 71% 的運動（生成的數字）。此外，F 值穩定在 54，T 值穩定在 7.4，表明該模型整體上具有統計學意義。
0.71 的調整後的 R 平方值與 27000000 公里的 K 值相關。在 27000000 公里之後，所有三個測量值（調整後的 R、F 值和 T 值）在每個後續的 K 值之間變化小於 0.1。這種微小的變化表明，270000000 公里之後的 K 值都是確定 K 的同樣好的模型，甚至包括 50000000 公里。因此，K = 27000000 被用作最佳擬合迴歸線。
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，選擇 27000000 的 K 值是因為它標誌著平臺的開始。表 5 總結了從 K 值為 27000000 的迴歸計算中收集的資訊。使用計算出的截距和 b 係數，可以計算出 t0（以年份表示的拐點，在該點客運公里數開始以遞減的速度增加）。K = 27000000 的 t0 是 2031 年。使用這些變數，使用方程式 S(t) = K/[1+exp(-b(t-t0)] 計算了 S 型曲線。右側生成的 S 型曲線描述了客運公里數的進步將在 2031 年後開始下降，並在圖中大約 2170 年達到 27000000 客運公里數的水平。由於所有引數都是最大值，因此如果燃料型別保持一致，則確定的拐點是相對極值。本次分析中沒有考慮燃料型別和燃油效率的變化。
- 跑道和航站樓的長度可能會限制大型飛機的最終尺寸。儘管在存在降落費的情況下，大型飛機將繼續比小型飛機更有利可圖，但航站樓的規模將成為一個問題。將不得不權衡允許停靠在機場的飛機數量或允許停靠的飛機的大小。
- 一些機場比其他機場有更大的擴充套件空間。這可能導致商業航班出現規模專業化，其中超級大型飛機能夠在特定機場起降。但是，這種專業化可能是弊大於利的，因為為了真正獲得超級大型飛機的好處，它應該全天候全年執行。否則，將是對資本投資的浪費。再說一次，如果超級大型飛機只能在特定機場之間飛行，那麼行程選擇和可能性就會減少，從而進一步降低其經濟可行性。
儘管有模型，但商用飛機的航程可能已經達到頂峰，因為不需要能夠飛越半個地球的飛機。因此，為了增加每次飛行的客運公里數，飛機必須變得更大，搭載更多乘客。空客A380目前是世界上最大的飛機，並且像之前的波音747一樣，可能會在未來幾十年保持這一稱號。原因是，建造更大飛機的成本以及改造基礎設施（航站樓和跑道）以適應更大飛機的成本可能會抑制客運公里數的增長。因此，雖然該模型預測增長將持續到2170年，但增長可能會零星出現，並且可能在2170年之前達到成熟期的平臺。
對快速、安全和廉價的國際旅行的需求促使航空公司投資更大的飛機、輕質複合材料以及更大、更高效的發動機。這些因素相結合，提高了燃油燃燒效率，並有助於提高每次飛行的潛在客運公里數。根據22架飛機的最大載客量和航程，每次飛行的客運公里數將呈指數增長，直到2031年，然後呈指數下降，直到該技術在2170年左右達到平臺期，這是根據生成的模型得出的。雖然該模型預測了這一點，但它可能會受到最近投入使用的空客A380的巨大載客量的影響。像A380這樣的巨型飛機的推出是很少見的，導致資料集相當零散，從而影響了拐點和成熟年份。此外，其他限制因素，如世界的大小和跑道的長度，已經開始限制必要的最大航程和飛機尺寸（直接影響載客量）。因此，客運公里數的成熟期可能會比模型預測的更早到來。
- ↑ Decker，Kris D. 沒有飛機的生活：從倫敦到紐約需要3天12小時。低科技雜誌。2008年6月4日。檢索日期：2011年10月12日。[1]
- ↑ 跨大西洋航線時間，1838 - 1952（以天為單位）。交通系統地理學。檢索日期：2011年10月10日。[2]
- ↑ a b 格拉夫齊柏林號歷史。飛艇：興登堡號和其他齊柏林飛艇。2009年。檢索日期：2011年10月12日。[3]
- ↑ 麥肯齊，理查德·B. 理解航空安全辯論。卡託商業與政府評論。1991年。檢索日期：2011年10月12日。
- ↑ 瓦爾西茨，盧茨：第一位噴氣式飛機飛行員——德國試飛員埃裡希·瓦爾西茨的故事（第125頁），佩恩與劍圖書有限公司，英國，2009年
- ↑ 第10章：飛機技術。追求效能：現代飛機的演變。第二部分：噴氣時代。Hq.nasa.gov。檢索日期：2011年10月12日。[4]
- ↑ a b 複合材料和先進材料。美國飛行百年委員會
- ↑ a b 噴氣燃料的歷史。BP航空
- ↑ a b 跑道保護區。中部地區機場司。AIP贊助指南 – 500。2010年10月1日。檢索日期：2011年10月14日。[5]
- ↑ 飛機技術資料和規格。2011年。檢索日期：2011年10月10日。[6]