運輸部署案例集/國際航空公司

作者：邁克爾·佩特奇

競爭

跨越海洋在國家之間旅行有幾種方式，但目前商業客機在旅行速度上處於壟斷地位。在機動船出現之前，帆船跨越大西洋的合理旅行時間為一到兩個月。1840年，以煤炭為燃料的機動船帶來了速度和可靠性的顯著提升，將單程跨越大西洋的旅行時間縮短至16天。 隨著柴油發動機的出現以及替代的、減輕重量的建築材料，旅行時間進一步縮短。1952年，主要由鋁製成的美國號郵輪創造了跨越大西洋最快航行的記錄，僅用3天12小時，速度超過54公里/小時，至今保持著這一記錄。

另一種在商業客機出現之前就存在並在1940年代和1950年代之前一直與商業客機競爭的運輸方式是飛艇，特別是齊柏林飛艇。也許有史以來最成功的客運飛艇是 LZ 127 齊柏林伯爵號。它在其使用壽命內飛行了超過一百萬英里，包括 1929 年的首次環球飛行。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 日降落在新澤西州的萊克赫斯特。它搭載了 40 名機組人員和 20 名乘客。 回程至德國耗時 71 小時 49 分鐘，略少於三天。當時的遠洋客輪跨越大西洋需要兩倍的時間來運送乘客。

儘管旅行時間更快，但飛艇在其他方面處於嚴重劣勢。乘客負載通常（如果不是始終）低於 100 人，而且由於體積巨大，它們的資源密集度很高，需要巨大的製造機庫和專門的停泊區。當臭名昭著的興登堡號飛艇（裝滿了易爆的氫氣）變成一個巨大的漂浮然後墜落的火球時，輝煌的飛艇時代就宣告結束。

國際航班的誕生

優勢

速度

隨著飛艇時代的自我毀滅，公眾對快速旅行的需求也超過了其他交通方式。到 1940 年代和 1950 年代，跨越大西洋的商業航班開創了一個新的參考系統，以小時而不是天來衡量。一架商業飛機可以從紐約市飛往倫敦，跨越大西洋，僅需 5 或 6 個小時。快速和直接一直是，並且將繼續是航空的最大優勢。如今，大多數度假者和旅行者由於工作義務而受限於旅行時間，因此快速、無憂無慮的旅行變得越來越重要。以前，乘坐船舶和飛艇旅行時，旅行者需要權衡潛在的度假體驗的持續時間和質量是否超過旅行時間的持續時間。現在，度假者可以預訂機票，登上飛機，並在同一天在數千公里外的國家享用美食。

容量

乘客容量也使航空旅行極具競爭力。早期的乘客負載與飛艇運載的乘客相似，但隨著建築材料的科技進步、減重技術的應用和發動機推力的增加，現在一次可以運送數百名乘客。

安全性

安全性是航空旅行的另一大優勢。僅從每公里旅行的死亡人數或甚至墜機次數來看，飛機是最安全的交通工具之一。飛行員的專業知識和飛機上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免大多數天氣模式，這使得旅程安全且不受風暴活動的影響。另一方面，海上旅行會直接受到任何天氣變化的影響，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，以避免危險的岩石地層或冰流，而航空旅行的此類危險較少。 這些危險可以透過使用自動駕駛儀技術進一步降低。

定價

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，使商業客機更加受歡迎。最初，飛行是一種非常昂貴的交通方式，只有富人才能負擔得起，但隨著市場的全球化，企業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，並增加了旅行選擇，包括各種航班時間、直飛航班、設施和舒適度。

創新

• 噴氣發動機：雖然早在 18 世紀後期就頒發了燃氣動力噴氣發動機的專利，但第一個真正為飛機提供動力的噴氣發動機是由德國人漢斯·馮·奧海因研發的。1939 年 8 月 27 日，一次成功的首飛將 Heinkel He 178 確立為世界上第一架噴氣式飛機。 到 20 世紀 50 年代，噴氣發動機幾乎在所有戰鬥機上普及，並在英國商用客機上變得越來越普遍。到 20 世紀 60 年代，儘管活塞和螺旋槳發動機更有效地燃燒燃料，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，它們在高速和高空表現更好，噴氣發動機的效率與前身發動機一樣高。 此外，燃氣渦輪發動機在商用應用中取代了螺旋槳，因為它們具有極高的功率重量比。燃氣渦輪發動機也比相同功率的往復式發動機更小。因此，商用客機得以不斷發展壯大。
• 煤油燃料：飛行高度和航程的增加意味著部件和燃料將面臨更多條件。專為商用噴氣飛機研發的噴氣燃料，稱為 Jet-A，提供了急需的一致性和可靠性。Jet-A 是純煤油，具有較高的閃點（蒸汽可以被明火點燃的溫度）和高辛烷值（確保燃料高效燃燒）。它通常與防凍劑混合，以防止燃油箱中積冰，這可能會堵塞油管並使發動機停車。
• 自動駕駛儀：導航精度是自動駕駛儀系統的重要組成部分。透過減少人工駕駛員通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了可靠的最大線性距離。
• 複合材料：自 20 世紀 20 年代鋁合金開始用於飛機以來，已經開發並使用了幾種複合材料，這些材料將兩種或多種有機或無機成分結合在一起，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又強。飛機越重，燃燒的燃料就越多，因此減輕重量對於航空工程師來說至關重要。 另一方面，鋁合金可以在持續凹陷後進行修復。複合材料不行。儘管波音 777 的結構重量約有 10% 是複合材料，但商用客機可能仍將繼續使用鋁合金建造，因為它需要較少的維護。

政策

• 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。 “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，這使得渦輪發動機燃料質量需要制定新的標準。這導致了為不同用途引入了多種燃料型別，以及開發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地燃燒。”
• 跑道長度：每個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，不僅是為了實現國際航班，也是為了鼓勵國際航班。

增長期

政策

• 跑道保護區：“跑道末端以外的梯形區域，用於在飛機在跑道末端以外著陸或墜毀時增強對地面人員和財產的保護。” 機場必須遵守 FAA 設計標準中關於 RPZ 的三個規定。首先，機場必須擁有土地。其次，機場所有者必須保護 RPZ 免受障礙物和不相容的土地用途的影響。最後，機場所有者必須努力實現機場周圍的相容分割槽，以防止可能導致或引發危及機場的衝突、導致機場關閉或需要大量補救投資來購買發生衝突的開發財產的不相容土地用途。
• 降落費：一項規定，要求飛機向其著陸的機場支付費用。如果很多飛機想要降落在繁忙的機場，由於對固定數量航站樓的需求量很大，降落費將很高。這些高昂的成本不成比例地有利於大型商用飛機，因為它們可以搭載大量乘客來抵消費用成本。因此，高昂的降落成本鼓勵了更大飛機的使用。
• 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來起飛和著陸。因此，機場往往不得不延長跑道，以便吸引這些大型飛機的業務。透過儘早積極地保護 RPZ，機場可以適應跑道延長，並享受大型飛機帶來的益處。
• 安保程式：2001 年 9 月 11 日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過去、現在和將來都會對國際航空旅行的增長產生負面影響。

方法

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（從紐約市到倫敦的距離）的航班。這確定了最小航程，並排除了 1938 年之前運營的商用客機。它還確保了整個資料和後續分析的一致性。其次，在維基百科的幫助下，列出了飛機及其首次服役年份。第三，獲取了有關每架飛機的最大乘客配置、最大航程和首次服役日期的飛機技術資料和規格。 第四，客運公里數計算為飛機可搭載的乘客數量乘以該飛機的航程。

表 1：過去、現在和未來客運公里數資料

飛機型號	年份	乘客數量	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
協和式飛機	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

表 2：預測模型的迴歸統計

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
觀察次數	22

表 3：預測模型的方差分析統計

	df	SS	MS	F 分數	F 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

表 4：預測模型的統計結果

	係數	標準誤差	t 統計量	P 值	95% 下限	95% 上限
截距	-79.0493	10.4288	-7.5799	2.65478E-07	-100.8034	-57.2952
X 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，生成了從 17000000 到 31000000 的多個 K 值的迴歸結果。然後將每個 K 結果的調整後的 R 平方、F 分數和 T 分數放入表格中並進行視覺比較（參見表 6）。

表 6：統計比較表

K 值	調整後的 R 平方	F 分數	T 分數
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 71% 的移動（生成的數字）在變數調整中得到解釋。此外，F 分數穩定在 54，T 分數穩定在 7.4，表明該模型整體上具有統計意義。

0.71 的調整後的 R 平方值與 K 值為 27000000 公里相關聯。在 27000000 公里之後，所有三個測量值（調整後的 R、F 分數和 T 分數）在每個後續 K 值之間的變化小於 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，即使是 50000000 公里。因此，K = 27000000 被用作最佳擬合迴歸線。

表 5：S 形曲線模型引數

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

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

每趟國際航班的潛在公里數

如前所述，K 值為 27000000 被選擇是因為它標誌著平臺的開始。表 5 合成了從 K 值為 27000000 的迴歸計算中收集的資訊。使用計算的截距和 b 係數，可以計算出 t0（乘客公里數開始以遞減的速度增加的拐點年份）。K = 27000000 的 t0 是 2031 年。使用這些變數，使用公式 S(t) = K/[1+exp(-b(t-t0)] 計算出 S 形曲線。右側的 S 形曲線顯示，在 2031 年之後，乘客公里的增長將開始下降，並在圖中大約 2170 年開始在 27000000 乘客公里處趨於平穩。由於所有引數都是最大值，因此如果燃料型別保持一致，確定的拐點將是一個相對極值。這種分析沒有考慮燃料型別和燃油效率的變化。

成熟度

政策

• 跑道和航站樓的長度可能會限制大型飛機的最終尺寸。雖然在存在降落費的情況下，大型飛機將繼續比小型飛機更賺錢，但航站樓的尺寸將成為一個問題。必須在允許停靠在機場的飛機數量或允許停靠的飛機尺寸之間進行權衡。
• 一些機場比其他機場有更大的擴充套件空間。這可能會導致商用航班的規模專業化，其中超大型飛機能夠在特定機場起降。然而，這種專業化可能弊大於利，因為為了真正享受超大型飛機帶來的好處，它應該全年全天候執行。不這樣做，將是一種資本投資的浪費。另一方面，如果超大型飛機只能在特定機場之間旅行，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，為了增加每趟航班的乘客公里數，飛機必須更大，容納更多乘客。空客 A380 目前是世界上最大的飛機，與之前的波音 747 一樣，它可能會保持這一頭銜數十年。原因是，建造更大飛機的成本以及適應基礎設施（航站樓和跑道）以容納更大飛機的成本可能會抑制每趟航班乘客公里數的增長。因此，儘管該模型預測增長將持續到 2170 年，但增長可能會零星出現，並可能在 2170 年之前達到成熟高原。

結論

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、輕質複合材料和更大、更高效的發動機。這些因素結合起來，提高了燃油燃燒效率，並有助於每趟航班的潛在乘客公里數增加。根據 22 架飛機的最大客運量和航程，根據所產生的模型，每趟航班的乘客公里數將在 2031 年之前呈指數增長，然後在 2170 年左右技術達到高原之前呈指數下降。雖然該模型預測了這一點，但它可能會受到最近投入運營的空客 A380 的巨大客運量的扭曲。像 A380 這樣的巨型飛機的推出很少，導致資料集合相當零星，這會影響拐點和成熟度年份。此外，其他限制，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（直接影響客運量）。因此，每趟航班乘客公里數的成熟度可能會早於模型的預測。