《Air Transport System》

请叫我雷锋

《Air Transport System》
航空运输系统
作者：
Dieter Schmitt
ARTS-DS Aeronautical Research &
Technology Service

Volker Gollnick
Institute for Air Transportation Systems
Technical University Hamburg-Harburg
出版社：Springer
出版时间：2016年






目录
1 The Air Transport System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Passenger Expectations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.3 Transport and Mobility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 The Air Transport System Today . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5 Current Challenges of the Air Transport System . . . . . . . . . . . 9
1.6 A Systematic Description of Air Transport . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.7 Air Transport System Performances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2 Historical Development of Air Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.1 The Dream of Flying. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Physics Based Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.3 The Technically Based Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 The Beginning of Civil Air Transportation . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5 The Jet Age . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6 Development of Civil Transport Operation
(Airlines and Airports). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6.1 Airlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6.2 Development of Airports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3 Market Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 The Strategic Importance of Aerospace . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1.1 From a US Monopoly Status to a Duopoly
Situation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2 Specific Aspects of Aeronautics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.1 WTO Role and Activities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
vii
3.3 The Instruments for Market Predictions
(Market Forecast Methods). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.3.1 Top-Down Approach. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.3.2 Bottom-Up Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.3 Scenario Techniques for Risk Assessment . . . . . . . . . 54
3.4 Passenger Aircraft Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.5 Air Cargo Market . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.1 Cargo Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.5.2 Freight Market Forecast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
3.5.3 Changes in the Aircraft Market. . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6 Cost and Commonality Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.1 Life Cycle Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.6.2 Family Concepts and Commonality Aspects . . . . . . . . 67
3.6.3 Cross Crew Qualification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 The Regulatory Framework of the Air Transportation System . . . 73
4.1 The Freedom of the Air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
4.2 Regulations for Transportation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 International and National Organizations . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.3.1 The International Civil Aviation
Organization—ICAO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.2 National and European Regulatory Organizations . . . . 76
4.3.3 Air Navigation Services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.3.4 The International Air Transport Association . . . . . . . . 82
4.4 Aviation Safety. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.1 Aviation Safety Philosophy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.4.2 Establishing Aircraft Airworthiness . . . . . . . . . . . . . . 88
4.4.3 Standards for Safe Aircraft Operations. . . . . . . . . . . . 94
4.4.4 Operational Safety Aspects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
4.5 Security Aspects of Air Transportation . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5 Aircraft Characteristics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.1 Classification of Flight Vehicles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
5.2 Cabin Design, Focus for the Airlines. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.2.1 Transportation Task Requires Volume and Space . . . . 109
5.2.2 Cabin Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
5.2.3 Fuselage Cross Section, Floor Area (2-D Aspects) . . . 116
5.2.4 Cabin Layout for Several Comfort Standards
(3-D Cabin) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
5.2.5 Aircraft Cabin Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
viii Contents
5.3 Basics of Flight Physics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.3.1 ICAO Standard Atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.3.2 Aircraft Forces: Lift, Weight, Drag, Thrust. . . . . . . . . 128
5.3.3 Lift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.3.4 Drag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3.5 Aerodynamic Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.3.6 Aircraft Mass Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.3.7 Thrust Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.3.8 Aircraft Stability and Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
5.4 Structure, Mass and Balance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.4.1 Structural Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.4.2 Mass Breakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.4.3 Payload—Range Diagram . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.4.4 Weight and Balance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.5 Flight Performance and Mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.5.1 Flight Envelope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
5.5.2 Definition of Speed. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.5.3 Flight Mission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
5.5.4 Take-off and Landing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.5.5 Cruise Performance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6 Aircraft Manufacturer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
6.1 Role of Aircraft Manufacturer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
6.1.1 Industry Mergers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
6.1.2 Market Duopoly “Airbus Versus Boeing” . . . . . . . . . 160
6.2 Industrial Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.3 Development Process (From Idea to Product) . . . . . . . . . . . . . 165
6.3.1 Product Definition. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
6.3.2 Aircraft Program Decision Point “Go Ahead”. . . . . . . 168
6.3.3 Product Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
6.3.4 Production Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.4 Production Process and Work Share . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.5 Cash Flow and Manufacturing Cost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6.5.1 Cash Flow Calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.6 Engine Manufacturer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
6.7 Supply Chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
6.8 Offset Agreements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
7 Airlines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.1 Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
7.2 Airline Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
7.2.1 National or Flag Carrier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
Contents ix
7.2.2 Charter Carrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.2.3 Low Cost Carrier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
7.2.4 Alliances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
7.2.5 Air Cargo Provider . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
7.3 Network Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.3.1 Traffic Flows and Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
7.3.2 Flight Planning. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
7.3.3 Flight Plan Utilization and Ticket Pricing . . . . . . . . . 208
7.4 Fleet Strategy and Aircraft Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
7.5 Flight Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.5.1 Stations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
7.5.2 Passenger Services, Sales and Special Services . . . . . . 214
7.5.3 Aircraft Handling—Turnaround . . . . . . . . . . . . . . . . 215
7.5.4 Cargo and Baggage Handling. . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.6 Aircraft Maintenance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.6.1 Maintenance, Repair, Overhaul . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
7.6.2 Maintenance Management and Organization. . . . . . . . 218
7.7 Airline Organization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
8 Airport and Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.1 Role of Airport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
8.1.1 Location of the Airport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.1.2 Intermodality Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
8.1.3 Classification of Airports . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
8.1.4 Important Airport Elements and Characteristics. . . . . . 229
8.1.5 Airport as Economy Driver . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
8.2 Regulatory Issues, Safety and Security. . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.3 Regulatory Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.3.1 Airport Safety and Security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
8.4 Airport Operation and Services . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
8.4.1 Aircraft Handling Process at the Airport . . . . . . . . . . 234
8.4.2 Definition of Major Airport Elements and Services . . . 236
8.4.3 Turnaround Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
8.4.4 Airport Check-in. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
8.4.5 Baggage Handling at the Airport . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.4.6 Freight Handling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
8.4.7 Fuel and Energy Needs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
8.4.8 Business Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
8.5 Airport Planning—Infrastructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
8.5.1 Airport Planning Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
8.5.2 Terminal Layout . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
x Contents
8.5.3 Runways, Taxiways and Aircraft Geometry
Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
8.5.4 Planning of Baggage and Cargo Handling . . . . . . . . . 260
8.5.5 Specific Critical Airport Elements . . . . . . . . . . . . . . . 263
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
9 Air Navigation Services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
9.1 Principles of Operation—The Role of the Air
Navigation Services. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
9.2 Airspace Structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
9.3 Airspace and Airport Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
9.4 Aircraft Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
9.5 Flight Guidance Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
9.5.1 Navigation Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
9.5.2 Future Trends in Navigation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
9.5.3 Air Transport Surveillance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
9.6 Communication Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
9.6.1 Voice Radio Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
9.6.2 Data Link Communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
9.7 Integrated Air Traffic Management and Control Systems . . . . . 302
9.7.1 Multilateration (MLAT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305
9.7.2 Airborne Collision Avoidance Systems . . . . . . . . . . . 305
9.7.3 Terrain Awareness and Warning System . . . . . . . . . . 305
9.7.4 Interfaces Between ATM and Aircraft . . . . . . . . . . . . 306
9.8 Navigation Fees . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
9.8.1 Take-off and Landing Charges . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
9.8.2 En Route Charges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
10 Environmental Aspects of Air Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
10.2 Air Transport Emissions Impact on the Climate . . . . . . . . . . . 313
10.2.1 Aircraft Emissions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
10.2.2 Physical Principles of the Atmosphere . . . . . . . . . . . . 318
10.2.3 Emission Impact Assessment in Air Transport . . . . . . 326
10.2.4 Measures for Emission Reductions . . . . . . . . . . . . . . 330
10.3 Noise and Sound of Air Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332
10.3.1 Some Basics of Medical Noise Impacts . . . . . . . . . . . 332
10.3.2 Basics of Noise and Aeroacoustics . . . . . . . . . . . . . . 334
10.3.3 Noise Requirements for Aircraft . . . . . . . . . . . . . . . . 337
10.3.4 Aircraft Noise Sources and Potential
for Reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
Contents xi
11 Challenges and Competition of Air Transport . . . . . . . . . . . . . . . 347
11.1 Global Challenges for Air Transport 2050 . . . . . . . . . . . . . . . 348
11.2 Future Energy Provision and Alternative Fuels
for Air Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
11.3 Competitive and Multimodal Air Transport . . . . . . . . . . . . . . 358
11.4 Technology Trends . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
11.4.1 Technology Perspectives in Aircraft Design . . . . . . . . 365
11.4.2 Perspectives in Air Traffic Management . . . . . . . . . . 370
11.4.3 Perspectives in Airport Operations . . . . . . . . . . . . . . 371
11.5 Integrated Approaches Towards Future Air Transport . . . . . . . 373
11.6 Compliance Achievement with Flightpath 2050 . . . . . . . . . . . 374
References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375

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