经济可承受性(国际航空)

INTERNATIONAL AVIATION / 国际航空杂志 2010.947发动机和航电专辑/Engine & Avionics经济可承受性——军用航空发动机发展的一项重要指标Affordability, a Key Element in Military Aero-Engine Development军用航空发动机的设计思想已出现三次跳越式的转变：一是从重视性能到重视适用性、可靠性、维修性、测试性、保障性（五性）的转变；二是从重视采购费用到寿命周期费用的转变；三是从重视效能或寿命周期费用到二者的统一，即重视经济可承受性的转变。

经济可承受性已成为现代军用航空发动机设计体系中不可缺少的重要组成部分，是各种新型号研制发展初期就必须考虑的重要指标。

吴静敏航空发动机是一种知识密集、技术密集、多学科集成的高科技产品。

由于技术难度大、研制周期长，装备一台新型军用发动机所需要的投资越来越高。

以美国第四代军用发动机F119为例，其研制成本已经达到了25亿美元以上，生产成本在500～1000万美元之间，平均每飞行小时维修成本大约为450美元或者更高。

在国防经费相对有限的情况下，过去那种“只求性能优，不计成本高”的发展思路越来越受到现实条件的制约，经济可承受性日益得到重视和应用。

在选定基准发动机的情况下，军用发动机的经济可承受性可定量表达为能力与寿命周期费用（LCC）之比，其中，能力以单位油耗下推重比（或功重比）的相对值来表示，寿命周期费用则包括了研制成本、生产成本和使用保障成本的相对值。

该定义有两方面的含义：一是性能再好的发动机，如果没有人能买得起，那也是没有价值的；二是经济可承受性并不意味着价格最低，而是对用户来说最有价值。

它强调的是在关注发动机的性能、适用性、耐久性、可靠性、维修性等技术指标的同时，关注发动机的经济性指标，并在发动机的寿命周期内通过新的设计、制造、管理和维修方法来实现有效的经费控制。

经济可承受性发展情况目前，美、英、法等世界发达国家都在大力推行经济可承受性战略。

以美国为例，国防部专门成立了国防系统经济可承受性委员会；在《联邦采办条例》、《国防部补充条例》、DOD5000.1指令《国防采办系统》、DOD5000.2指示《国防采办系统的运作》等顶层法规文件中增加了经济可承受性的相关内容；并在《国防采办指南》中明确要求“国防项目的里程碑决策者在每个决策点上都要考虑经济可承受性，重大国防采办项目和重大自动化信息系统项目在里程碑B 和C 必须进行经济可承受性评估”。

英国国防部实施的“精明采购策略”、法国军备总署施行的采购改革等也都紧紧围绕着经济可承受性进行。

经济可承受性也是军用发动机领域新的研究重点，从第三代的改进改型到第四代的研制发展再到未来第五代的预研，都把提高经济可承受性列为重要发展方向。

由图可见，从20世纪60年代到本世纪初，美国发动机经济可承受性并没有发生变化；随着对经济可承受性的重视，JSF 推进系统在经济可承受性方面出现明显的提高；美国综合高性能涡轮发动机技术(IHPTET)计划第二阶段经济可承受性已经达到了F119的3倍，第三阶段已接近F119的4倍；通用经济可承受先进涡轮发动机(VAATE)计划对经济可承美国涡轮发动机经济可承受性发展趋势。

INTERNATIONAL AVIATION / 国际航空杂志 2010.948发动机和航电专辑/Engine & Avionics受性提出了更高要求，目标是2010年第一阶段结束时，经济可承受性提高到F119的6倍；2017年计划完成时，经济可承受性指标达到F119的10倍。

第三代发动机的改进改型F110和F404系列发动机是GE 公司，也是美国低风险改型发动机的典范，走出了一条起点高、风险小、成本低、周期短、性能好、可靠性高、寿命长、使用维修成本低的型号衍生发展道路。

这两个系列发动机的主要特点是以先进发动机核心机为基础，不断吸取各种预先研究计划和部件改进计划中获得的承受技术以及直接移植使用中的发动机技术，满足了战斗机对动力装置不断提高的要求。

目前，美国正在实施F110服役寿命延长计划（SLEP），目的就是提高发动机的安全性、可靠性和延长其寿命，同时减少使用维修成本，使该发动机一直有效使用到2025年。

预计未来20年可为美国空军节省11亿美元的寿命周期费用。

据悉，斯奈克玛公司通过开展综合产品服务（IPS）计划，也可大大减少配装达索公司战斗机的阿塔和M53发动机的使用维修成本。

采用的主要方法是改进产品后勤保障、加强维修程序和简化备件生产。

第四代发动机提出明确目标F135设计之初就强调不再单纯遵循性能驱动原则，而是将经济可承受性作为重要设计指标，即与现役的F110和F100发动机相比，费用节省35%。

其他第四代战斗机也普遍把降低LCC 作为一个重要的研制目标：F119要求其LCC 比F100低25%～30%；EJ200把LCC 与性能放在同等重要的位置；留里卡设计局在研制AL-41F 发动机时提出该型号的LCC 要比AL-31F 低25%；法国也把LCC 作为评估M88-2项目成功与否的一个指标。

第四代军用发动机实现经济可承受性的主要途径如下：第一，加强成本估算，奠定经济可承受性工作基础。

常见的成本估算方法有专家判断法、类比法、参数法和工程法等。

近年来，国外开始重点研究并应用一种改进的工程法，即以工作分解结构（WBS）为基础，在部件或零件级别上使用参数法，所需参数比较简单，主要是重量、体积、复杂度等，该方法能够随着型号任务信息量的增加逐步加深估算的详细程度。

据了解，F135在研制中就将这种方法应用在了经费预算和合同定价中。

第二，创新型号项目管理方法，提高认识、改善流程。

目前采用的方法有费用作为独立变量（CAIV）、一体化产品与开发过程（IPPD）、挣值管理（EVM）等。

普惠、罗罗公司在F135、F119和F120等项目中采用了EVM 方法。

这种方法是一种将项目实际运行情况与计划进行持续对比的评价方法，并被证明是唯一能够综合成本、进度和技术性能的管理方法，可以辅助管理层快速发现潜在问题，及时制订调整措施。

该方法主要包括4个步骤：编制工作分解结构，明确合同任务；制定计划和预算，确定“履约考核基线”；计算成本差异和进度差异，对存在的问题进行具体分析；如实向上级反映合同执行中存在的问题，由更高管理层做出最终决策。

第三，改革工程技术实现方法，降低成本、缩短周期。

目前采用的方法包括：通过应用成熟技术、增加部件或核心机的通用性、使用建模与仿真技术等降低研制费；通过采用低成本材料、改善复合材料制造工艺等降低生产成本；通过简化设计、设置健康管理系统(PHM)、推行柔性保障系统等降低使用维修成本。

例如，YF119在与YF120的竞争中大获全胜，其主要原因就是YF119采用的新技术比例适中，而YF120采用的新技术比例偏大，致使风险加大、周期加长、成本过高。

另有资料表明：建模和仿真技术可使发动机用于试验的硬件数量减少36%，试验小时数减少30%，同时节省30％的加工装配时间。

第四，应用各种辅助性软件工具，简化过程、提高效率。

目前有两类软件：一类是自行开发的专用软件，如罗罗公司设计软件Genesis 中内嵌了成本估算模块；GE 公司开发了COMPEAT$TM ；另一类是商业化软件，如Price 公司的Price 软件、Gregory Associates 公司的SEER 软件以及American Technology & Services 公司的AICAT 软件。

这些软件不仅可以用来进行寿命周期费用估算，还与设计软件有接口，并且可以辅助进行项目管理。

F135研制中军方就应用了Price 软件。

第五代发动机列为重要专题IHPTET 计划在第二阶段开始研究LCC和经济可承受性，目的是降低成本，主要包括3项任务：分析航空发动机的成本特点、发现降低发动机成本的潜力、确定实现发动机成本目标的必要步骤。

研究内容包括以下几个方面：（1）选择基准发动机。

可以是正在设计中的，也可以是正在生产的，推力或功率级别与概念发动机要具有可比性。

（2）分析发动机的成本特点。

研制成本主要是在发动机演示、验证、工程制造和发展过程中产生的非重复性费用。

生产成本主要是第250台发动机的成本。

使用维护成本主要是直接维修成本和燃料成本。

（3）发现降低成本的潜力。

识别发动机LCC 中哪些成本元素可以通过技术进步、技术改进和制造工艺的改善来降低。

（4）确定成本比较指标。

研制成本直接用大小比较；生产成本用每单位推力成本比较；使用维护成本用每飞行小时直接维修成本比较。

（5）选择成本降低目标。

在考虑多种降低成本的方法以后，确定最终采取的策略。

（6）确定实现成本目标的必要步骤，即建立一套特殊的发展发动机和航电专辑/Engine & Avionics计划，获得概念发动机降低成本的潜力。

IHPTET计划在降低研制成本方面采取了两种方法：一是在研制阶段加强分析和建模工具的应用，缩短研制周期；二是遵循程序化的研制途径，例如加强技术验证，及早发现和处理设计缺陷，降低风险。

在生产成本方面，应用了一系列新技术和新制造工艺，并把成本目标的实现和管理作为生产过程中的重要因素。

在降低使用维护成本方面采取的措施主要是增强部件的耐久性和发动机效能。

IHPTET计划在第三阶段开展了部件成本评估项目（CCAP），研究了制造过程流图仿真（MPFS）方法，建立了先进交互式成本分析工具AICAT。

MPFS方法是一种面向过程的成本估算方法，主要特点是能够随着研制信息的改变不断修正估算结果，并能够评估流程改变带来的影响，同时找到问题之所在。

AICAT是一个专门用于不同种类发动机估算和分析寿命周期费用的综合性软件平台。

IHPTET计划大获成功以后，其后继计划——VAATE计划的目标从降低成本转换为提高经济可承受性，经济可承受性指标（CCI）正式作为一个重要的度量标准被提了出来，用来表示预研计划在成本和技术改善方面所达到的效果。

目前来看，VAATE计划研究的经济可承受性实现方法主要是将费用作为独立变量（CAIV）的方法。

该方法的核心是随着项目的进程反复进行以下几个步骤：（1）确定需求。

把客户需求和项目进展结合起来，确定最终需要完成什么。

需求可分为高，中、低3个档次，但必须是可量化和可检测的。

（2）建立度量标准，用来评定项目中所发展的技术是否可以完成目标。

（3）评估替代技术。

研究各种潜在的解决方案，在约束范围内同时考虑所有的变量，建立设计参数和客户需求之间的关系。

然后，在最大程度满足客户需求的情况下，为特定设计参数选择数值，其中包括成本指标。

（4）进行价值分析，在成本、性能、进度和其他项目需求之间平衡风险和回报。