基于備件分析的飛機最經濟飛行強度選擇

林 琳，王亮亮

（中國電子科學研究院，北京 100041）

引言

飛機的壽命周期費用是在飛機預期壽命內，采購、使用、維護（暫不考慮報廢）所花費的費用之和[1]。在飛機設計階段所做出的決策最有可能降低飛機的壽命周期費用，這時整個綜合保障系統正在設計，且對飛機的設計易作出更改，而到了生產階段做出的任何設計調整都要花費較大的成本。對于飛機來說，其壽命周期可以長達三十年，使用保障費用最終將大于采購飛機本身所用到的費用。從用戶角度來看，采購費用是一次性的、可見的，而飛機的使用維護費用是預見的、未知的，因此在設計時確定的飛機最經濟飛行強度十分必要。

飛機的使用維護成本主要包括使用過程中的各種充、填、加、掛造成的物資消耗和人力成本，以及維護維修過程中各種航材和人力的消耗。

因在飛機設計一定的情況下，飛機采購成本一定，本文基于備件分析來計算使用維護成本。將使用維護成本分為使用成本、材料成本以及人力成本，并將人力成本按照航材的成本進行折算。

目前，在計算使用維護成本時常忽略的問題有：

1）未包含壽命周期內定檢的費用；

2）未包含有壽件更換的費用；

3）備件配置方案不盡合理，僅從單因素考慮可靠性對備件采購的影響來確定備件數量。

飛行小時的使用維護成本直接關系到用戶對飛行的使用感受，同時也直接影響飛機的市場競爭力。本文針對不同類型的備件，利用針對性的方法計算出不同飛行強度下的使用維護成本，從而為最優飛行強度的選擇提供決策依據。

1 單位飛行小時使用維護成本

飛機的飛行強度通常以年飛行小時來衡量，不同飛行強度下使用維護成本是不同的，為了找出飛行強度與使用維護成本之間的關系，在滿足用戶需求的前提下選擇合理的飛行強度，以達到單位飛行小時下使用維護成本最為經濟。

將飛機的使用維護成本細分為三部分：

使用維護成本=①材料成本+②人力成本+③使用成本

對于使用成本而言，主要考慮使用過程中的油料消耗和耗材消耗，油料消耗即燃油消耗，耗材消耗包括滑油、冷卻液、液壓油等的消耗。

對于人力成本主要分為日常使用的人力成本、日常維護的人力成本、排故的人力成本。日常使用的人力成本、日常維護的人力成本與飛行強度成正比，單機單位時間的日常使用和維護成本為常數。排故的人力成本，根據國內航空領域經驗，排故過程中人力與備件（航材）的成本的比例大致為1:4，因此以備件（航材）成本為分析對象，人力成本取備件（航材）成本的25%。

對于材料成本，即航材成本，是整個使用維護成本的分析的關鍵。但航材的配置不盡合理，配備的長時間用不到，而沒有配置的備件卻常常發生短缺。從美軍艦船備件使用率的情況來看，隨艦配備的航材只有20%用到，而發生故障時卻有近80%的航材無法得到滿足。據美國空軍2004年的統計數據，60%的停飛是由于用于直接維修的消耗件短缺造成的。因此本文先梳理了航材的種類，再根據各種不同種類航材的特點給出成本的計算方法。

2 航材（即備件）的種類

備件指在飛機全壽命周期內，為了保持和恢復系統的設計性能，并完成任務需求，所必需的備用組件、維修零備件等。按照裝機件清單分析得到飛機的備件清單，具體流程如圖1所示。

如圖，備件主要分為隨機備件、耗材、有壽件、初始及后續備件[2]：

1）隨機備件

圖1 備件確定的流程圖

隨機備件顧名思義即隨飛機一同交付給用戶的備件，散裝件、消耗件、修理用零備件等通常考慮列為隨機備件。隨機備件清單根據RCMA和MTA結果或相似設備配套供應經驗匯總各種散裝件和消耗品供應數量得到。隨機備件主要有：

①各種緊固件，如：螺釘、螺栓、螺帽、鉚釘、卡鎖、扣銷等；

②各種軸承，如：滾動軸承、滾珠軸承等；

③各種防松件，如：圓錐、圓柱銷和銷軸等；

④各類密封件；各類保險絲和保安器，指示燈等；

⑤各種保險絲和保安器，指示燈等；

⑥各種修理用零備件：如碳刷等。

2）耗材

①各種潤滑油（脂）和各類冷卻液等；

②飛機輪胎；

③各類維護用品，如：液晶屏的清洗紗布和清洗劑等。

3）有壽件

有壽件，為預防性維修更換或報廢期限的件及可以預計使用壽命的件，亦稱限壽件。由RCMA分析得到的定期需更換，因此通常單獨訂貨。

有壽件包括部分結構組件、部件和設備，如各種軟管、滅火瓶、發電機軸承等。

4）初始及后續備件

初始備件及后續訂貨備件通常是指大的更換件（如部件、模件等），而機械結構、線纜和軟件不包含在內，初始備件及后續訂貨備件有時也被稱為備品。通過分析裝機件中可以在外場直接更換的單元LRU、在內場可更換的單元SRU，得到LRU、SRU清單。通過備件數量的配置優化分析，在一定保障站點配備一定數量的LRU和SRU（其數量可以為0），即得初始備件、后續訂貨備件。

3 隨機備件、耗材成本

隨機備件，即各種消耗件，其每幾年再次訂貨更新，需要量為當單架機年飛行小時除以再次訂貨的間隔，乘隨機備件初始數量，再加上20%的安全余量。隨機備件的成本PA如下式所示：

式中：T為單架機年飛行小時數，TP為再次訂貨間隔，QTYA為隨機備件初始數量，PA為隨機備件單價，LIFE為飛機壽命周期年。

耗材的費用確定需要計算每項耗材的消耗標準，消耗標準按照一次性使用的消耗器材每飛行100小時的消耗標準，據此確定耗材的年需要量，在訂貨時為了預防突發情況需增加20%的安全余量。消耗標準確定后每年依照統計情況對各項耗材的消耗標準進行確認。耗材使用維護費用PM如下式所示：

式中：T為單架機年飛行小時數，S為消耗標準，PM為耗材單價，LIFE為飛機壽命周期年。

4 有壽件成本

飛機的有壽件在其壽命周期內，有兩種維護的方式，第一種是到壽命直接更換，比如軟管等橡膠件、救生設備、滅火瓶等；另一種是在翻修期到達后對其進行翻修，經過一次或多次翻修后有壽件到達壽報廢，更換新件，該種情況通常是一些較大的組件，如發動機、發電機等。

設有壽件成本總費用為PL，等于翻修總費用和更換總費用之和，若計算第一種情況的有壽件將翻修費用取零即可。

更換總費用=設備更換次數×飛機數量×單架機設備裝機數量×備件采購費用

翻修總費用=設備翻修次數×飛機數量×單架機設備裝機數量×單次翻修費用

因此費用計算主要取決于翻修次數和更換次數的計算，從載荷強度上有三種評判標準，分別為飛行小時（FH）、裝機日歷時間（TIME）和起落次數（CYC）。將裝機日歷時間、起落轉換成在年飛行小時，比較取最小值即可。

設備更換次數=XX年飛行小時/min{FH更換、TIME更換、CYC更換}

設備翻修次數=XX年飛行小時/min{FH翻修、TIME翻修、CYC翻修}-設備更換次數

單次翻修費通常為采購費用的一定比例，參考國際翻修費用的統計，設定單次翻修費用為采購費用的30%。

舉例某型交流發電機，該發電機每先到2200FH或6日歷年或1300起落，需要返回承制廠更換軸承，翻修2次后報廢。在年飛行強度為500FH時，日歷時間6年（換算為500FH×6=3000FH），1300次起落（1300×3FH=3900FH，按每次飛行3小時），因2200FH<3000FH<3900FH，得2200FH飛行小時為判定標準，計算得30年飛機壽命周期內需2次更換、4次翻修。

按照以上方法計算可得有壽件的費用，例如年飛行強度500FH/Year、飛機總壽命30年有壽件的翻修次數和更換次數舉例如表1和表2所示。其中，序號1的有壽件，不更換，需翻修7次；序號2的有壽件更換1次，翻修4次；序號3的有壽件，不更換，需翻修7次。在得到翻修次數、更換次數后，可求得有壽件的維護總費用。

5 初始備件和周轉備件成本

初始備件配置設計方法應綜合考慮備件可靠性和價格雙方面的因素，在一定的費用的情況下達到最佳的系統可用度的配置。例如以多級備件優化模型為基礎，應用邊際優化原理進行的多級備件優化，在美軍及北約軍事組織廣泛開展應用[3]。

表1 有壽件翻修次數

表2 有壽件更換次數

通過對算法進行改進，采用一種改進的分層邊際優化算法，用以提高算法的優化效率。計算每年備件的需求率，即可得壽命周期內的備件采購費用。

設n為維修站點編號，i為初始周轉備件編號，初始周轉備件i在n站點需求率為λni[4]。

式中：NRTSnl為在維修站點n不能對可修復件i進行修復的比例；qnli為故障隔離率。

初始周轉備件的需求率計算根據（3）式進行遞推在基層級（O-level）進行，則LRUi在基層級（O-level）的年平均需求率，其中n∈Echelon(N)，i∈Inden(1)，則：

其中：DCi為占空比；RIPi為基層級（O-level）維修率；HWn為飛機的平均周飛行小時；Zi為初始周轉備件i的裝機數量；Nn為裝備配置量；MTBFi為初始周轉備件i的平均故障間隔時間；RtOKi為測試性的重測率。

6 案例

由4架飛機組成的機群部署在同一站點，在不同飛行強度下隨機備件、耗材、有壽件、初始備件的費用情況如表3。

根據表3計算得單位飛行時間成本，可繪制單位飛行時間成本與飛行強度之間的關系圖，即圖2。如圖可知，單位飛行時間成本成波浪型下降，而并非直線的線性下降。當年飛行強度為500FH時，單位飛行時間成本達到了最經濟的成本5.15萬元，而當飛行強度進一步增加時，單位飛行時間成本反而增加了。

導致這一現象的原因，主要有壽件的采購和翻修隨著年飛行強度的增加有所變化而決定。當年飛行強度在300h/y時，由于發動機等大型有壽件在全壽命周期內需要多更換一次，并增加一次大修更換了大量有壽件，因此采購費用有了明顯的增加，同樣的情況在年飛行強度超過500h/y時發生。

表3 飛機使用維護成本匯總表

圖2 使用維護成本與飛行強度關系圖

7 結論

本文通過將飛機的使用維護成本折算成航材成本，將不同航材類型進行了梳理，針對不同的航材成本提出的工程計算方法，并進行分別計算和分析，最終得到單位飛行小時的使用維護費用與年飛行強度的關系曲線，從而給出在設計可達的飛行強度區間段的最為經濟合理的飛行強度。本文提出的方法，可用于設計階段預先評估飛機的使用維護的成本，確定設計飛機的目標飛行強度。

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