航空經濟學及面向價值的飛機設計理論與實踐

宋文濱

上海交通大學 航空航天學院， 上海　210020

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航空經濟學及面向價值的飛機設計理論與實踐

宋文濱*

上海交通大學 航空航天學院， 上海210020

摘要:全球化的市場競爭是商用飛機產業的重要特征之一，對安全性、舒適性、經濟性和環保性指標的不斷追求推動著技術的不斷進步及產業鏈的全球化發展。在飛機設計中，對經濟性的考慮在航空技術和型號發展中的作用越來越突出，也是中國航空產業發展面臨的重大挑戰因素之一。在新技術研發決策及其在型號中的應用中，經濟性考慮始終是決策的關鍵因素，本文綜述航了空經濟學的研究范疇和主要分析方法，及其對飛機概念設計、結構設計和系統選擇等主要決策的影響，面向價值的設計理論和方法在飛機設計中的實踐。希望本文的發表可以促進航空經濟學的發展，相關方法可以在型號設計的最優綜合評價中發揮作用，實現涵蓋時間成本在內的綜合評價指標最優的方案。可以預期，航空經濟學的發展有助于提升中國航空制造業在競爭越來越激烈的全球航空產業鏈中的競爭力。

關鍵詞:飛機設計； 技術經濟學； 航空經濟學； 價值工程； 面向價值的設計

航空運輸業的持續發展推動世界經濟發展，目前的世界民機市場是產業鏈全球化加速發展和相對壟斷并存的市場，呈現出整體穩健增長的態勢，特別是亞太地區對商用飛機持續增長的需求。對飛機環保指標以及燃油效率的持續追求成為飛機技術發展的主要推動力之一[1]。與此同時，國際戰略態勢的演變也在推動國防航空技術快速發展，系統復雜性的增加使得新技術的研發和應用成本越來越高，不但受到全球整體經濟環境的影響，對中國航空產業技術能力保持持續快速躍升也帶來了挑戰，使得航空經濟學問題的研究越來越重要，特別是研發投入的創新效益及在型號的市場價值實現方面，需要持續開展相關理論和應用的研究[2]。

與其他類型產品相比，一個國家或制造商的不同飛機項目之間通常具有明顯代差，同時由于飛機項目的研制周期和使用壽命長，因此研制費用高，單一型號研制的成敗甚至決定了制造商的生存能力。與此同時，商用飛機對市場和用戶需求的適應性決定了其市場競爭力，未來市場趨勢的準確預測，型號參數的優化和項目的有效管理對項目的市場成功具有深刻的影響。然而，國內外航空制造企業的型號實踐經驗卻不止一次表明，在復雜的型號研制中實現設計目標、市場需求、技術先進性和商業利益的綜合決策過程中所面臨的巨大挑戰。航空產品的研制中技術跨越式發展的特征顯著，長期技術研發投入帶來的經濟負擔以及新技術應用對飛機型號選擇的潛在風險，未來經濟環境和市場的不確定性以及競爭對手的應對措施都是需要在項目進展中持續考慮的因素。在傳統學科布局中，關于項目和技術經濟性的研究統稱為技術經濟學，但其作用更多地體現在項目早期及評審過程中，在設計全壽命過程中后期的作用往往限于財務狀況的監控與管理，很多情況下，由于項目更改所帶來的財務和時間成本無法承受，導致針對項目的決策選項非常有限，因此需要在項目初期和全壽命周期有效管理項目的技術和經濟指標，確保可行和可控的前提下實現項目對各方利益的最大化或價值損失的最小化。

航空產業鏈涵蓋飛機制造商、供應商、用戶以及監管部門，大致分為民用航空和國防航空，其中民用航空產業對國民經濟發展具有重要的推動作用，目前已經發展為軍用和民用技術各有所長、相互促進的態勢。同時，航空技術的研發主體覆蓋型號制造商、專業研究所以及高等院校等。技術研發的經濟性指標的層次化、關鍵指標、分析方法以及應用框架也成為長期決策的重要內容，對戰略性的競爭力發展至關重要。

經濟性數據的分析是開展航空經濟學研究的重要基礎，依賴于長期的數據積累和有效的分析方法。一些典型的數據包括：各國航空研究項目的投入水平的歷史變化，型號更新的速度；軍機和民機型號的入役和投入商業運營的時間；單機價格的變化趨勢；直接使用成本和現金使用成本的構成及變化；航空公司的盈利水平的變化；民用飛機機隊的歷史數據和未來趨勢預測；系統供應商的變化；飛機油耗的歷史趨勢，發動機技術發展趨勢(包括提升關鍵參數的技術研發成本估算)，不同技術成熟度的研發投入和周期等。

在飛機項目研制中需要通過開展技術經濟分析和評估，經濟性指標的多樣性和不確定性對開展長期的技術經濟評估帶來了挑戰，合理的指標需要綜合考慮整個產業鏈中制造商、使用方以及供應商的利益，并能夠推動技術和產業進步，滿足最終用戶的需求。

在項目的經濟性評估中可以使用的指標包括單機價格，項目成本和使用成本等，這些指標在型號研制和項目決策中都有一些應用，但是不同指標的應用也存在差異，主要體現在不同經濟性指標的側重點不同，例如使用單機價格指標開展優化得到的產品往往忽略了使用成本，導致其運營成本缺乏競爭力，而對項目總成本的控制則有利于制造商在設計決策中綜合考慮所有權成本和使用成本的綜合權衡。

在飛機研制的全產業鏈中，不同階段的價值主體不同，關注的經濟性指標也不同，市場因素對價值鏈不同價值主體間的價值分配起到均衡作用，實現全產業鏈價值的最優化是實現制造商利益最大化的必要條件，而技術的先進性以及在型號設計中的最優化應用是核心內容。

全產業鏈中不同價值主體對價值的定義不同，分析方法不同，其應用方法也有差異。本文通過全面綜述全壽命框架內價值的概念和分析方法，發展和完善對飛機設計方案以及關鍵技術成本和周期進行評估的研究。

本文的目的是綜述航空經濟學的理論和實踐，為學科的發展及應用提供相對完整的框架，推動價值驅動的飛機設計方法的發展。航空經濟學研究既涵蓋宏觀內容，需要考慮廣泛的環境背景，例如國際戰略和經濟形勢，民機制造產業鏈模式，國防合同管理方式，民機和發動機使用及維修的商業模式，以及技術研發投資模式等都對技術研究和產品研發都有深遠的影響。同時，航空經濟學也涉及微觀內容，例如結構布局選擇，特定技術的工程決策等對經濟性的影響。宏觀因素對飛機項目的影響復雜，同時由于飛機項目的時間跨度大，技術和市場不確定性高，可以歸結為戰略成本或風險成本。主要考慮因素包括：①國際及地緣因素；②經濟環境，例如GDP總量以及年增長率，燃油價格波動等；③技術能力以及產業鏈發展；④航空專業人才的培養。經濟性設計方法在微觀領域的應用考慮對飛機總體、結構和系統參數的優選，結構設計，性能優化，系統供應商選擇等。此外，全球化的產業鏈布局的發展使得傳統的面向單一指標的經濟性設計方法需要進一步的發展，考慮全產業鏈的價值定義和優化，及如何使其在不斷變化的市場生態環境中處于有利的位置。

本文在總結傳統的技術經濟學科的內容基礎上，介紹航空經濟學的主要內容和相互之間的關系，并與飛機設計過程的討論緊密結合，有助于發展飛機設計綜合性評價體系、基于系統工程的設計流程和方法，并可對未來飛機項目的發展起到借鑒作用。本文的主要貢獻體現在以下3個方面：①綜述現有的技術經濟學研究的方法論;②型號應用的分析、不足和需求;③航空經濟學的未來發展方向。

1飛機設計方法和流程

航空設計技術的歷史實踐表明[3]，經典的飛機設計過程一般分為具有顯著特點的3個階段(概念、初步和詳細設計)，這一劃分方法可以比較準確地反映飛機設計過程的主要特點，概念設計階段的主要任務在于針對需求定義確定飛機的總體方案和參數，包括大量不同的設計方案的對比研究，這一基本特點要求該階段使用的分析模型具有較高的計算效率，一般是基于以往設計經驗和試驗數據的經驗理論公式，通過多次迭代逐漸逼近，這一迭代過程中模型和數據的精度不斷提高。初步設計階段則進一步完成主要部件的參數設計和飛機性能及主要系統的確定。詳細設計階段所有部件和系統參數細節的參數定義，為全機制造、總裝和試飛提供數據。雖然3個設計階段各有顯著的特點，但3個階段的劃分卻缺乏明確和統一的節點，往往存在一定的交叉和重疊，雖然如此，但是跨階段的設計迭代則是應該避免出現的，否則對項目進展會帶來嚴重的影響。

中國航空飛行器的研制程序一般包括5個階段：方案論證、方案設計、工程研制、設計定型和生產定型。概念設計、初步設計和詳細設計的任務主要集中在上述5個階段劃分方法的前4個階段。美國NASA系統工程手冊將復雜系統的研制按照全壽命周期的框架劃分為如下7個階段[4]：

1) 概念研究階段(Pre-Phase A: Concept Studies)。

2) 方案和技術開發階段(Phase A: Conceptand Tech Development)。

3) 初步設計和技術實現階段(Phase B: Preliminary Design and Tech Completion)。

4) 最終設計和工程研制階段(Phase C: Final Design & Fabrication)。

5) 系統總裝、集成與試驗(Phase D: System Assembly, Integration & Test)。

6) 使用和維護階段(Phase E: Operations &Maintenance)。

7) 退役與處置階段(Phase F: Closeout, Disposal of Systems)。

其中前4個階段中體現了概念設計、初步設計和詳細設計3個階段的明顯特征，7個階段的劃分方法也體現在項目全壽命周期成本分析方法的建立中。

在工程實踐中通常使用現代的項目管理軟件(如DOORS[5]),通過一系列評審實現整個設計過程和設計方案的管理和控制。同時，在目前及未來的型號發展中則需要更高可信度的基于物理規律的多學科仿真模型來實現復雜約束條件下的優化決策，其中包括發展和使用更精準的經濟性分析模型來實現項目的目標管理、成本控制以及進度控制等，以實現飛機項目、設計方案綜合價值最優的總體目標。典型的飛機項目成本曲線如圖1所示。圖中給出了計劃成本和典型的實際成本曲線。項目初期的需求定義和總體方案優化可以影響或鎖定整個項目成本的70%以上，而項目設計更改或糾錯成本也隨著項目的進展越來越高，更加凸顯高質量需求管理和設計決策的時效影響。這一規律不但適用于軍機項目，也同時適用于商用飛機項目。

圖1典型的飛機項目成本曲線
Fig. 1Typical cost curves of aircraft projects

傳統飛機優化設計中，在追求綜合性能最優的同時，雖然可以通過考慮重量最輕或油耗最小來兼顧成本因素，但由于飛機項目的長周期特點和新技術應用，以及宏觀經濟環境發展的不確定性，采用飛機全壽命成本框架下的經濟性分析方法可以更加全面地考慮飛機項目成本，并通過關聯參數分析與優化決策，實現更好的成本控制，以及制造商和使用方的利益平衡。全壽命成本方法不僅適用于飛機研制領域，對大型工程或國防項目同樣適用。

飛機項目具有周期長、投資高、新技術密集等一般特點，長周期特點帶來的技術、需求和市場不確定性為項目的商業成功帶來挑戰，需要采用動態管理的方法。國外對各種不同飛機項目的全壽命周期研究具有較長的歷史，發展了多種方法，常用的方法包括類比法、工程法以及參數法[6]，其中類比方法的可信度取決于類似機型數據的長期積累，工程法是一種自上而下的方法，通過工作分解結構(Work Breakdown Structure, WBS)和成本分解結構(Cost Breakdown Structure, CBS)對工作包和成本項目進行逐級分解匯總，得到總項目的全壽命成本估算；參數法將飛機項目的主要特征和性能參數與成本關聯，該方法使用簡單，對類似技術條件下的類似機型的成本估算適用性好。在實際項目的成本估算中，一般需要綜合多種方法，并開展相應的不確定性和風險分析。

單機成本的估算一般通過發展一系列的成本估算關系式(Cost Estimation Relationship，CER)，這些關系式一般是基于特定機型的技術成本數據和主要特征性能參數，統稱為工程參數法[7]，各種不同經濟性指標的估算是飛機設計過程中的重要環節。飛機設計從基于試驗和經驗數據的流程向基于物理仿真模型的多學科綜合方向發展，經濟性模型也成為綜合優化的必要指標，與飛機的性能指標共同參與對飛機參數的優選。

2航空經濟學研究內容

飛機項目的技術經濟性分析是傳統技術經濟研究的主要內容。而本文關注的航空經濟學的研究范疇超越傳統技術經濟學領域中的成本分析，不但涵蓋航空產品及技術經濟性分析，而且進一步納入航空運營經濟性，以及產業經濟等方面的內容，如圖 2所示。

圖2航空經濟學研究范疇
Fig. 2Research scope of aero-economics

圖3航空業的主要利益相關方
Fig. 3Stakeholders in aerospace industry

航空經濟學重點從價值鏈角度分析在設計、制造、運營等全壽命周期框架內實現包括制造商及運營商在內的整個產業鏈中各利益相關方的價值,航空產業領域主要的利益相關方如圖3所示。航空經濟學的具體研究內容包括航空制造商的產品技術經濟性分析、競爭性分析、產業鏈管理、技術合同管理，以及航空運輸領域中的需求分析、成本指數、維修成本、競爭性分析等內容，甚至還包括航空產業經濟學相關的產業鏈分析等，如圖 4所示。

對商用飛機市場價值的分析主要關注的需要考慮的因素既包括與飛機性能相關的參數，也包括與市場相關的參數，兩類影響因素的主要內容如表1所示。兩類參數之間存在相互影響，型號的商業成功需要實現技術指標和市場需求的有效匹配，同時具有很強的時效性和針對性。

航空經濟學的研究既可以服務于宏觀目標，包括監管方的研發戰略、產業政策、適航規章及稅收政策的制定，和制造商的長遠技術研發決策及型號發展決策，以及運營方的長期機隊規劃等，也可服務于微觀決策，例如制造商有關新技術的經濟性分析及設計優化、運營方的定價策略等。同時，還涵蓋制造商的項目成本(人力成本，設備折舊，技術研發投入)，研發成本的計算方法及在技術研究和型號發展中的應用等。

考慮全壽命周期框架下的不同價值主體采用的不同經濟性指標是貫穿航空經濟學研究的主線，也有助于形成不同價值主體之間價值聯系的基本框架，需要關注的一些基本內容包括：各項成本費用的估算方法，包括運營費用估算方法；費用主體的分割及影響；現金流量和資金的時間價值概念等。

圖4航空經濟學具體研究內容
Fig. 4Specific research areas of aero-economics

表1影響商用飛機價值的主要因素

Table 1Aircraft value retention factors

PerformancedrivenfactorMarketdrivenfactorAircraftspecificationOrderbookAirframetechnologyMarketpenetrationEnginetechnologyProductlift-cycleSystemSurplus/shortageAircrafteconomics2ndmarketprospectsAircraftfamily/technologyFinancingenvironment

通過航空經濟學的研究，有利于實現發展更加靈活的項目組織模式，性價比更高的技術研發模式，更優化的型號設計方案3大目標，并提供一種有效的評價模式。其中項目研發模式，供應鏈模式，以及技術水平對項目成本及競爭性的影響在本地化和全球化并存趨勢下的影響；低成本運營模式對方案設計的影響；公共資金對不同飛機項目研制影響及時間成本和價值實現問題都是目前制造商取得市場成功的關鍵問題(項目延期對成本的影響估算)。

3經濟性指標體系及估算方法

確立明確和有效的經濟性指標是開展經濟性分析和設計的基礎和依據，不同的飛機型號，評估方的差異，以及評估的目的差異都影響評估指標的選擇，并對評估的最終效果產生影響。本節基于現有的多種經濟性指標，主要從飛機方案和飛機項目兩個角度闡述飛機的經濟性指標，并分別涵蓋軍機、民機產品和項目在評估指標選擇上的異同，Curran等對不同的經濟性估算方法進行了綜述[8]，并與系統工程方法相結合，發展了飛機結構制造成本的參數關系式[9]。

3.1型號經濟性指標及估算方法

對飛機經濟性指標的評價可以使用全壽命經濟性或使用經濟性，前者主要用于軍機項目，后者一般用于民機項目。軍機項目的成本一般根據固定價格-收益激勵以及風險共擔的方式確定，是國防合同管理的重要內容。而對于主要由市場定價的民機型號，航空公司關心的直接使用成本中既反映了飛機研制的成本因素，又包含了飛機的使用成本因素。而制造商期望改善飛機使用成本的同時降低飛機的研制成本。一般來說，兩者之間存在著此消彼長的關系，飛機使用成本的降低需要新技術研發的持續投入，會推高飛機的研制成本，結合市場因素達到兩者之間的平衡是飛機項目優化決策中面臨的主要矛盾。

軍機項目采用全壽命成本的概念和方法進行經濟性的分析和評估，目前最常用的方法是美國RAND公司發展的針對不同機型的系列方法[10-11]，但在實際應用中需要參考實際經濟環境考慮具體參數的確定，這一方法已經廣泛應用于其他類國防項目，也可用于新材料對飛機成本影響的分析[11]。全壽命成本可以劃分為4個主要的成本項。

1) 研發成本(非重復成本)。非重復成本包括以下各階段發生的成本：概念設計、初步設計和詳細設計；機體結構和系統的實驗和驗證；適航驗證和試飛；新工藝的開發；工裝的設計和制造等。

2) 制造和采購成本(重復成本)。重復成本包括以下各階段發生的成本：原材料、發動機和設備成品的采購；機體制造；飛機總裝；產品質量控制和批生產試飛等。

3) 運營成本。運營成本包括運營期間的所有權成本(利息、折舊費和保險)、現金運營成本(燃油費、空勤費、維修費、起降費、導航費、機場收費等)和間接成本。

4) 處置成本。處置成本是指飛機進入處置階段發生的成本。飛機可能轉售或租賃給其他用戶經營，或改裝成貨機，或被封存/解體。

商用飛機的運營經濟性是其核心競爭性指標，基于航空公司財務數據的統計結果受到航空公司財務報告制度的影響。飛機的運營經濟性的衡量指標包括直接運營成本和間接運營成本，其中前者又分為現金運營成本和與資本有關的成本，運營經濟性的不同成本構成之間的典型對比方法如表2所示。

航空公司的運營成本一般使用可用座公里的直接使用成本來描述(DOCper ASK,CASK)，與航段距離有關；其收益的單位為每座公里的收益(Revenue per ASK ,RASK)，與季節、航段距離有關。競爭機型的運營經濟性對比通常需要針對相同的參考任務航段進行，并結合航空公司的運營模式開展針對性分析。隨著低成本航空運營模式的不斷擴展，需要系統化的研究低成本模式的含義及其對飛機設計的影響。

商用飛機的各項成本和飛機的設計方案、技術水平以及運營環境有關，針對150座級單通道飛機的典型數據和影響因素的基本規律如表2所示。針對渦輪螺槳支線飛機、噴氣支線，單通道和雙通道飛機的運營成本的分解也各有差異。有關運營經濟性的詳細分析可以參考一系列的研究文獻[12]。

經濟性指標的分析方法需要根據宏觀經濟環境以及實際運營環境的發展不斷得到更新，并及時反映航空公司運營模式、技術發展帶來的影響。例如，可以針對低成本運營、多機型系列化模式，以及特定技術方向等專題發展特定模型及應用。

飛機制造商和運營商使用的經濟性分析方法各有不同，常用的一些方法如表3所示[13]，在飛機設計方案對比分析和優化過程中，應該采用類似的方法。

表2商用飛機航段運營成本主要構成

Table 2Elements of trip operational cost of commercial transport aircraft

CostelementValueFactorandrelationPilotcost13%Blockhours,linearCabincrewcost2%Fuelcost18%Stagelengthandaircraftweight,linearOwnershipcost33%Maintenancecost13%AirframeandengineAirportfees16%AircraftweightandsizeATCcharges1%AircraftweightInsurance4%PurchasepriceTripcost100%Stagelength,seatcapacity

表3常用的運營經濟性分析方法[13]

Table 3Commonly used methods for operational economic analysis[13]

OwnerMethodDescriptionManufactures(confidential)AI(C)Airbus(commercial)AI(P)Airbus(project)OPCOSTBoeingRRRollsRoyceAirline(confidential)Dependentoncharacteristicsofair-lineoperationsTradegroup(publicdomain)ATAAEAAmericanTransportAssociationAossociationofEuropeanAirlines

3.2項目經濟性指標及估算方法

飛機項目經濟性是影響制造商盈利的關鍵指標，也是成本控制的主要落腳點，但通常又和提升飛機的性能和競爭力所需的研發努力之間存在相反的關系。此外，飛機研制的特點使得飛機項目的成本控制存在挑戰，參考圖1給出的飛機項目的成本和現金流曲線，飛機項目的經濟性指標應該基于飛機全壽命成本框架建立，主要包括飛機的研制成本，單機成本與價格，飛機項目的現金流，以及盈虧平衡點等。

在上述飛機項目經濟性指標中，研制成本、單機成本可以同時用于國防類和商業類飛機項目的經濟性分析，可以采用4.1節中全壽命成本框架內的分析方法完成，單機價格、盈虧平衡點以及現金流分析則適用于商用飛機的經濟性分析，和市場環境密切相關，其中，商用飛機的市場價格受到機型技術、市場環境、地緣政治、制造商戰略以及飛機殘值等因素影響，相對目錄價格存在20%～60%的折扣，平均折扣在45%左右，對制造商的現金流和盈虧平衡具有深遠的影響。在直接使用成本、資本成本項的估算以及經濟性對比分析、飛機價格一般使用目錄價格。

飛機項目的經濟性評估還需考慮航空產業對科技實力提升、產業發展以及國家競爭力的戰略影響，包括對宏觀經濟指標的貢獻程度，以及在國際航空產業中的競爭力評估等指標[14]。這些因素的考慮構成了項目的戰略和風險成本分析，在項目初期的重要性尤為重要。

3.3經濟性數據體系

飛機經濟性研究需要高可信的數據，既包括來源于工程部門的技術數據，也需要使用方的運營使用和維護數據，不同的數據的匯報形式不同，主要的分析方法包括計量經濟學方法，基于經驗數據的統計方法，以及基于工程原理的方法等。

建立經濟性數據體系，需要長期的和廣泛的原始數據積累。一些主要的數據源包括：有關美國航空運輸業的US DOT Form 41[15]以及一些衍生產品，例如航升(Ascend)與OAG的數據庫產品[16-17]。此外，也有一些在行業組織[18-19]、學術和公眾領域的數據源[20-21]。與國際水平相比，我國在有關航空經濟性數據的完整性和可達性方面還存在一定的差距，規范包括制造商和運營商在內的行業數據報告制度是提高航空經濟學研究水平的重要基礎。

在大量工程與運營數據的基礎上，通過長期積累和持續的分析，建立經濟性數據體系及相關的數據分析方法，是經濟性分析工作的重要支撐。也是發展經濟性分析方法的重要依據。

4經濟性設計和價值驅動的飛機設計

飛機設計過程是一個不斷迭代、逐漸逼近的過程，在對未來市場以及國防需求分析的基礎上，商用飛機技術指標和軍機的戰術技術要求是設計迭代的出發點，結合技術水平的發展，確定和不斷細化飛機的設計方案。在這一迭代過程中，將單一經濟性指標作為設計迭代的優化指標，構成飛機的經濟性設計。但是，在飛機全壽命周期中，以及目前產業鏈國際化分工的背景下，不同利益方對經濟性指標的定位存在差異，因此需要將經濟性設計推向更加全面的價值驅動的設計理論和方法。

隨著價值主體的變化，價值的衡量指標以及驅動因子不同。飛機制造商的價值實現的核心在于能夠在滿足用戶價值實現需求的條件下，實現自身價值的最大化。因此，分析相關利益方的價值指標、驅動因子以及和飛機設計及研制過程中相關決策的關系至關重要。本節在介紹經濟性設計的基礎上，討論價值驅動設計的內涵和外延，與飛機設計的關系，過程管理和價值實現的方法。

飛機項目的價值最終體現是在能夠滿足使用方(國防部/航空公司)和最終用戶(軍方/乘客)的需求的同時，為制造商帶來收益(固定收益或市場收益)，同時滿足適航當局等監管方的約束條件。

在設計階段對不同價值主體的考慮不但需要增加新的分析模型，還需要考慮其對飛機設計流程的影響，在多學科技術的基礎上，將系統工程和價值工程方法同更加完善的模型與數據有機結合，形成更加有效的設計和組織管理流程，更好地滿足個壽命周期內不同價值主體的需求。

4.1飛機設計與經濟性

在飛機經濟性分析中，軍機和民機經濟指標的分析流程分別如圖 5和圖 6所示，其中給出了在經濟性指標分析中，不同輸入參數的來源和模塊之間的關聯關系，經濟性指標的計算方法可以參考第3節。可以進一步將經濟性分析的方法和模塊融入飛機設計流程，如圖 7所示，并在常用的飛機設計軟件中實現面向飛機經濟性的綜合設計，采用這一流程方法和設計工具，可以完成一系列的經濟性分析和設計工作，概括起來，可以包括：

1) 飛機概念優選和參數優化，如針對特定航線結構的最小成本優化；基于經濟性的公務機設計[22]，NASA飛行測試平臺的概念設計[23]，以及空中出租車(Air Taxi)設計方案優化方法[24]等。

2) 飛機結構優化，如考慮飛機和費用的綜合優化[25]，結構制造成本的更精確估算方法[26]等。

3) 飛機系統選擇，飛機系統選擇及其對成本的影響可以采用全壽命成本的方法[27]，也可以采用使用成本為研究飛機系統參數和特征設計的方法[28]。

4) 發動機選擇的成本分析，如發動機設計對飛機全壽命使用成本的影響[29]，發動機部件成本的估算方法[30]，基于系統工程方法的發動機全壽命成本分析[31]。

圖5商用飛機經濟性設計流程
Fig. 5Design flowchart for economy of commercial aircraft

圖6全壽命成本經濟性分析流程
Fig. 6Design flowchart for life cycle cost (LCC) based economic analysis

5) 先進技術的經濟性評估，如新技術應用對商用飛機運營成本和全壽命成本的經濟性影響評估[32-33]，以及對飛機發動機采購成本的影響等[34]。

目前開展的較多的飛機經濟性研究及應用一般聚焦于單一經濟性指標和相對較少的設計參數及學科方向，面向多指標和全系統的綜合性經濟性方法研究及更加深入和廣泛的應用，是未來經濟性需要重點關注的內容之一，特別是需要考慮更高環保性要求對未來技術發展和型號研制的潛在影響。

圖7飛機經濟性優化設計
Fig. 7Aircraft design optimization for economics

4.2價值主體和價值定義

單一的經濟性指標，甚至基于多項經濟性指標綜合的技術經濟分析逐漸難以滿足對飛機型號和項目開展市場和技術經濟分析的需求，也無法滿足設計決策方法對數據和評估準則的需求，面臨著更加多變的市場環境和國防需求中，以及長達40年的項目全壽命周期，做出最優的決策需要考慮價值主體演化過程中對價值實現的不同需求，特別是戰略性決策的價值分析顯得尤為重要，從而實現如圖3所示的主要利益相關方之間的平衡，提高項目成功的概率。這也是實現面向價值(Value-Driven Design, VDD)的航空設計的核心理念之一[35]，價值驅動的設計是經濟性設計的延伸，可以更好地綜合飛機項目不同價值主體的利益，VDD所采用的框架如圖 8所示。

飛機型號對不同價值主體的典型價值指標不同，可以借鑒全壽命周期的成本框架結構，使用不同的經濟性指標來反映。

1) 制造商。飛機型號及項目的價值主要體現在技術特征、單機成本、項目成本和現金流3個方面。

2) 運營商。飛機的價值主要體現在運營成本(包括飛機的購買價格或租金，維護成本等)、凈現值、以及盈利能力方面，進而影響運營商的市場競爭力。

3) 部件或系統供應商。結構成本、系統性能特征、單系統成本以及市場價格。

4) 發動機提供商。發動機性能競爭力、價格和使用維護成本。

5) MRO供應商(維護，修理與大修)。維護維修方法、人力資源成本、維修規劃和事件規劃以及質量管理方法。

不同價值主體在價值指標定義上的差異對飛機總體參數、性能指標、布局、結構設計以及系統方案等有不同的要求，在整體價值體系的定位和權重不同，并可能隨著市場環境而變化。

4.3價值工程飛機設計方法-框架、工具和環境

商用飛機取得市場價值的關鍵在于滿足市場需求的同時降低成本，而創新設計帶來額外的附加價值，卻意味著更多的研發投入，增加的成本會侵蝕部分的創新附加價值，卻相對容易通過超成本定價取得補償。對成本的分析以及潛在收益的估算是做出新技術融入決策的重要依據。

從一定程度上來說，價值驅動的飛機設計和傳統的性能驅動的飛機設計的不同點在于設計目標的轉換。在傳統飛機性能分析和約束分析的基礎上增加了不同的經濟性分析模塊，并與飛機的設計參數關聯，可以對包括經濟性指標在內的綜合指標進行優化權衡，而價值工程方法是經濟性設計的進一步延伸，價值工程方法的實現需要研究的內容包括理論體系[36]，設計方法和流程，以及工具和環境[37]，價值驅動的設計過程和方法如圖8所示。

在飛行器設計中VDD方法和多學科優化方法(Multidisciplinary Design Optimization, MDO)的緊密結合是其應用于型號設計的必要條件之一。多學科方法為不同學科之間實現參數級和數值仿真模型級的緊耦合提供了前提，而價值驅動的設計流程則提供了綜合性的設計指標體系和設計方法及流程，將對各種指標的要求通過嚴謹的分析方法和流程，有效傳導至飛機的設計參數級，為設計工程師的設計決策，特別是早期的設計決策提供了更好的依據。采用VDD方法的飛機設計方法及應用包括無人機的研制[38]、商用飛機設計[39]、公務機[40]以及航空公司運營[41]和新技術的價值評估[42]。

圖8價值驅動的飛機設計過程和方法
Fig. 8Value-driven aircraft design process and methods

4.4應用實例

基于經濟性指標的飛機方案、部件、或系統的設計優化方法不僅僅是工程設計部門關注的領域，也是航空院系設計類專業方向研究的重點內容之一。國際上，美國MIT，英國Cranfield和Southampton等大學分別和工業界合作開展了一系列的面向經濟性的方案、部件和系統的經濟性研究，國內南京航空航天大學余雄慶等開展了復合材料經濟性影響分析[43]，上海交通大學航空航天學院分別開展了民用飛機經濟性分析方法研究[44]、面向環保性和經濟性的民機方案優化[45]、新技術應用的經濟性評估[46]，以及制造和維修成本方法的研究等[47]。

4.4.1概念設計流程的實現

基于飛機概念設計的基本方法和流程，建立飛機參數和性能特征參數的關聯關系和程序實現，是開展飛機概念迭代優化的基礎，現有一系列的飛機概念程序(例如VSP[48]、ADS[49]、RDS[50]、AAA[51]等)可以完成飛機概念設計中的參數分析和性能計算等，這些軟件工具各有特點，但是在實現整個設計流程的集成，特別是與其他軟件集成時面臨一些挑戰[52]。本文提出一個層次化的、以數據和方法為中心的集成框架，既能夠滿足設計流程實現所需的集成需求，又具有進一步發展方法的靈活性。可視化功能則利用MATLAB來實現。這一框架如圖 9所示。在這一框架內，通過集成不同的分析方法模塊和優化分析及決策模塊，可以實現多目標和多約束的飛機概念設計的參數優化。

圖9飛機概念設計方法集成框架
Fig. 9Integration framework for conceptual aircraft design

4.4.2面向環保性和經濟性的優化設計

用這一集成環境和商用飛機的直接使用成本(Direct Operating Cost,DOC)及全壽命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)分析方法、基于Fink[53]和Guo[54]的噪聲分析方法，以及典型發動機排放計算方法，可以實現面向商用飛機經濟性和環保性的飛機概念優化[45]，以典型的單通道商用飛機為例，其主要設計參數、DOC、排放及噪聲指標之間的主要關系如圖 10所示。

采用遺傳算法等優化方法，可以得到設計參數針對經濟性和環保指標的優化結果，如圖 11和圖 12所示，圖中分別給出了經濟性和環保性指標之間的變化趨勢關系。這一研究從飛機方案設計的層次分析主要設計參數對飛機環保性和經濟性的定量分析結果。例如發動機涵道比(Bypass Ratio,BPR)的不斷提高是未來飛機燃油效率提升的重要參數之一。

圖10主要設計參數與經濟性和環保性指標之間的關系[45]
Fig. 10Correlations of major design parameters with economic and environmental characteristics[45]

圖11直接使用成本(DOC)和噪聲指標之間的關系
Fig. 11Relationships between direct operating cost
(DOC) and noise

圖12DOC和排放指標之間的變化趨勢
Fig. 12Trend of variations between DOC and emission

4.4.3新技術的經濟性評估

在未來機型的發展中，對環保性的指標要求不斷提高，是驅動新技術發展的主要因素之一，而新技術對飛機設計帶來的影響需要考慮包括經濟性指標在內的綜合指標影響。

在一系列降低噪聲和發動機排放的技術手段中，發動機技術的持續改進是其中之一，例如更大涵道比渦扇、槳扇等主要的發動機選項可以提供更低的油耗，卻需要投入更高的研發成本，進而提高了飛機的單機價格，必然反映在DOC指標的提高上。

此外，現有機型也需要通過技術更新保持其市場競爭力。利用飛機設計參數和飛機環保指標的關聯關系，通過考慮潛在新技術對參數的影響靈敏度，可以分析新技術的影響，服務于技術研發的中長期決策。例如，發動機的油耗參數SFC (Specific Fuel Consumption)對飛機全機DOC/COC(Cash Operating Cost)的影響可以通過上述方法得到，其典型變化趨勢如圖 13所示。

圖13SFC變化對全機DOC/COC的影響分析
Fig. 13Effect of SFC variations on aircraft DOC/COC

5提高飛機經濟性的技術因素分析

對于商用飛機來說，從直接使用成本的角度出發，通過分析各種不同成本項的構成以及主要影響因素，可以從飛機總體設計的角度，針對提高民機經濟性的主要手段，綜合技術發展水平和市場需求，做出相應的技術決策，達到改善飛機市場競爭力的目的。其中一些主要的影響因素包括：

1) 結構重量

①結構布局設計

②新材料的使用

③結構優化設計

④更先進的系統設計與布置

2) 發動機技術

①燃油效率

②推進效率，例如通過使用槳扇構型等

3) 空氣動力設計技術

①減阻措施，包括層流控制以及減少誘導阻力的技術

②變彎度設計

③流動控制技術

④新型氣動布局設計

4) 先進增升裝置概念

①輕質結構與簡化機構設計

②新型增升裝置

5) 航電與飛控系統

①降低靜穩定度下的飛行控制率設計

②主被動載荷控制

6) 維修技術

①結構/系統狀態監測

②基于狀態的維修技術

6結論

本文結合飛機總體設計，綜述了航空經濟學研究的主要范疇和具體研究內容，包括不同的經濟性指標、估算方法，并融合飛機的綜合指標體系和設計過程的主要特點，詳述了將不同經濟性指標和飛機設計過程有機結合的方法和案例，并進一步闡述了在飛機全壽命周期框架下考慮價值驅動的飛機設計方法、二者之間的異同，以及其在飛機設計參數優化以及新技術評估中的典型應用和面臨的挑戰，為進一步開展相關研究提供參考框架和基礎。

致謝

感謝2011屆碩士研究生莫慶華、吳慧欣，2012屆和2014屆碩士研究生趙曼和趙楠在研究生學習和科研過程中對相關內容所作的貢獻。相關項目得到中國商用飛機有限責任公司的持續資助。

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宋文濱男， 博士， 副研究員。主要研究方向： 飛行器設計， 計算空氣動力學， 計算聲學和航空計算智能。

Tel: 021-34207065

E-mail: swb@sjtu.edu.cn

Received： 2015-10-02; Revised: 2015-10-19; Accepted: 2015-10-29; Published online: 2015-11-0215:00

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1500.010.html

Foundation items： National Large Civil Aircraft Project Research (11GFH-ZD0510, 10GFZ-ZZX-017)

Aero-economics and value-driven aircraft design methodology and applications

SONG Wenbin*

School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai210020, China

Abstract:Global competition is one of important features for commercial aircraft industry and increasing demands on less environmental impacts, improved safety and comfort levels and economy are the main drivers for new technology development and industrial chain globalization. Economics has become one of the increasingly important factors in the development of aerospace technology and products, and also one of the challenging issues for the aerospace industry in China. In the decision making process for new technology research and development and its applications in product development, economic consideration has always been one of the critical factors. The paper first describes the scope of the aviation economics, theories and methods used in typical analysis of aircraft economic indicators including direct operating cost for commercial aircraft and life cycle cost for defense projects.The paper also discusses the effects of different economic indicators on the conceptual aircraft design, structural design and choice of system supplier. Example applications areprovided in the paper in areas of aircraft conceptual design with both economic and environmental implications as well as the assessment on how future new technologies will affect the various cost values of the design. It is hoped that this review will promote the development of techno-economics, and some of these methods can be used in the comprehensive evaluation of optimal designs with economic indicators including time related cost. It can also be expected that the development of aero-economics should be able to promote the development of Chinese aerospace supply chain in an increasingly globalized industry.

Key words:aircraft design; techno-economics; aero-economics; value engineering; value-driven design

*Corresponding author. Tel.： 021-34207065E-mail: swb@sjtu.edu.cn

作者簡介：

中圖分類號：V221

文獻標識碼：A

文章編號：1000-6893(2016)01-0081-15

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0293

*通訊作者.Tel.： 021-34207065E-mail: swb@sjtu.edu.cn

基金項目：大型客機專項研究(11GFH-ZD0510, 10GFZ-ZZX-017)

收稿日期：2015-10-02; 退修日期: 2015-10-19; 錄用日期: 2015-10-29; 網絡出版時間: 2015-11-0215:00

網絡出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1500.010.html

引用格式： 宋文濱. 航空經濟學及面向價值的飛機設計理論與實踐[J]. 航空學報, 2016, 37(1): 81-95. SONG W B. Aero-economics and value-driven aircraft design methodology and applications[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 81-95.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn