運載火箭技術經濟分析初探

楊偉宏，岳曉飛，徐珊珊，孟慶豐，李 斌

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引 言

在以往評價航天裝備時，往往只著眼于常規的效能，即各種技術性能指標，對經濟技術特性，如成本、價格等未給予足夠的重視。在設計初期沒有系統開展技術經濟分析和全壽命周期費用論證，在后期發現問題時已錯過了修正的最佳時機，經費使用效能不高，產品成本價格過高。

國內外都在研究如何控制和節約航天裝備費用，使其先進性和采購費乃至全壽命周期費用之間能有科學的平衡，實現費用效能的最佳組合。隨著高新技術的不斷涌現，在現代航天裝備中電子化、信息化、新材料、新工藝的選用越來越多，技術的集成度越來越高，研制過程中的技術、經濟風險越來越大，超支和降低技術指標的情況時有發生，嚴重影響了資金的使用效能。

運載火箭從某種意義上也屬于航天裝備，由于采購數量相對較少，對單發火箭效能依賴越來越高，因此，也亟需開展有效地控制研制和采購經費的研究。

1 運載火箭技術經濟分析的主要內涵

在對項目的分析論證中，最重要的就是技術經濟分析，具體來說，即在一個工程項目尚未實施之前依據相關的分析手段和方法估算它的經濟效用，并通過在不同方案之間的比較，從中優選出最經濟、最有效的技術方案，從而使項目的投資決策建立在科學分析的基礎上，為投資決策的科學化提供方法。

運載火箭技術經濟分析主要關注具體型號技術實現過程中的經濟效益和研制成本、價格等經濟指標對技術發展的影響規律。分析工作主要分成[1]：全壽命周期費用的預測、成本費用估算以及技術和費用之間的關系協調與平衡。在具體工作內容上，通過對技術內容的總結、經濟數據的收集、建立數學模型，并在實際工作中不斷修正，科學地指導經濟決策。

2 運載火箭技術經濟分析的特征與指導思想

運載火箭是一類特殊的商品，同時也是全社會的公用產品，正是由于航天裝備具有這種雙重的屬性，其技術和經濟特征具有特殊性，需要正確的把握技術經濟分析[2]。

2.1 技術特征

a）計劃性強

航天裝備研制與生產受到嚴格需求計劃的限制，在不同的時間對不同裝備的需求具有明確的計劃安排，其生產經營活動不完全以經濟指標為主導。當遇到重大的外部威脅和政策調整時，企業必須絕對遵照要求開展研制和生產，經費下達也是以計劃為指導。

b）技術復雜，質量要求高

航天裝備產品作為國家安全利益與經濟利益的保障，不斷要求技術創新和技術領先，并保證擁有自主的知識產權。因此航天裝備對新技術應用要求高，專業領域涉及廣，質量與可靠性要求苛刻。

c）研制周期長

航天裝備產品研制過程中，為了確保研制的進度質量等各方面的要求，一般分為方案階段、初樣階段、試樣階段和定型（鑒定）階段，研制周期長，跨度大。

2.2 經濟特征

a）供需雙方存在信息不對稱。

作為承研單位，由于無法提前獲取航天裝備最終的使用情況信息，在研制生產前無法得到采購的批量以及后續資金的支持情況，尤其完成初期論證和研發的項目能否立項對生產者而言都不確定。

因此，無論承研單位還是用戶，在航天裝備研制生產過程中都會面臨不確定因素帶來的大量風險，供需雙方在識別、處置自身面臨的各種風險的同時還要提防對方應對風險處置不當時對己方的影響。

b）產品的專用性強

航天裝備產品無論是在投資還是在用途上，都具有極強的專用屬性。為了保護這種專用性，國家和單位內部制定了一系列規章制度，保障研制資金專款專用，保證產品只能流通到指定的部門，不能向其它非用戶部門轉移，造成了產品替代性低，使得一些常規的經濟學分析工具在分析航天裝備時難以奏效。

c）市場調節手段有限

航天裝備的商品特殊性使得市場調節的手段有限，估算十分復雜和困難。即使研究分析得出的結論對采辦效果的影響并不起關鍵作用，沒有真正進入市場環節，沒有起到國防資源配置的杠桿作用。由于供需雙方相對壟斷的特點，即使引進競爭機制，也因國家需求有限及軍工單位分工壁壘，市場調節能力有限。

2.3 技術經濟特征綜合影響分析

開展技術經濟分析的目的是在全壽命周期內實現使用效能的最大化和使用費用的最小化，需要將技術參數和經濟指標整合在一起，進行最優的決策。

在技術經濟分析中，技術是引領。技術進步所引發的設計思想和理念的進步非常迅速，使得航天裝備的技術含量越來越高，作戰使用效能越來越高。從經濟角度分析，設計、試驗、驗證手段的提高，極大提高了設計效率，同時也使設計更加復雜，經濟與技術參數之間的配合越來越精準。

因此開展運載火箭技術經濟分析，必須站在全局高度分析研究技術與經濟問題，既要考慮技術引領，又要認識到新技術的采用是通過各個專業和產品之間的配合關系，經過復雜變換后才能體現出來，脫離應用環境和總體設計目標，力圖簡單得出某項技術的價值是不現實的。

2.4 運載火箭技術經濟分析的指導思想

現階段技術經濟分析需要在明確技術經濟分析需求和重要意義的前提下，捋清思路，總結方法，積累經驗，按照當前運載火箭研制規律進行嘗試、探索，最終形成相對固定的、可操作的分析模式。

由此在現階段開展技術經濟分析工作的指導思想為：以系統工程思想為指導，按照全壽命的范圍要求，嘗試建立技術與經濟雙向影響的關系，并能夠對此關系進行合理評價，為運載火箭的技術經濟決策提供依據。

3 運載火箭技術經濟分析的思路與方法

通過近幾年的探索，在開展航天裝備技術經濟工作中形成了一定的方法和經驗。主要方法有類比估算法、工程估算法、參數估算法等[3]。

3.1 類比估算法

類比估算法是利用被預測的運載火箭與已完成研制任務運載火箭的特征進行類比，在已完成研制運載火箭費用的基礎上得出新型運載火箭的費用數據。其主要思想是深入分析典型產品，以點帶面，縱向類比分析新舊運載火箭技術特征和特性，橫向類比分析新舊運載火箭選用的同類產品。這種方法應用比較廣泛，要求費用分析和估算人員基本了解產品研制生產過程。通常用于對已有運載火箭改進費用估算和對已完成運載火箭繼承性較大的運載火箭研制費用估算。

3.2 工程估算法

工程估算法主要思路是將運載火箭總工作量分成更小的工作單元，對每個工作單元的重復性勞動和材料等作累計并估算其費用，再把各個部分相加進而得出該項任務總的費用估算值。這種方法要求費用分析和估算人員對產品的研制生產過程具有一定的了解。如果采集的數據比較準確，就可以得出準確的結果。

層次分析法是工程估算法中使用較多的方法。其基本思路[4]是把一個復雜系統中具有共同屬性的因素組成同一層次，不同類型的因素形成不同的層次；并且上層因素與其下層全部或部分因素相關聯，形成按層次自上而下的逐層關聯關系；通過各因素兩兩對比，通過層次結構逐級向上完成復雜系統分析評估。

層次分析法能統一處理決策中的定性與定量因素，把簡單的表現形式與深刻的理論內容結合在一起，具有系統性強、簡潔性顯著、主觀客觀結合性好等特點，可以提高評價的準確性和科學性。

3.3 參數估算法

參數估算法是當前費用估算中應用最為廣泛的方法。該方法的指導思想是以具有特殊含義，能夠表達工程系統特性的參數組成費用方程或方程組，通過統計計算等方法建立費用和工程系統特征量級技術參數之間的數學關系式，也就是費用數學模型[5]。參數估算法需要對已建立的數學模型的可靠性進行檢驗后才能用于實際的估算工作。如果采用的是統計計算則需要基礎數據的樣本容量必須達到一定的計算要求，使用的樣本與估算的產品或系統的時間距離越近越好，參數指標越近似越好。

隨著新技術的不斷發展，出現了大量新的參數估算方法，比如偏最小二乘法、神經網絡法、數據包絡分析法等。

3.4 技術經濟分析與運載火箭研制階段的配合關系

進行技術經濟分析工作具體方法可根據實際情況，特別是掌握的數據情況確定。在有效數據充足的情況下可以選用精確計算的量化方法，如果可用數據不足或者可靠性不高可采用主觀和客觀相結合的方法。

由于不同階段開展技術經濟分析的重點不一樣，因此選用方法也不完全一樣，國內外開展類似工作成果中各種方法的具體使用情況如表1[6]所示。

表1 估算方法使用情況Tab.1 Usage of Estimation Method

4 運載火箭經濟技術分析工作實踐

技術經濟分析要作為研制轉段的必要條件，在研制之初，必須確定以總體技術為基礎，逐步分解各個主要分系統的技術指標，按照性能對比、經費與效能評估、單價分析的工作思路開展技術經濟分析。圖1[7]是以某型號為例的技術經濟分析工作模塊示意。

圖1 某型號技術經濟分析工作模塊示意Fig.1 Diagrammatic Sketch of a Certain Project’s Technical and Economic Analysis Work Module

4.1 性能對比

對該型號的主要技術指標分解情況、主要技術構成等進行分析和描述，按照主要分系統構成情況，分析分系統采用的關鍵技術和主要技術手段，以及具體技術指標的數值范圍等，為后續進行詳細的技術經濟對比奠定基礎。

以表2國際商業發射服務報價的發射價格、單位有效載荷發射價格、GTO運載能力為輸入數據，采用基于輸入的數據包絡分析模型（DEA模型），對比分析了國際上主流運載火箭的投入產出效率，如表3所示[5]，表中CRS是基于投入不變的效率、S1是投入改進的效率、RTS規模效益。可以看出，效率最高的是宇宙神5重型、德爾它4H，中國的長征三號В處于第3的位置，歐空局的運載火箭位于中間靠前的位置，而俄羅斯的火箭處于中間靠后的位置，研發時間較早的運載火箭和日本的H2運載火箭整體效率較為落后。

中國新型運載火箭既要滿足中國航天服務，也要參與國際商業發射服務市場的競爭。因此，必須瞄準國際先進水平，研發性能先進、可靠性高、成本底、滿足產品化系列化需求的新型運載火箭。

4.2 類比分析與單價分析

在火箭單價預測中，按照結構復雜性、性能、技術水平等方面對總體關鍵技術指標，比如火箭直徑、整流罩直徑、火箭高度、起飛質量、運載能力、技術水平進行層次建模，如圖2所示。

圖2 運載火箭單發價格的層次分析結構Fig.2 Hierarchical Analysis Structure Diagram of Launch Vehicle Single Launch Price

然后就各指標對火箭單價的影響，按照層次分析法的要求進行兩兩對比，最后匯總結果如表4所示。

表4 技術指標對比Tab.4 Technical Index Comрarison

根據層次模型計算性能指標對單發價格的影響權重，見表5。

表5 計算結果Tab.5 Calculation Results

從表5可知，將得到的各性能指標的最終權重與性能增加值相乘后得到初步的評價值3.081[4]。由于參考型號的研制時間較為久遠，考慮到貨幣的時間價值和一定的通脹率，評價值進一步修正為4.391。按照參考型號單發價格按照不同的載荷技術要求為18000～23000萬元計算，新型號單發價格為 7.9038～10.0993億元。

按照新型號GTO有效載荷為14 000 kg，人民幣對美元的匯率為 7.0，發射費用為單發價格的 10%計算，新型號單位有效載荷發射價格為 8871.61～11335.95美元/kg。

4.3 研制費用的估算

從中國和國際上的數據分析，研制經費可以按照產品單價的9～15倍的數值進行預計。該型火箭具有較大的技術領先性、創新性和一定的繼承性，技術性能基本處于國際水平，因此可初步按照12倍單價進行預測，也就是該型火箭研制費用在94.8 ～121.2億元之間，均值為108億元。

通過已有型號的經費使用規律，參考歷史型號的經費使用情況，可以對主要分系統的經費使用情況進行初步的預測和分解，如表6所示。從表6看出，總體和箭體結構的所占經費比重最大，為研制經費總額的40%，其次為動力系統。

表6 運載火箭各系統經費比例關系Tab.6 Proрortion of Funds for Each System of Launch Vehicle

通過對某運載火箭的分析計算，可得出其研制經費、單發價格的估算值，完成從技術指標到經濟指標的轉換。由此可以看出，該型號技術性能已經接近或達到國際領先水平，研制經費投入遠遠小于國外同類型號，單位有效載荷發射價格接近國際水平，具有很好的經濟性。

5 結 論

開展運載火箭技術經濟分析，具有重要的理論和實踐意義。通過技術經濟分析，可以建立技術性能與經濟指標的匹配關系，合理制定技術經濟指標，確保運載火箭的研制生產更加符合國家和企業自身需要。同時，通過本文的運載火箭技術經濟分析研究與實踐，初步構建了較完整的運載火箭全系統技術經濟分析架構，可為后續運載火箭研制開展技術經濟提供了有益的探索和的借鑒。