民機復合材料成本探討

蔚鳳生 何瑞 廉偉

復合材料具有比模量和比強度高，耐腐蝕、抗疲勞、可設計、工藝性好（復雜型面適應性強、可整體成型）等優點，近年來在工業界獲得了越來越多的青睞。在航空領域，由于能夠滿足日益嚴苛的重量、力學性能和航線運營維護的要求，復合材料的用量更是已經成為飛機先進性的一個重要標志。

隨著人們對大型客機安全性、經濟性、舒適性、環保性要求的提高，對飛機結構提出了諸如減重等更多的迫切需求，這些需求促使復合材料獲得了更為廣泛的應用。歐美國家從上個世紀80年代便啟動了很多科技計劃來推動復合材料在飛機結構上的應用。例如，波音777復材用量占比達到10%，787達到50%;空客A380復材用量占比達到25%，A350XWB達到52%。通過復合材料的應用，飛機的舒適性和經濟性都得到了顯著改善。中國商飛作為世界航空界后起之秀，充分借鑒自研機型的經驗積累，逐級加大復合材料用量，C919復材用量占比能達10%，CR929能達51%。

復材應用的成本挑戰

隨著市場競爭的逐步加劇，民機在保證安全的前提下，對經濟性的要求越來越高，飛機設計師和制造商們開始重視怎樣以更低的成本來獲得滿足性能的飛機，從而提高飛機競爭力。因此，如何降低民機復合材料結構的成本問題，一開始就是各大主制造商的重要考量因素。

從目前的情況來看，復合材料雖具有傳統鋁合金材料無法比擬的優勢，但也存在諸如技術成熟度低和應用經驗欠缺等問題帶來的挑戰。

例如，由于復材結構研制需要采用積木式驗證，導致研制成本偏高;民機應用相對成熟的熱壓罐成型制造工藝，其制造過程主要包括下料、鋪貼、打袋、固化、檢測、機加，噴漆等，由于材料、工裝（鋪貼、成型、檢驗）、自動化設備（自動）和熱壓罐應用的投入成本很高，導致復材產品制造成本較高，還有制孔、刀具和裝配成本也都顯著高于金屬。

此外，復材大范圍應用給運營保障帶來一定的壓力，修理材料、修理工藝、修理實施、檢測等也會產生相應的運營費用。盡管復材結構在運營中維修成本是降低的（因其疲勞損傷少，耐腐蝕，維修檢查間隔長），但對于特定損傷，如采用濕鋪貼修補的成本會高于金屬。

復材的成本結構

飛機產品的盈利模式、成本走向在設計初期就需要確定。飛機采用復合材料，要從其全壽命周期成本的維度加以考慮。復合材料的全壽命周期成本可以劃分為研制成本、單機成本、運營成本和處置成本，從成本的重復性又可分為非重復成本（NRC）和重復成本（RC）。

研制成本為復材研制階段發生的費用，其構成包括材料、專用、外協、勞務費用等，為NRC。

單機成本包含NRC和RC，NRC包括固定資產、專用裝置、工裝模具和非重復勞動等成本，可按照一定的批產架次分攤，RC包含材料、人工和設備折舊成本等。

運營成本分為直接運營成本（DOC）和間接運營成本（IOC），與飛機的設計和運營參數等密切相關，直接運營成本構成有所有權成本、燃油成本、空勤成本、起降費、地面操作成本、導航費和維修成本（MC）等。其中維修成本包含直接維修成本（DMC）和間接維修成本（IMC）。直接維修成本包含例行維修成本、工時成本和航線檢查成本，與復材結構修理設計密切關聯。間接維修成本為運營中所產生的各種記錄、管理費用等。

處置成本是指飛機進入處置階段發生的成本，因飛機可能轉售或租賃給其他用戶運營，或改裝成貨機，或被封存/解體，處置成本和其取得的收益會對飛機全壽命成本產生影響。

飛機研制經驗表明，在詳細設計結束時，飛機全壽命周期的主要成本就已經確定。復材結構的方案設計和新技術的選擇對復材的研制成本、單機成本、運營成本和處置成本均有重大影響，且二者相互影響和制約，因此，研制階段要系統性統籌復材結構各成本要素之間的平衡關系，從成本、經濟性角度來權衡確定不同的方案，進行設計優化和決策。

復材成本的分析方法

復材成本的分析方法主要有參數估算法、工程估算法、類比法和基于制造工藝過程測算法。

參數估算法基于型號已有復材研制成本統計數據，以復材結構的特征參數如重量等進行成本估算。該方法不考慮工藝方法，雖然準確性存在一定的不足，但能直觀快速預估成本和評估產品的成本密度，在復材的成本估算中應用較廣。如果復材產品設計的成本密度明顯偏離統計回歸數據，則需要特別關注設計的合理性。

工程估算法以WBS為基礎，逐步計算出單元成本，并逐級向上歸集，最終形成復材產品的成本費用。該方法一般應用于飛機研制發展到一定階段后，其特點是估算準確性高，易于對項目進行分工操作。實際執行中，需要大量經驗和數據來確定各單元的成本，因此花費的人力成本和時間成本大。

類比法是建立在已有類似復材產品結構上的分析方法，基于已有復材產品的成本數據，考慮設計、材料、工藝、技術發展、相對經濟環境等差異，采用一定的權重因子，對新研制的復材產品成本進行測算。該方法是一種相對粗略的測算方法，主要用于成本測算的早期。

基于制造工藝過程測算法，以工序為基礎，測算制造成本，包含RC和NRC。RC以制造工序為基礎，測算每道工序對應的材料費和工時費（人工工時和設備工時）。基于產品設計數模，考慮學習效應和相對已有的比較成熟和穩定的生產過程場景，根據實際生產的工時數據完成測算。NRC為研制與制造過程中發生的一次性費用，按一定架次分攤。該方法充分考慮了產品的研制與制造工序和成本要素，能夠準確分析產品制造成本，主要適用于詳細設計階段。基于該方法開發出來的工具，已應用于國外主流制造商產品的成本測算。

復材成本的管控

在飛機研制流程中，需要按照門禁管理要求開展復材成本的全流程控制。在研制流程各個階段，制定復材部段如機身、機翼、尾翼等的目標成本，并嚴格按照目標成本開展成本控制。在概念開發階段，根據項目需求和技術成熟度，梳理復材技術可選的初步方案;在立項論證階段，確定復材應用方案和關鍵技術清單及研制規劃，兼顧技術成熟度和飛機的先進性，保證全壽命周期成本總體可控;在可行性論證階段，權衡復材應用結構方案和工藝方案，其中成本是一個重要考慮因素;在初步設計階段，完成復材關鍵技術攻關，產品和成本團隊合理選材，分析材料利用率、制造裝配工序、工裝、檢測、維修等相關的成本要素，進行成本分析評估測算，開展成本控制，通過成本結果驅動復材結構方案和工藝方案的迭代優化;在詳細設計階段，完成復材結構的細節設計，基本上確定了產品成本的走向，即全壽命周期的主要成本已經確定，在后續的全面試制、試飛取證、產品運營與服務驗收、持續運營等階段，設計決定成本的效果會逐步表現出來，如要更改則需花費更大的代價。

復材產品成本的形成將貫穿于設計、驗證、制造、運營及處置各環節：設計是產品成本的決定因素，驗證是研制成本的主要組成，制造是成本體現的主要環節，運營及維護是成本構成的重要部分。因此，為使成本得到有效控制，確保成本的領先優勢，必須對成本形成的重點環節進行控制。

復材成本重點環節需要關聯協同并行。其中設計、驗證、制造、運營各環節既內部迭代，同時各環節又交叉并行，關聯協同，互相融合促進，成本貫穿其中。

在設計環節，要綜合評估研制費用、單機制造費用、選材策略、重量指標、燃油經濟性、維修性等成本的直接或間接要素，進行成本的正向設計和方案權衡。

要利用復材低成本設計指南、成本測算工具方法、成本價格數據庫等，測算和分析成本數據并優化成本。建立成本設計目標，通過工具、方法和平臺等開展成本的測算，進行過程管控，逐步逼近復材成本目標。要與競爭機型復材產品設計對標，基于自有技術成熟度，考慮型號共通性，評估不同方案成本差異，在設計階段就要做好DFX（設計面向各個專業），做好“三好一降一能”，即好設計、好制造、好運營，降成本，能競爭，做好方案權衡。

要統籌考慮型號、課題的設計研發及驗證，立足已有能力，增量規劃，設計和驗證，仿真分析，選擇合理設計特征。

在設計和制造一體化方面，要綜合考慮零件的批產效率，如手工鋪貼或自動化、材料利用率、潛在的供應商能力、專業化發展、工裝方案（組合工裝、普通鋼、殷瓦鋼）等，通過一體化迭代三工協同過程，同時合理確定復材件設計方案、制造方案和工裝方案。

在制造環節，要基于制造問題導向，提高材料的利用率、設備利用率、生產制造效率、產品合格率等影響成本的參數，降低材料費和工時費;要開展基于制造效率的產品迭代設計，確保穩定、成熟、高效的產品實現過程，滿足設計細節、參數和驗收標準要求;要通過精益改進活動，優化制造環節，降低成本;項目計劃聯動，合理地配置資源和設置工作流，提高設備利用率，降低制造費用。

在運營環節，根據結構件的重要性分類和維修性特點，通過不同區域重點結構檢查門檻值和檢查間隔，針對不同的復材結構修理設計方案，進行維修性成本評估，選擇合適的方案，降低維修成本等。

復材成本工作的發展方向

在民機研制中，復材結構的應用是大勢所趨，復材成本工作會愈發重要。在未來復材成本工作中，以下幾方面非常重要。

首先，要認識到成本作為驅動因素在民機復材研制活動中會不斷強化，設計方案要綜合考量研發成本、重量影響、制造成本、裝備設備投入、運營維護等，迭代優化設計方案，這些將是民機復材結構產品研制中的重要權衡。

其次，隨著復材應用規模的擴大，對成本研究也不斷深化，需要不斷健全成本數據庫，形成研發、制造和運營維護成本的快速測算方法，并且根據成本測算的結果進行問題分析，驅動復材研制的各個環節變更并迭代優化。

再次，批產過程中成本控制是重要的考慮因素，因此，在制造過程中，需要通過精益改進、專業化供應商、專業化設備和基于批產需求的設計制造迭代優化，實現降本控制。

最后，采用能降低復材制造成本的工藝，如OOA（非熱壓罐成型）、液體成型等，發揮其優勢，主制造商根據課題或產品研制周期和經費的控制，不斷推進復材低成本技術的應用。

總之，復材成本工作是產品研制的關鍵驅動因素，要堅持復材正向設計理念，DBMOCT協同，專業化發展，推進低成本制造工藝應用，提升復材產品的市場競爭力。