貨運飛船效費綜合特性研究

胡海勇， 劉家川， 李甲申， 楊偉杰， 鞏朝陽， 石 泳

(1. 中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室，北京 100094；2. 中國空間技術研究院，北京 100094；3. 中國空間技術研究院總體設計部，北京 100094)

1 引言

載人航天工程一直是高先進性、高復雜度、高集成化、高信息化工程的突出代表，隨著人類探索浩瀚宇宙的步伐不斷邁進、現代科學技術的發展不斷提速[1]，大量高新技術應用于載人航天工程的各類航天器，用以增強系統功能和性能，使航天器奔赴月球、踏上探索火星的新征程。 伴隨著載人航天工程奔向更遠深空的同時，其技術難度、研制經費、研制周期大幅增加，技術、經費、進度的風險也不斷提高。 為此，新型載人航天器的立項論證決策越來越謹慎，在論證需求和技術可行性的基礎上，還需關注經費需求能否支撐，效能是否滿足要求，兼顧系統的先進性和經濟型，確保載人工程各類航天器“研得起、用得起”和“好用、頂用”。

早在20 世紀60 年代，美國就開始對武器裝備的系統效能和全周期費用開展了專題研究。 中國早在1992 年也制定了GJB1364-92《裝備費用-效能分析》，作為中國裝備壽命周期各階段管理費用和效能的基本依據文件，并在航空領域取得了一系列研究成果。 唐長紅[2]對航空武器裝備的經濟性與效費開展了深入研究；張恒喜[3]對現代飛機的效費分析開展了一系列研究；許哲[4]對武器裝備的項目進度、費用和風險的一體化管理進行了總結研究；葛姍姍等[5]對各類商業運輸飛船的研發投入和發射成本進行了分析，并提出了高性價比的概念，但尚未形成一定的研究成果和科學的實施方法。

本著“航天要向航空看齊、航空要向汽車看齊”的效費管理策略，本文選取載人航天工程中具有批產化、多型譜特征的貨運飛船作為研究切入點，開展載人航天器的效費綜合特性研究。

2 貨運飛船研制現狀分析

貨運飛船作為載人航天工程的重要組成部分，具有載人航天器的顯著特征。 當今世界上設計并成功飛行了多型貨運飛船，主要有中國的天舟貨運飛船、俄羅斯的進步號系列貨運飛船、美國的天鵝座和龍貨運飛船、歐空局的自動轉移飛行器(Automatic Transfer of Aircraft，ATV)、日本的軌道轉移飛行器(H-II Transfer Vehicle，HTV)。

2.1 天舟號系列貨運飛船

天舟系列貨運飛船由天宮空間實驗室改造而成，由貨物艙和推進艙2 個艙構成。 全長約為10.5 m、最大直徑為3.35 m、貨物裝載容積為22 m3、發射重量約為13.5 t、最大上行能力6.5 t、推進劑補加量達2.1 t，為不可重復使用的貨運飛船，可運送6.5 t 的太空垃圾并在大氣層中銷毀。前向配有主動對接機構，可通過程序控制或遙操作控制與空間目標進行對接，具備6.5 h 快速對接能力。 通過長征七號運載火箭在文昌發射場發射升空，起飛重量約為597 t[6]。

2.2 進步號系列貨運飛船

進步號系列貨運飛船由聯盟號載人飛船改造而成，由貨物艙、補給艙和服務艙3 個艙構成，為不可重復使用的貨運飛船。 全長約為7.48 m、最大直徑為2.72 m、貨物裝載容積為6.6 m3、發射重量為7.15～7.45 t、最大上行能力3.2 t、推進劑補加量達1.95 t，最大可運送1.6 t 的太空垃圾并在大氣層中銷毀，另可攜帶小型返回艙，運送約0.15 t 的貨物返回地球。 前向配有主動對接機構，可通過程序控制或遙操作控制與空間目標進行對接，具備3 h 19 min 快速對接能力。 通過聯盟號運載火箭在拜科努爾發射場發射升空，起飛重量約為312 t[7]。數據顯示，一艘正樣進步號系列貨運飛船全周期費用(含研制和發射)約為5.2 億人民幣，每千克貨物的運送成本約為16.3 萬元。

2.3 天鵝座貨運飛船

天鵝座貨運飛船由服務艙和增壓貨物艙2 個艙構成，為不可重復使用的貨運飛船。 最大長度約為6.34 m、最大直徑約為3.07 m、貨物裝載容積為18.9～26.2 m3、發射重量為5.3～7.49 t、最大上行能力3.51 t、最大可運送3.51 t 的太空垃圾并在大氣層中銷毀。 不具備推進劑補加功能，前向配有對接機構，可通過空間機械臂抓取進行對接，但不具備快速對接能力。 通過安塔瑞斯和宇宙神5 運載火箭在卡納維拉爾角空軍基地、中大西洋地區航天港發射升空[8]。 數據顯示，一艘正樣天鵝座貨運飛船全周期費用(含研制和發射)約為9.8 億人民幣，每千克貨物的運送成本約為28 萬元。

2.4 龍貨運飛船

龍貨運飛船由返回艙和服務艙2 個艙構成，為可重復使用的貨運飛船，龍2 型貨運飛船設計可重復使用5 次以上。 長度約為6.1 m、最大直徑約為3.81 m、貨物裝載容積約為24 m3、發射重量為7.88 t、實際最大上行約為3 t、可返回地球貨物最大重量約為3 t。 不具備推進劑補加功能，前向配有對接機構，可通過空間機械臂抓取進行對接，但不具備快速對接能力。 通過獵鷹9 號運載火箭在肯尼迪航天中心發射升空，最大起飛重量約為541 t[9]。 數據顯示，一艘正樣龍貨運飛船全周期費用(含研制和發射)約為8.4 億人民幣，每千克貨物的運送成本約為14 萬元。

2.5 歐洲ATV

歐洲ATV 由貨物艙和服務艙2 個艙構成，執行5 次國際空間站任務后，于2014 年退役，為不可重復使用的貨運飛船。 長度約為10.3 m、直徑約為4.5 m、貨物裝載容積約為22 m3、發射重量為20.75 t、最大上行約為7.67 t、推進劑補加量達5.56 t、可運送6.34 t 的太空垃圾并在大氣層中銷毀。 前向配有對接機構，可通過空間機械臂抓取進行對接，但不具備快速對接能力。 通過阿里安運載火箭在庫魯發射場發射升空，起飛重量約為760 t[10]。 數據顯示，一艘正樣ATV 貨運飛船全周期費用(含研制和發射)約為29.9 億人民幣，每千克貨物的運送成本約為39 萬元。

2.6 日本HTV

日本HTV 由增壓貨物艙、非增壓貨物艙、儀器艙和推進艙4 個艙構成，為不可重復使用的貨運飛船。 長度約為10 m、直徑約為4.4 m、貨物裝載容積為35 m3、發射重量為16.5 t、最大上行能力為6 t、最大可運送7.3 t 的太空垃圾并在大氣層中銷毀。 不具備推進劑補加功能，前向配有對接機構，可通過空間機械臂抓取進行對接，但不具備快速對接能力。 通過H-II B 運載火箭在種子島宇宙中心發射升空，起飛重量約為533 t[11]。數據顯示，一艘正樣HTV 貨運飛船全周期費用(含研制和發射)約為18.2 億人民幣，每千克貨物的運送成本約為30 萬元。 以上成功飛行的貨運飛船具體信息見表1。

表1 成功飛行的貨運飛船匯總分析表Table 1 Summary and analysis of real flight cargo spaceships

中國、美國、俄羅斯、日本、歐空局分別研制了6 種不同類型的貨運飛船，大小、發射重量、載貨比、在軌壽命等重要特征均不相同，功能和性能均有差異，有的具備推進劑補加、自動交會對接和貨物返回能力，有的只能運送貨物，不能進行推進劑補給，而且還得靠空間站機械臂進行對接，研制和發射成本差異也很大。 為此，在目標明確的情況下，在保證可靠性的同時，以最低成本、最高效率建造貨運飛船是一個非常值得研究的課題。

3 貨運飛船效費綜合特性研究流程設計

3.1 定義

系統效能參數E指貨運飛船在特定狀態下完成特定任務能力的度量，可以通過設置關鍵的技術指標作為效能參數αi進行測算。

全周期費用參數LCC指貨運飛船在當前狀態下所需投入經費的度量，可以通過設置的事件和分功能作為費用參數βi進行測算。

效費比參數ε為系統效能參數和全周期費用參數的比值。

參照天舟貨運飛船研制流程，將貨運飛船效費綜合特性拆分為立項論證、初樣研制、正樣研制、定型批產4 個研制階段，根據各階段的研制特點，設計相應的效費綜合特性計算參數。

3.2 立項論證階段

在立項論證階段，分析系統的任務目標和所需性能，設計效費綜合特性參數計算模型；選擇基準的貨運飛船作為參考，計算其系統效能和全周期費用；預測當前狀態貨運飛船的系統效能和全周期費用，通過與基準航天器進行比較，不斷迭代，選擇出最優的系統設計方案。

3.3 初樣研制階段

按照立項論證階段制定系統設計方案開展詳細設計，并應用工程的技術狀態管理、進度管理、費用管理等方法對項目執行過程進行控制，按照最終的設計方案計算出系統效能和全周期費用，評估系統的綜合特性參數，同時驗證、健全設計的貨運飛船綜合特性計算模型。

3.4 正樣研制階段

固化貨運飛船的技術狀態，進一步加強型號的成本和研制周期控制，對正樣階段的系統效能和全周期費用進行計算，總結整船的效費綜合特性控制結果，并形成專題報告，進行全系統評審，同時建立定型批產階段的技術狀態基線、全周期費用和系統效能控制基線。

3.5 定型批產階段

嚴格按照正樣階段評估的結論對貨運飛船的技術狀態、進度、費用控制基線進行控制，建立組批投產的規劃，開展批次性的元器件和原材料訂貨，組批生產；進行全過程的產品保證控制，確保產品的可靠性、安全性等指標滿足要求；同時不斷優化生產模式、加強資源配置、提高生產效率、降低生產成本，獲取更優的系統綜合特性參數。

貨運飛船效費綜合特性研究流程具體詳見表2 所示。

表2 貨運飛船效費綜合特性研究流程Table 2 Research flow of comprehensive characteristics of full cycle cost-effectiveness of cargo spaceship

4 貨運飛船系統效能和費用指標設計

4.1 貨運飛船系統效費參數分析

根據中國天舟貨運飛船的研制和飛行經驗，結合美國、俄羅斯、日本、歐空局研制的其他貨運飛船公開信息，工程總體重點關注的貨運飛船系統效能有上行貨物能力、推進劑補加能力、可重復使用次數、在軌壽命、可靠性、安全性等指標。

貨運飛船的費用由系統研制費用和火箭發射費用兩部分組成，其中系統研制費用主要由總體和各分系統的關鍵技術攻關、研保條件建設、產品設計、產品研制、產品試驗和批產數量等決定；火箭發射費用主要由貨運飛船的最大發射重量、外包絡和軌道高度等決定。 為此，貨運飛船效費綜合特性計算參數選擇如圖1 所示。

圖1 貨運飛船效費綜合特性計算參數Fig.1 Calculation parameter of comprehensive cost-effectiveness characteristics of cargo spacecraft

4.2 貨運飛船系統效能指標設計

系統效能從完成特點任務的能力、系統可靠性和在軌安全性3 個方面進行度量。

能力指標α1按照貨運飛船主要功能設置為上行貨物量、貨物裝載容積、載貨比、下行貨物量、推進劑補加量、可重復使用率、可重復使用次數、交會對接能力、在軌供電能力、在軌壽命時間共10 個指標參數，對這10 個參數求和，便可得到系統能力α1，具體如式(1)所示:

可靠性指標α2按照貨運飛船在軌飛行階段設置為發射段可靠性、交會段可靠性、停靠段可靠性、分離段可靠性、自主飛行段可靠性、離軌段可靠性共6 個指標，對這6 個參數求積，便可得到可靠性能力α2，具體如式(2)所示:

安全性指標α3按照貨運飛船關鍵安全參數設置為供電、防火、防爆炸、火工品、推進劑補加、物資運輸保障、氣路泄露、有害氣體、防空間碎片共9 個指標，對這9 個參數求積，便可得到安全性能力α3，具體如式(3)所示:

4.3 貨運飛船系統全周期費用指標設計

貨運飛船全周期費用指標設置通貨膨脹率β1、立項論證設計費率β2、初樣階段研制費率β3、正樣階段研制費率β4、定型批產階段費率β5，共5個指標。

將型號在初樣、正樣、定型階段的共有屬性產品研制費率設置為ρi(i＝1，2，3)，并按照整船工程和14 個分系統功能，共設置15 個費用指標，如式(4)所示:

初樣研制階段單獨設置整船系統設計費率、關鍵技術攻關費率、研保條件建設費率、地面設備研制費率、專項試驗驗證費率，共5 個指標，如式(5)所示:

正樣研制階段單獨設置研保條件維護費率、地面設備維護費率、火箭發射費率、在軌運營費率，共4 個指標，如式(6)所示:

定性批產階段單獨設置研保條件技改費率、地面設備升級費率、火箭發射費率、在軌運營費率，共4 個指標，如式(7)所示:

5 貨運飛船效費測算模型設計及應用

5.1 貨運飛船效費測算模型設計

對系統的效能數據和全周期費用參數數據進行歸一化處理，使其無量綱化，數據的大小直接反映貨運飛船完成既定任務的系統綜合特性的好壞。 系統效能指標如式(8)所示:

系統費用指標如式(9)所示:

不同性能貨運飛船的效費比如式(10)所示:

式中，x為貨運飛船的性能參數。

影響系統效能和費用的參數為數眾多，從宏觀經濟學可以認為效費比的分布服從高斯正態分布，X～N(μ，σ2) ，其概率密度函數如式(11)所示:

式中，y為貨運飛船在不同性能x下，所求效費比ε(x) 的概率分布。 其分布函數圖如圖2 所示。 另ε′(x)＝0，便可找出系統的最優解。

圖2 效費比分布圖Fig.2 Distribution map of cost-effectiveness

5.2 實例分析

由于各型號在初樣、正樣、定型階段的效費參數存在線性比例關系，以某型號的正樣研制階段為實例，在完成同一功能的情況下，對幾個關鍵性能指標影響系統的效費綜合特性進行分析。

根據該型號前期實踐成果，系統正樣可靠性指標α2取值為0.95；系統正樣安全性指標α3取值為0.99；通貨膨脹率＝(已發行的貨幣量-流通中實際所需要的貨幣量)/流通中實際所需要的貨幣量×100%，取官方公布數據；令β1值為0.073；β2、β3、β5均取值為0。

計算β4時，由于研保條件維護費率、地面設備維護費率和在軌運營費率占型號研制費的比率較低，火箭發射費率占比較高，但它主要和貨運飛船的外包絡、發射重量相關，而同一正樣型號、不同功能的貨運飛船在此方面基本無變化，在此暫不考慮這4 個計算因子，只計算正樣階段產品研制費率ρ2。 可得式(12):

5.2.1 仿真1

基于固定平臺，完成短時運貨作業，目標飛行器為貨運飛船提供能源供電時，不帶帆板型貨運飛船和帶帆板型貨運飛船的效費比比值如式(13)所示:

分布曲線如圖3 所示。

圖3 固定平臺效費比比值曲線Fig.3 Cost-effectiveness ratio curve of fixed platform

5.2.2 仿真2

基于固定功能，可重復10 次貨運飛船和不可重復使用貨運飛船的效費比比值如式(14)所示:

分布曲線如圖4 所示。

圖4 固定功能效費比比值曲線Fig.4 Cost-effectiveness ratio curve for fixed functions

6 結論

1)貨運飛船作為空間站工程貨物運輸、能量補給的重要工具，效費綜合特性具有先天性、綜合性、相對性、繼承性四大特征，引入效費綜合特性這類無量綱指標，可以反映不同性能的貨運飛船在完成同類任務時的好壞。

2)本文提出的效費綜合特性計算參數源于工程研制實際，效費測算模型通過了國內某型號正樣研制數據的驗證，具有一定的推廣應用價值，但效費綜合特性源于工程總體研制總要求和系統性能設計結果，其中參數的選擇還需結合任務實際進行相適應的修訂，而且效費綜合特性指標要求應在型號立項論證階段引入，將更有益于獲得高效率、高效益的型號產品。

3)通過對貨運飛船效費綜合特性的建模和計算可知，承研單位可根據不同的任務需求，配置不同的設備，可以得到更優的效費綜合特性(如短時間不供電可減配太陽電池翼、減配人機交互設備，不開展燃料補加時可減配壓氣機設備等)；此外，可重復使用的貨運飛船效費綜合特性明顯優于不可重復使用的貨運飛船。