商用飛機(jī)燃油系統(tǒng)直接運(yùn)營(yíng)成本分析方法的應(yīng)用研究

朱德軒+卞剛+張康

【摘 要】商用飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性是影響飛機(jī)競(jìng)爭(zhēng)力的重要因素之一。本文總結(jié)了一種評(píng)估民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的方法——直接運(yùn)營(yíng)成本分析，并以假想的某大型飛機(jī)燃油系統(tǒng)為分析對(duì)象，以系統(tǒng)功能為分析標(biāo)的，對(duì)其直接運(yùn)營(yíng)成本進(jìn)行了分析研究，從經(jīng)濟(jì)性角度提出了燃油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。

【關(guān)鍵詞】商用飛機(jī)；燃油系統(tǒng)；直接運(yùn)營(yíng)成本

【Abstract】Commercial aircraft economic is the one of the most important aspects for the competitiveness of aircraft product. This paper summarize one of method to evaluate fuel system economic， named as direct operating cost analysis. The analysis takes system functions as objects， performs direct operating cost analysis for a concept large aircraft fuel system， and raises fuel system design requirement from economic aspect.

【Key words】Commercial aircraft； Fuel system； Direct operating cost

0 概述

自二次世界大戰(zhàn)以來(lái)，民用飛機(jī)制造業(yè)得益于軍用技術(shù)的快速轉(zhuǎn)化，進(jìn)入了高速蓬勃發(fā)展階段。這種技術(shù)主導(dǎo)的行業(yè)發(fā)展在持續(xù)約20年之后，民用航空技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)使得航空飛行由少數(shù)冒險(xiǎn)家的游戲最終變成了普羅普通大眾的日常交通。民用航空業(yè)也隨之進(jìn)入了以市場(chǎng)需求為主導(dǎo)的新階段。商用飛機(jī)使用的經(jīng)濟(jì)性成為了驅(qū)動(dòng)飛機(jī)制造業(yè)發(fā)展的最重要因素之一。

飛機(jī)直接運(yùn)營(yíng)成本是飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要衡量標(biāo)志，它包含飛機(jī)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中發(fā)生的直接成本：所有權(quán)成本、機(jī)組成本、燃油成本、維修成本、機(jī)場(chǎng)收費(fèi)、導(dǎo)航收費(fèi)、餐食費(fèi)、地面服務(wù)費(fèi)等等。對(duì)飛機(jī)直接運(yùn)營(yíng)成本的分析即稱(chēng)之為飛機(jī)直接運(yùn)營(yíng)成本分析，簡(jiǎn)稱(chēng)DOC（Direct Operating Cost）分析。

20世紀(jì)90年代始，Van Bodegraven，Scholz等人開(kāi)始研究并形成了飛機(jī)的DOC分析方法[1-2]。一方面，飛機(jī)制造商嘗試建立DOC分析方法和模型，以用于飛機(jī)研制階段的權(quán)衡分析、銷(xiāo)售支援過(guò)程。國(guó)內(nèi)的民用飛機(jī)制造商也開(kāi)展了初步的經(jīng)濟(jì)性分析研究工作[3-4]。另一方面，航空公司和飛機(jī)租賃公司也建立了自己的DOC分析模型，作為飛機(jī)采購(gòu)的重要分析工具之一。

燃油系統(tǒng)DOC，顧名思義，即飛機(jī)使用過(guò)程中由燃油系統(tǒng)工作所發(fā)生的相關(guān)成本。這里的燃油系統(tǒng)DOC是基于飛機(jī)DOC的裁剪，不包含諸如機(jī)組成本、機(jī)場(chǎng)收費(fèi)、導(dǎo)航收費(fèi)、餐食費(fèi)等不隨燃油系統(tǒng)構(gòu)型變化的部分。

本文對(duì)燃油系統(tǒng)的DOC分析方法進(jìn)行了初步研究，并通過(guò)對(duì)一典型飛機(jī)燃油系統(tǒng)的DOC分析，探索了在燃油系統(tǒng)工程研制過(guò)程中將經(jīng)濟(jì)性納入考量的方法和初步結(jié)論。

1 燃油系統(tǒng)DOC分析方法

燃油系統(tǒng)的DOC主要包括：系統(tǒng)設(shè)備折舊成本DeprSYS、燃油消耗成本FuelSYS、直接維修成本DMCSYS、航班延誤和取消損失DelaySYS、備件成本SHCSYS。計(jì)算公式是：

DOCSYS=DeprSYS+FuelSYS+DMCSYS+DelaySYS+SHCSYS（1）

可以看到，燃油系統(tǒng)DOC分析中隱含了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各方面要素對(duì)經(jīng)濟(jì)性的影響：

重量對(duì)飛機(jī)油耗的影響，包含F(xiàn)uelSYS中；

燃油泵等設(shè)備所需的功率提取對(duì)飛機(jī)油耗的影響，包含在FuelSYS中；

系統(tǒng)維修性的影響包含在DMCSYS中；

系統(tǒng)可靠性的影響包含在DMCSYS、DelaySYS以及SHCSYS中；

系統(tǒng)價(jià)格的影響包含在DeprSYS和SHCSYS中。

1.1 系統(tǒng)設(shè)備折舊成本

折舊成本是將飛機(jī)燃油系統(tǒng)作為固定資產(chǎn)，在其使用壽命內(nèi)，按照特定的方法對(duì)應(yīng)計(jì)折舊額進(jìn)行系統(tǒng)分?jǐn)?。本文采用的是最?jiǎn)單的直線折舊法：

其中，Price是系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格，很顯然，對(duì)于飛機(jī)制造商和飛機(jī)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，該價(jià)格輸入是兩組不同的數(shù)據(jù)，本文中價(jià)格采用飛機(jī)制造商價(jià)格；Residual是系統(tǒng)殘值，反映了該系統(tǒng)的設(shè)備在壽命期末的可再利用價(jià)值，本報(bào)告取系統(tǒng)設(shè)備價(jià)格的10%；N是折舊年限，本報(bào)告分析中取15年。

1.2 系統(tǒng)直接維護(hù)成本 DMC

系統(tǒng)的直接維修成本DMC包括系統(tǒng)使用過(guò)程中因檢查、維護(hù)產(chǎn)生的硬件更換維修費(fèi)用、人工費(fèi)用以及相應(yīng)耗材的費(fèi)用。

典型的DOC分析中，DMC一般采用Scholz提出的方法進(jìn)行計(jì)算：

其中，δ是考慮故障發(fā)生次數(shù)的概率因子，MMHon是原位維修工時(shí)：包括航線上的一般目視檢查、詳細(xì)目視檢查，以及對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行的測(cè)試、拆卸、更換等維修工作。MMHoff是離位維修工時(shí)：特指在維修車(chē)間內(nèi)，對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行的離機(jī)測(cè)試、修理和翻修工作。LR是人工費(fèi)率。MC是維修耗材費(fèi)用。

1.3 燃油消耗成本

燃油消耗成本，是由于系統(tǒng)本身造成的飛機(jī)燃油消耗，其組成部分比較復(fù)雜，包括由于系統(tǒng)自重導(dǎo)致的燃油消耗成本，系統(tǒng)工作狀態(tài)下引氣和功率提取所增加的燃油消耗成本，以及系統(tǒng)的某些突出于飛機(jī)表面的設(shè)備引起額外的阻力帶來(lái)的燃油消耗成本。對(duì)于燃油系統(tǒng)主要考慮前面兩部分：

其中，mi是每次飛行的燃油消耗量，F(xiàn)P是燃油價(jià)格，F(xiàn)PY是每年的飛行架次。

1.4 航班延誤和取消損失成本

航班延誤和取消損失成本隨著延誤的嚴(yán)重程度變化很大，不同程度延誤發(fā)生的概率本身也有非常大的差異，因此一般需進(jìn)行分類(lèi)考慮。

其中：D1，D2，D3，Dc分別是系統(tǒng)發(fā)生引起延誤1到29分鐘、30到59分鐘、60分鐘以上、航班取消的故障的概率。C1，C2，C3，Cc則是對(duì)應(yīng)系統(tǒng)故障引起的損失。FPY是每年的飛行架次。

對(duì)這部分成本的分析將隨著系統(tǒng)研制和安全性分析工作的深入而逐步細(xì)化，且延誤和取消損失很難有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文中暫不分析。

1.5 備件成本

航材備件成本和諸多因素緊密相關(guān)，包括機(jī)隊(duì)規(guī)模、航材采購(gòu)費(fèi)用、客服管理效率等等。機(jī)隊(duì)規(guī)模越大，周轉(zhuǎn)時(shí)間越快，備件比例越低，越有利于降低每架飛機(jī)的備件費(fèi)用。因此，該指標(biāo)更多受航空公司運(yùn)營(yíng)水平的影響。在本文分析中暫未分析。

2 典型飛機(jī)的燃油系統(tǒng)方案

本節(jié)給出了一種假想的大型飛機(jī)燃油系統(tǒng)概念方案。

2.1 燃油系統(tǒng)功能

通常來(lái)說(shuō)，典型的民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)具有以下6大功能：

1）燃油貯存：存儲(chǔ)飛機(jī)所有燃油，并提供相應(yīng)的地面排液措施；

2）燃油箱通氣：為燃油箱等區(qū)域提供通氣，防止油箱憋壓或者超壓；

3）加放油：提供地面加油/放油功能；

4）供油：在飛機(jī)包線內(nèi)各種工作狀態(tài)下為發(fā)動(dòng)機(jī)和APU提供其正常工作所需的燃油，以及提供相應(yīng)的供油轉(zhuǎn)輸?shù)墓δ埽?/p>

5）應(yīng)急放油：在特定緊急情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)快速空中放油，降低飛機(jī)重量，滿足緊急著陸的安全性要求；

6）油量測(cè)量和燃油管理：實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油油量測(cè)量和監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油系統(tǒng)設(shè)備工作的管理和監(jiān)控。

2.2 燃油系統(tǒng)方案

假想的燃油系統(tǒng)概念方案如下圖，主要特點(diǎn)包括：

1）采用五油箱構(gòu)型，兩側(cè)機(jī)翼內(nèi)側(cè)油箱各設(shè)置一個(gè)集油箱，在機(jī)翼油箱外側(cè)設(shè)有通氣油箱；

2）通過(guò)右側(cè)機(jī)翼前緣的加油接頭可實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)油箱的加/放油操作；

3）供油系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)輸架構(gòu)，每側(cè)集油箱各設(shè)兩臺(tái)交流電動(dòng)泵，為同側(cè)的發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃油，同時(shí)系統(tǒng)具有交輸供油能力。中央翼設(shè)有兩臺(tái)轉(zhuǎn)輸泵，可通過(guò)加油/應(yīng)急放油總管將中央翼油箱燃油轉(zhuǎn)輸至機(jī)翼油箱；

4）在機(jī)翼油箱內(nèi)設(shè)置獨(dú)立的應(yīng)急放油泵，在應(yīng)急放油狀態(tài)下，它們和位于中央翼的兩臺(tái)轉(zhuǎn)輸泵同時(shí)打開(kāi)工作，燃油通過(guò)加油/應(yīng)急放油總管，從安裝在機(jī)翼尾緣的放油嘴放出；

5）油量測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)設(shè)置于油箱內(nèi)的油量傳感器、油位傳感器、密度計(jì)、補(bǔ)償傳感器等部件實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油油量的測(cè)量和監(jiān)控。

6）燃油管理系統(tǒng)基于來(lái)自駕駛艙的操作信號(hào)以及飛機(jī)各系統(tǒng)的輸入對(duì)各泵、閥等部件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)燃油系統(tǒng)工作的監(jiān)控。

3 直接運(yùn)營(yíng)成本分析

本節(jié)對(duì)上述燃油系統(tǒng)概念方案進(jìn)行了DOC分析。鑒于數(shù)據(jù)敏感性的問(wèn)題，本節(jié)分析對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行了無(wú)量綱歸一化處理，僅以百分比的形式顯示其相對(duì)關(guān)系。

本節(jié)通過(guò)對(duì)燃油系統(tǒng)6大功能對(duì)應(yīng)的直接運(yùn)營(yíng)成本的分析，探索在燃油系統(tǒng)工程研制過(guò)程中提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的方法和手段。

3.1 直接運(yùn)營(yíng)成本組成分析

對(duì)燃油系統(tǒng)概念方案進(jìn)行DOC分析，分析內(nèi)容包含三部分：折舊成本、DMC成本以及燃油消耗成本，分析結(jié)果如圖2?？梢钥吹剑瑢?duì)于燃油系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，DMC成本是系統(tǒng)直接運(yùn)營(yíng)成本的主要部分，其量值約占2/3；其次是燃油消耗成本，約20%，最小部分是折舊成本，約16%。

很明顯，基于以上成本組成的分析結(jié)果，相對(duì)于價(jià)格因素和重量因素，燃油系統(tǒng)的維修性和可靠性是制約系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的最大因素。如何通過(guò)在系統(tǒng)架構(gòu)權(quán)衡時(shí)考慮更高的可靠性，在系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化系統(tǒng)和部件的維修性，是提高燃油系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性最重要的途徑。

3.2 折舊成本分析

進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)的折舊成本進(jìn)行分析，以燃油系統(tǒng)6大功能為分析標(biāo)的，研究實(shí)現(xiàn)每個(gè)功能的子系統(tǒng)的折舊成本占比，分析結(jié)果如圖3。

燃油測(cè)量和管理功能的折舊成本占比最大，約29%。該系統(tǒng)包括數(shù)量眾多的電容式油量傳感器、油位傳感器、溫度/壓力傳感器、密度計(jì)以及大量固有安全特質(zhì)的線纜。這些設(shè)備長(zhǎng)期浸泡在燃油中，經(jīng)受諸如燃油腐蝕、高低溫變化等挑戰(zhàn)。惡劣的工作環(huán)境對(duì)系統(tǒng)和部件的研制提出更高的要求，導(dǎo)致部件研制等級(jí)高，驗(yàn)證項(xiàng)目種類(lèi)繁多，驗(yàn)證要求苛刻。此外，作為整個(gè)燃油系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，測(cè)量和管理系統(tǒng)內(nèi)轄加載軟件的計(jì)算處理單元和數(shù)據(jù)集中單元。相應(yīng)的軟件和復(fù)雜電子硬件均應(yīng)按照DO-178和DO-254進(jìn)行開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證。另外，由于25.981條款對(duì)于燃油箱點(diǎn)火源防護(hù)的要求，整個(gè)燃油測(cè)量系統(tǒng)的部件需滿足嚴(yán)格的燃油箱防爆的要求，杜絕高能能量進(jìn)入油箱，同時(shí)滿足閃電防護(hù)、靜電防護(hù)、電磁防護(hù)等一系列要求。在保證系統(tǒng)性能要求的前提下，使用數(shù)量盡可能少的傳感器，避免復(fù)雜的燃油管理功能是降低這部分成本的有效途徑。

供油功能的折舊成本占比22%。供油系統(tǒng)包括了大量各類(lèi)泵、閥。尤其對(duì)于安裝在油箱內(nèi)的交流燃油泵，不僅需要穩(wěn)定可靠工作保障供油安全，還需要滿足防爆要求，研發(fā)成本不菲。必要的驗(yàn)證試驗(yàn)包括沖擊、振動(dòng)、電源輸入、電壓尖峰、雷擊感應(yīng)、干轉(zhuǎn)、空啟、轉(zhuǎn)子鎖定、葉片阻滯、結(jié)冰等。應(yīng)盡可能使用現(xiàn)有的貨架產(chǎn)品，降低非重復(fù)性成本在交付產(chǎn)品中的分?jǐn)偙壤?/p>

加油功能占比20%，通氣功能占比19%。這兩個(gè)功能和供油功能有一個(gè)共同特點(diǎn)，其對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)具有大量的管路及連接件。以通氣系統(tǒng)為例，初步分析顯示，其通氣管路的折舊成本可占到整個(gè)通氣系統(tǒng)折舊成本的70%。在這方面，通氣長(zhǎng)桁作為通氣管路的替代技術(shù)值得重點(diǎn)研究，可有效消化部分成本。

應(yīng)急放油功能所占比僅6%，主要原因是方案中實(shí)現(xiàn)應(yīng)急放油功能的大量設(shè)備和管路和供油系統(tǒng)、加放油系統(tǒng)復(fù)用。如中央翼內(nèi)應(yīng)急放油泵即是供油轉(zhuǎn)輸泵，其折舊成本折算至供油系統(tǒng)；放油總管即加油總管，其折舊成本折算至加油系統(tǒng)。對(duì)于應(yīng)急放油系統(tǒng)，其主要折舊成本發(fā)生在燃油泵，通過(guò)優(yōu)化系統(tǒng)性能和架構(gòu)避免設(shè)置獨(dú)立的應(yīng)急放油泵，可作為有益的研究方向。

貯存功能占比4%，主要包括排液閥、片狀單向閥等機(jī)械部件。這部分產(chǎn)品相對(duì)較簡(jiǎn)單，成本占比最低。

3.3 DMC組成分析

降低直接維修成本是提高燃油系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的最重要途徑，對(duì)6大功能的直接維修成本分析結(jié)果如圖4。

首先，分析顯示燃油測(cè)量和管理功能的直接維護(hù)成本占系統(tǒng)直接維護(hù)成本的47%，占燃油系統(tǒng)總直接運(yùn)營(yíng)成本的30%?？刂坪蜏p少這部分維護(hù)成本對(duì)于提高燃油系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性有著不言而喻的重要的意義。主要優(yōu)化設(shè)計(jì)需求包括：

1）減少部件數(shù)量：兼顧維修性與測(cè)量精度、可用性、完整性的要求，盡可能采用較少傳感器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)；同時(shí)，可采用功能復(fù)合集成的設(shè)計(jì)，如將溫度傳感器集成于油量傳感器上；

2）提高部件可靠性：對(duì)于數(shù)字式傳感器等新技術(shù)，需謹(jǐn)慎評(píng)估其性能和可靠性；

3）減少排故定位耗時(shí)：系統(tǒng)應(yīng)可對(duì)每個(gè)油量傳感器進(jìn)行自檢測(cè)，以提供準(zhǔn)確的故障定位和隔離，避免復(fù)雜的排故程序；

4）減少接近耗時(shí)：油量傳感器安裝應(yīng)盡可能靠近維護(hù)口蓋，盡量避免接近傳感器時(shí)還需要拆裝其它部件；

5）減少拆裝耗時(shí)：油量傳感器應(yīng)能實(shí)現(xiàn)快速分離/連接，安裝硬件應(yīng)為通用標(biāo)準(zhǔn)類(lèi)型；

6）減少安裝調(diào)試耗時(shí)：部件在安裝完成后應(yīng)不需要進(jìn)行調(diào)整和標(biāo)定即可使用。

其次，需要重點(diǎn)關(guān)注的是供油功能，約占30%。其主要組成部分是燃油泵、電動(dòng)閥等設(shè)備的維護(hù)成本。由于持續(xù)長(zhǎng)時(shí)間工作，燃油泵故障率也相對(duì)較高。也正因此，典型的燃油泵采用泵殼、芯分離式設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了在不進(jìn)入油箱的前提下快速更換泵芯。切斷閥也同樣采用閥體和作動(dòng)器分離式設(shè)計(jì)。此外，應(yīng)謹(jǐn)慎使用無(wú)刷電控直流燃油泵，其ECU會(huì)顯著降低燃油泵整體的可靠性。

第三部分是應(yīng)急放油功能，占比12%。其主要構(gòu)成與供油功能類(lèi)似，方向是優(yōu)化燃油泵閥的設(shè)計(jì)。

加油、通氣功能對(duì)應(yīng)的直接維護(hù)成本占比分別為8%和0.1%，明顯小于各自的折舊成本占比（20%、19%），主要原因是這兩個(gè)系統(tǒng)中管路所占的價(jià)值成本較高，而本分析中認(rèn)為管路系統(tǒng)與機(jī)體同壽，忽略了其直接維護(hù)成本。

3.4 燃油消耗成本組成分析

對(duì)燃油系統(tǒng)6大功能的燃油消耗成本分析結(jié)果如圖5。

這部分主要是系統(tǒng)自重導(dǎo)致的燃油消耗成本。注意到，具有大量管路系統(tǒng)的通氣、加油、供油系統(tǒng)占據(jù)總成本的3/4。采用聚醚醚酮PEEK材料的輕質(zhì)復(fù)合材料管路可有效降低這部分成本。盡管PEEK材料管路一次采購(gòu)費(fèi)用相對(duì)較高會(huì)增加折舊成本，但通過(guò)初步分析，當(dāng)PEEK材料管路價(jià)格落在普通6061鋁管價(jià)格2倍的范圍內(nèi)，使用PEEK材料管路即更具經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。

4 總結(jié)

DOC分析是民用飛機(jī)燃油系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析的重要方法之一。本文總結(jié)了適用于燃油系統(tǒng)DOC分析方法，并通過(guò)對(duì)一套燃油系統(tǒng)概念方案的DOC分析，研究了典型燃油系統(tǒng)的直接運(yùn)營(yíng)成本的構(gòu)成比例，并提出了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方向。其中重點(diǎn)是提高燃油測(cè)量管理系統(tǒng)和供油系統(tǒng)的維護(hù)性和可靠性，通過(guò)降低這兩個(gè)系統(tǒng)的直接維護(hù)成本，可顯著提高整個(gè)燃油系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

后續(xù)應(yīng)繼續(xù)研究完善DOC分析中其它部分的計(jì)算模型，優(yōu)化算法，建立相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。并在系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)階段，通過(guò)DOC分析的應(yīng)用，更有效地開(kāi)展技術(shù)方案的權(quán)衡對(duì)比。這對(duì)于改善技術(shù)方案經(jīng)濟(jì)性，降低后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本有著重要的意義。

【參考文獻(xiàn)】

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]