基于無人機(jī)系統(tǒng)使用模式的成本分析

吳軍，陳文輝，羅沐陽，張賀

95894部隊(duì)

美軍近年發(fā)展的部分無人機(jī)系統(tǒng)項(xiàng)目頻繁強(qiáng)調(diào)低成本、可消耗理念以及X-47B無人機(jī)項(xiàng)目下馬，均表明“無人機(jī)較有人機(jī)具有明顯的成本優(yōu)勢(shì)”值得商榷。本文選取執(zhí)行美軍情報(bào)、監(jiān)視和偵察任務(wù)的三型無人機(jī)和六型有人機(jī)，分析無人機(jī)和有人機(jī)的使用模式和使用成本，比較美國空軍RQ-4無人偵察機(jī)和海軍P-8有人反潛機(jī)的單位飛行小時(shí)成本，以期對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)研發(fā)、采購、使用和維修提供參考。

近20年來，無人機(jī)在局部沖突中的運(yùn)用取得了較好的戰(zhàn)果，尤其是納卡沖突，無人機(jī)成為阿塞拜疆軍方奪取勝利的關(guān)鍵作戰(zhàn)裝備。美軍一直在選擇性地使用無人機(jī)系統(tǒng)，以替代有人機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)。相比有人機(jī)，無人機(jī)的前期采購較低。但是，考慮到無人機(jī)在全生命周期內(nèi)的經(jīng)常性成本，其優(yōu)勢(shì)可能沒有那么明顯。因此，我們有必要研究執(zhí)行類似有人機(jī)任務(wù)的無人機(jī)使用模式及使用成本，分析并提升無人機(jī)的效費(fèi)比，促進(jìn)無人機(jī)系統(tǒng)更快更好地發(fā)展。

傳統(tǒng)無人機(jī)不須要配備座艙供氧設(shè)備、座艙增壓設(shè)備和彈射座椅等生命保障系統(tǒng)，除去部分機(jī)載設(shè)備成本的同時(shí)，也減輕了無人機(jī)的重量，進(jìn)而降低了動(dòng)力系統(tǒng)的功耗，使用成本必然低于有人機(jī)。

本 文 選 取 美 軍MQ-1“ 捕 食者”、MQ-9“死神”和RQ-4“全球鷹”三型無人機(jī)，以及E-3“望樓”、E-8“聯(lián)合星”、RC-135“聯(lián)合鉚釘”、U-2“黑寡婦”、RC-26以及P-8“波塞冬”六型有人機(jī)，分析這些機(jī)型的使用模式，比較使用成本。圖1中MQ-1和MQ-9無人機(jī)均使用單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，外形尺寸較有人機(jī)小，除U-2外，有人機(jī)均裝配了兩臺(tái)或兩臺(tái)以上發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖1 三型無人機(jī)和六型有人機(jī)的外形示意圖。

使用模式

不同特性的飛行器，其作戰(zhàn)使用也有所區(qū)別。無人機(jī)機(jī)上無飛行員，飛行任務(wù)無須考慮人員的生理極限，因此可執(zhí)行枯燥的情報(bào)、監(jiān)視和偵察（ISR）任務(wù)、危險(xiǎn)的反介入/區(qū)域拒止環(huán)境下偵察、監(jiān)視和打擊任務(wù)以及骯臟的放射性樣本收集任務(wù)。而有人機(jī)的飛行員可以高效地執(zhí)行空戰(zhàn)所需的快速響應(yīng)任務(wù)，其他機(jī)組人員對(duì)實(shí)時(shí)信息進(jìn)行處理分析，產(chǎn)生更高價(jià)值的情報(bào)。無人機(jī)能否達(dá)到有人機(jī)的作戰(zhàn)能力，完全替代有人機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，依賴于人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的進(jìn)步。

執(zhí)行同類任務(wù)的不同機(jī)型，其使用模式主要取決于可執(zhí)行任務(wù)率、年度平均飛行時(shí)間、損毀率和可用年限等因素。

可執(zhí)行任務(wù)率

可執(zhí)行任務(wù)率是指飛行器未處于存放或維修狀態(tài)，能執(zhí)行所有指定任務(wù)的飛行器的數(shù)量占總數(shù)量的百分比。圖2列舉了多型飛行器的可執(zhí)行任務(wù)率，無人機(jī)高于大多數(shù)有人機(jī)。究其原因，部隊(duì)裝備的無人機(jī)系統(tǒng)通常是一站多機(jī)系統(tǒng)，即一套地面控制站和多架無人機(jī)，但作戰(zhàn)通常使用單站單機(jī)，即其中一架無人機(jī)執(zhí)行任務(wù)?？蓤?zhí)行任務(wù)率計(jì)算應(yīng)將系統(tǒng)內(nèi)的其他幾架無人機(jī)的可執(zhí)行任務(wù)考慮在內(nèi)。根據(jù)無人機(jī)可消耗性的設(shè)計(jì)初衷，無人機(jī)安全標(biāo)準(zhǔn)略低于有人機(jī)。

圖2 2014—2018 年，多型飛行器的可執(zhí)行任務(wù)率。

年度平均飛行時(shí)間

年度平均飛行時(shí)間取決于年度平均出動(dòng)架次和單架次年度平均飛行時(shí)間。圖3列舉了2014—2018年多型飛行器的單機(jī)年度平均出動(dòng)架次，無人機(jī)略低于有人機(jī)。在實(shí)際作戰(zhàn)中，受傳統(tǒng)作戰(zhàn)思維和飛行速度的影響，美軍傾向于使用有人機(jī)執(zhí)行2架次共16h的飛行任務(wù)（每架次執(zhí)行8h飛行任務(wù)），而不是使用無人機(jī)執(zhí)行1架次16h的飛行任務(wù)。圖4是多型飛行器的單架次年度平均飛行時(shí)間，無人機(jī)幾乎是有人機(jī)的3倍，圖中無人機(jī)的最大續(xù)航時(shí)間主要取決于載油量和油耗率，而且均超過20h；而有人機(jī)受飛行員生理極限的限制，續(xù)航時(shí)間均不超過12h。圖5顯示，受年度平均出動(dòng)架次和單架次年度平均飛行時(shí)間的影響，無人機(jī)的單機(jī)年度平均飛行時(shí)間約為有人機(jī)的2倍。

圖3 2014—2018 年，單機(jī)年度平均出動(dòng)架次。

圖4 2014—2018 年，單架次年度平均飛行時(shí)間。

圖5 2014—2018 年，單機(jī)年度平均飛行時(shí)間。

損毀率

損毀率在很大程度上影響著飛行器持續(xù)執(zhí)行任務(wù)的能力。圖6列舉了多型飛行器的損毀率即百萬飛行小時(shí)的損毀數(shù)量，即使不考慮損毀率過高的MQ-1無人機(jī)（因?yàn)樵摍C(jī)沒有完全達(dá)到安全指標(biāo)就倉促投入戰(zhàn)場(chǎng)），無人機(jī)的損毀率也遠(yuǎn)高于有人機(jī)。究其原因，一是無人機(jī)設(shè)計(jì)與研發(fā)考慮了可消耗性，降低了安全標(biāo)準(zhǔn)，而有人機(jī)技術(shù)較成熟，安全標(biāo)準(zhǔn)較高；二是本文提及的兩型無人機(jī)采用單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，空中停車后很難安全返航和降落，而有人機(jī)使用多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，單發(fā)空中停車后，通常能安全飛行、返航和降落；三是無人機(jī)通過無線電數(shù)據(jù)鏈路傳輸?shù)膽B(tài)勢(shì)感知信息和接收的操控指令均有時(shí)延，降低了操控員對(duì)空中突發(fā)情況的處置效率，特別是鏈路中斷，可能導(dǎo)致更大的損毀風(fēng)險(xiǎn)；四是無人機(jī)主要在對(duì)抗環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，而有人機(jī)主要在敵方防區(qū)外飛行，且日常訓(xùn)練占用較多時(shí)間。須要指出的是，在高危對(duì)抗環(huán)境中執(zhí)行任務(wù)，U-2的損毀率同樣很高。

圖6 1994—2019 年，多型飛行器的損毀率即百萬飛行小時(shí)的損毀數(shù)量。

可用年限

飛行器的可用年限主要取決于設(shè)計(jì)壽命及是否延壽，并決定服役時(shí)間（以年為單位計(jì)量）的上限。鑒于本文提及的機(jī)型尚在服役，難以確定是否延壽。圖7統(tǒng)計(jì)了多型飛行器截至2019年12月31日的服役時(shí)間，無人機(jī)均在2000年前后列裝部隊(duì)，最長服役時(shí)間只有20年左右，鑒于MQ-1無人機(jī)已經(jīng)退役，本文近似認(rèn)為無人機(jī)的可用年限為20年；RC-135有人機(jī)的最長服役時(shí)間達(dá)59年，平均服役年限為55年。考慮到有人機(jī)的平均服役年限主要受列裝起始時(shí)間的影響，且損毀率很低，本文認(rèn)為有人機(jī)的可用年限為50年。

圖7 截至2019 年12月31日，多型飛行器的服役時(shí)間。

總之，無人機(jī)的作戰(zhàn)使用率遠(yuǎn)高于有人機(jī)，但損毀率過高、可用年限較短，不利于保持持續(xù)作戰(zhàn)能力。為保持持續(xù)和穩(wěn)定的作戰(zhàn)能力，無人機(jī)系統(tǒng)須要提高可靠性、安全標(biāo)準(zhǔn)，因此使用成本必然會(huì)增加。

使用成本

使用成本包括前期采購成本和全生命周期內(nèi)的經(jīng)常性成本。

采購成本

相比有人機(jī)，無人機(jī)具有可消耗特性，系統(tǒng)可靠性要求低，有些機(jī)型使用單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，且機(jī)上沒有飛行員，不須要配備座艙供氧設(shè)備、座艙增壓設(shè)備和彈射座椅等生命保障系統(tǒng)，成本相應(yīng)降低。圖8列舉了多型飛行器的采購成本，其 中RC-26、RC-135和U-2等 有 人機(jī)的研制和列裝時(shí)間久遠(yuǎn)，采購成本無法有效地估算。

圖8 多型飛行器的采購成本。

圖9 2014—2018 年，多型飛行器的經(jīng)常性成本。

經(jīng)常性成本

經(jīng)常性成本即年度使用和維修總成本除以年度總飛行小時(shí)數(shù)，以單位飛行小時(shí)的使用和維修成本進(jìn)行計(jì)量。值得一提的是，RC-26偵察機(jī)由小型商用渦輪螺旋槳飛機(jī)改裝而成，經(jīng)常性成本較低。

飛行小時(shí)成本

基于類似的任務(wù)使命和技術(shù)背景，本文比較RQ-4無人偵察機(jī)和P-8有人反潛機(jī)的飛行小時(shí)成本。雖然P-8有人反潛機(jī)的任務(wù)包括反潛和反水面艦艇作戰(zhàn)，但主要執(zhí)行類似于RQ-4無人機(jī)的長航時(shí)情監(jiān)偵任務(wù)。RQ-4和P-8具有類似的任務(wù)使命，分別于2007年、2010年開始服役，服役時(shí)間詳見圖7，研制時(shí)間頗為相近，被認(rèn)為具有同時(shí)代的研制技術(shù)背景。

比較方法

對(duì)于有人機(jī)，AM表示前期采購成本，LM表示預(yù)期壽命，HM表示單機(jī)年度飛行小時(shí)數(shù)，RM表示單位飛行小時(shí)的使用與維修成本。在預(yù)期壽命內(nèi)，有人機(jī)每年產(chǎn)生的費(fèi)用為RM×HM美元，損毀率DM=0架/百萬飛行小時(shí)。按通貨膨脹率，并考慮貼現(xiàn)率i，不同年代的幣值均折算成2020年的幣值。CostM表示貼現(xiàn)成本總和，F(xiàn)lyingM表示貼現(xiàn)飛行小時(shí)總和，則

其中，t為有人機(jī)列裝部隊(duì)的年數(shù)（或以年為單位的列裝時(shí)間）。

其中，t為無人機(jī)列裝部隊(duì)的年數(shù)（或以年為單位的列裝時(shí)間）。

單位飛行小時(shí)成本

表1顯示，RQ-4和P-8的單機(jī)年度飛行時(shí)間分別為945h、589h。盡管近幾年P(guān)-8的年度飛行時(shí)間有所增加，但還是比RQ-4少了近40%。對(duì)于損毀數(shù)量，1994—2019年，RQ-4每百萬飛行小時(shí)的損毀數(shù)量為23架，而P-8未曾損毀；RQ-4前期采購成本為2.39億 美 元，P-8為3.07億 美 元；RQ-4經(jīng)常性成本約為18,700美元，P-8約29,900美元，RQ-4的經(jīng)常性成本是P-8的62%；對(duì)于可用年限，RQ-4參考了MQ-1系列無人機(jī)，設(shè)定為20年，P-8參考RC-135和U-2的可用年限，設(shè)定為50年。

表1 RQ-4 與P-8 的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

上述計(jì)算方法得出，RQ-4的單位飛行小時(shí)成本是35,245美元，P-8為42,272美元，RQ-4的單位飛行小時(shí)成本是P-8的83%，而經(jīng)常性成本卻是P-8的62%，說明前期采購成本和可用年限對(duì)單位飛行小時(shí)成本產(chǎn)生很大影響。

影響因素分析

前期采購成本降低、平均可用年限延長和經(jīng)常性成本減少可降低多型飛行器的單位飛行小時(shí)成本。RQ-4和P-8兩型飛行器已列裝部隊(duì)，前期采購成本已經(jīng)確定，經(jīng)常性成本也不可能發(fā)生較大波動(dòng)。因此，單位飛行小時(shí)成本的顯著降低只能考慮平均可用年限的延長。

平均可用年限受設(shè)計(jì)壽命和損毀率的影響。如果RQ-4的現(xiàn)有損毀率繼續(xù)增加，會(huì)提高該機(jī)的飛行小時(shí)成本。如果P-8的損毀數(shù)量繼續(xù)保持為零，而RQ-4的損毀率超過MQ-1，達(dá)到每百萬飛行小時(shí)70架（是當(dāng)前損毀率的3倍），兩者的單位飛行小時(shí)成本相同。但這種極端情況幾乎不會(huì)發(fā)生。現(xiàn)實(shí)情況是，P-8的設(shè)計(jì)壽命只有25年，可用年限延長至50年，損毀率勢(shì)必提高；隨著部隊(duì)不斷積累使用與維修經(jīng)驗(yàn)，無人機(jī)的損毀率將呈現(xiàn)穩(wěn)步下降的趨勢(shì)。

如果RQ-4的平均可用年限超過20年，單位飛行小時(shí)成本也可能發(fā)生變化。RQ-4平均可用年限延長會(huì)略微降低單位飛行小時(shí)成本。如果RQ-4的平均可用年限延長至50年，且不須要額外投入來保證無人機(jī)的完好狀態(tài)，經(jīng)常性成本保持不變，單位飛行小時(shí)成本將減少20%，約為28,200美元。雖然平均可用年限延長須要更換大量老化的機(jī)載設(shè)備，飛行小時(shí)成本進(jìn)而增加，但P-8的設(shè)計(jì)壽命也只有25年，存在類似的問題。

結(jié)論

綜上所述，無人機(jī)執(zhí)行類似任務(wù)，其單位飛行小時(shí)成本約為有人機(jī)的80%，具有一定成本優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)役無人機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力較弱，在現(xiàn)代防空體系的對(duì)抗環(huán)境中開展作戰(zhàn)，損毀率會(huì)大幅提升，無人機(jī)成本優(yōu)勢(shì)會(huì)降低。

此外，無人機(jī)與有人機(jī)之間的利弊權(quán)衡，成本只是考慮因素之一。相比有人機(jī)，無人機(jī)具有隱身性能好、續(xù)航時(shí)間長、機(jī)動(dòng)性高、研制周期短、作戰(zhàn)能力生成快、作戰(zhàn)使用彈性大、作戰(zhàn)補(bǔ)充快等特點(diǎn)。因此，無人機(jī)在保持成本優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，應(yīng)充分挖掘作戰(zhàn)潛力，實(shí)現(xiàn)技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)的融合，提升系統(tǒng)作戰(zhàn)效能。

圖10 本文的計(jì)算結(jié)果顯示，RQ-4無人機(jī)的單位飛行小時(shí)成本為35,245美元。