航空發(fā)動(dòng)機(jī)直接維修成本預(yù)計(jì)研究

■ 蔡旭 劉武 張祥 / 中國(guó)航發(fā)動(dòng)研所

民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制的目標(biāo)是尋求費(fèi)用、性能、進(jìn)度和可靠性、維修性等多種要求的綜合最佳組合。用戶（航空公司）將發(fā)動(dòng)機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性作為飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)選型的重要依據(jù)?？刂坪徒档桶l(fā)動(dòng)機(jī)直接維修成本（DMC）是航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的重要目標(biāo)之一，也是客戶選型的關(guān)注焦點(diǎn)之一，直接決定了民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)在市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)直接維修成本是航空發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)營(yíng)中的測(cè)試、維修、大修和報(bào)廢情況下進(jìn)行更換的材料成本和人工成本的總和，屬于飛機(jī)直接運(yùn)行成本的重要組成部分。要科學(xué)掌握發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，研發(fā)出DMC可控的航空發(fā)動(dòng)機(jī)，就需要盡快建立DMC預(yù)計(jì)方法體系，通過(guò)收集、整理發(fā)動(dòng)機(jī)大修實(shí)際成本，與DMC預(yù)計(jì)模型測(cè)算成本差異進(jìn)行對(duì)比分析，探索建立符合我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)研制及維修實(shí)際水平情況的DMC預(yù)計(jì)模型。在滿足飛機(jī)方要求的同時(shí)，制定發(fā)動(dòng)機(jī)維修性成本控制策略，為研制出低維護(hù)成本的先進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)提供行之有效的手段和工具，引導(dǎo)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)不斷更新迭代，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)DMC概述

航空發(fā)動(dòng)機(jī)DMC與制造成本、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性、平均修理費(fèi)用（包括計(jì)劃和非計(jì)劃維修）、平均測(cè)試費(fèi)用等因素有關(guān)，如圖1所示[1]。直接維修成本和間接維修成本構(gòu)成了航空發(fā)動(dòng)機(jī)的總維修成本。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)具體的維修情況，其中直接維修成本又可分為基地維修成本和發(fā)動(dòng)機(jī)送修成本。基地維修成本主要包含航線維護(hù)和定期檢查，航線維護(hù)一般指的是由航空公司的維修人員就能夠完成、不需要返廠進(jìn)行的維修，其成本主要包括人工成本以及材料成本；定期檢查指的是在維修基地進(jìn)行的工作，其成本主要包括人工成本以及材料成本。發(fā)動(dòng)機(jī)送修主要指發(fā)動(dòng)機(jī)返廠大修，其成本主要包括維修過(guò)程中的人工成本、材料成本、試驗(yàn)成本、運(yùn)輸成本以及轉(zhuǎn)包維修費(fèi)等。

圖1 航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修成本劃分

目前，面對(duì)國(guó)內(nèi)外激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)和新冠疫情的沖擊，航空公司增加收入的空間變得越趨狹窄，成本控制對(duì)航空公司運(yùn)營(yíng)的重要性也隨之進(jìn)一步凸顯。由于發(fā)動(dòng)機(jī)的每一次返廠大修的維修費(fèi)用都接近甚至超過(guò)百萬(wàn)元,因此通過(guò)優(yōu)化維修成本來(lái)降低運(yùn)營(yíng)的總成本，從而提升盈利水平，已成為越來(lái)越多航空公司的共識(shí)。加之DMC具有很好的直觀性和可控性，不少航空公司甚至將其作為購(gòu)買發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)選擇機(jī)型的重要依據(jù)。目前國(guó)際知名飛機(jī)制造商如波音、空客和龐巴迪公司等，都開始對(duì)全生命周期內(nèi)的DMC進(jìn)行合理的分析及有效的控制，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中就嚴(yán)格控制DMC，盡可能地通過(guò)降低DMC來(lái)提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

國(guó)際上關(guān)于民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)DMC分析的研究已非常深入，并形成了一系列的成果和方法。以波音和空客公司為例：波音公司將部件的DMC分為計(jì)劃拆卸人工時(shí)費(fèi)、計(jì)劃拆卸材料費(fèi)、非計(jì)劃拆卸人工時(shí)費(fèi)和非計(jì)劃拆卸材料費(fèi)等4個(gè)部分，通過(guò)對(duì)這4個(gè)部分的分別約束，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)整體DMC的有效控制；空客公司根據(jù)部件的可靠性、維修性，預(yù)計(jì)DMC，通過(guò)統(tǒng)計(jì)相似部件的平均故障間隔時(shí)間、平均修理費(fèi)用和平均測(cè)試費(fèi)用等數(shù)據(jù)，得到部件DMC預(yù)計(jì)模型,并且有效地應(yīng)用在設(shè)計(jì)研發(fā)工作中，利用模型測(cè)算數(shù)據(jù)提供設(shè)計(jì)迭代改進(jìn)思路，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的DMC[2]。

目前我國(guó)對(duì)民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)還處于早期階段，缺少對(duì)運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，特別是DMC的分析和預(yù)計(jì)，既無(wú)法獲得空客公司DMC預(yù)計(jì)方法中的相似部件的參數(shù)，也沒有波音公司的成熟的DMC預(yù)計(jì)模型可用。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一型成熟的長(zhǎng)生命周期的發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)、試驗(yàn)、生產(chǎn)、使用各階段在全生命周期費(fèi)用占比如圖2所示，其中研制成本占比較低（一般不超過(guò)10%～15%），使用成本占比超過(guò)60%以上，而且隨著使用周期增加，使用成本占比也隨之增長(zhǎng)[3]。發(fā)動(dòng)機(jī)使用階段的成本由批生產(chǎn)前的研制階段決定，發(fā)動(dòng)機(jī)取證交付使用后難以開展使用成本降低相關(guān)工作。因此，如果要有效降低一型發(fā)動(dòng)機(jī)的全生命周期成本，就要特別關(guān)注使用成本的控制，在研發(fā)階段便組織開展發(fā)動(dòng)機(jī)使用、維護(hù)和修理方面成本的評(píng)估、優(yōu)化工作，盡早地改進(jìn)、優(yōu)化影響使用成本的設(shè)計(jì)因素。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)各階段成本和各階段對(duì)成本的決定程度示意

總體思路

為提升航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，進(jìn)一步控制并降低發(fā)動(dòng)機(jī)使用成本，開發(fā)一套適應(yīng)我國(guó)自主研發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)DMC預(yù)計(jì)模型，可為發(fā)動(dòng)機(jī)研制過(guò)程中的設(shè)計(jì)迭代優(yōu)化提供依據(jù)和方向，本文提出了如下的DMC預(yù)計(jì)研究總體思路。

一是以國(guó)際上成熟的理論為主要參考，選擇合適的方法，建立適應(yīng)國(guó)內(nèi)條件的DMC預(yù)計(jì)評(píng)估模型。

二是收集、整理一型我國(guó)自主研發(fā)的批產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)大修的數(shù)據(jù)，形成發(fā)動(dòng)機(jī)修理策略與成本模型，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期大修成本初步評(píng)估結(jié)果。

三是將發(fā)動(dòng)機(jī)修理結(jié)果通過(guò)DMC預(yù)計(jì)的評(píng)估模型進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證發(fā)動(dòng)機(jī)DMC成本模型的合理性及正確性，與國(guó)外同級(jí)別發(fā)動(dòng)機(jī)的DMC進(jìn)行對(duì)比分析，為優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)修理成本策略和發(fā)動(dòng)機(jī)使用維護(hù)的經(jīng)濟(jì)性分析提供參考。

四是通過(guò)比對(duì)DMC預(yù)計(jì)模型和實(shí)際大修數(shù)據(jù)，識(shí)別出發(fā)動(dòng)機(jī)DMC高點(diǎn)，提供優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的思路，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期內(nèi)DMC值，提高發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性。

內(nèi)容和流程

現(xiàn)有的DMC控制主要采用逐級(jí)分配的方法，即將期望的DMC值逐級(jí)向下分配給各系統(tǒng)、子系統(tǒng)級(jí)部件，具體表現(xiàn)為飛機(jī)將期望的DMC值逐級(jí)分配給發(fā)動(dòng)機(jī)、各機(jī)載產(chǎn)品和飛機(jī)部件等，發(fā)動(dòng)機(jī)和機(jī)載產(chǎn)品需要對(duì)自身的DMC值進(jìn)行預(yù)計(jì)，并對(duì)預(yù)計(jì)值與飛機(jī)給出的目標(biāo)值進(jìn)行評(píng)估，同時(shí)將DMC值分配至下一級(jí)的部件和成附件，指導(dǎo)設(shè)計(jì)的改進(jìn)和迭代。

DMC預(yù)計(jì)是在研制中根據(jù)部件和成附件的設(shè)計(jì)情況推測(cè)的整機(jī)DMC值，與維修成本的分配相輔相成，是設(shè)計(jì)階段維修成本目標(biāo)管理中最為關(guān)鍵的步驟之一，直接決定著維修成本控制的成敗。DMC預(yù)計(jì)分析必須與發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、市場(chǎng)及客戶服務(wù)同步協(xié)調(diào)進(jìn)行，需將各階段的DMC分析進(jìn)行全面規(guī)劃、統(tǒng)籌安排。整個(gè)DMC預(yù)計(jì)分析工作需要不斷迭代，逐步達(dá)到最優(yōu)。研發(fā)階段的DMC預(yù)計(jì)分析的主要流程如圖3所示。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)中DMC分配和預(yù)計(jì)的主要工作流程[3]

方法和模型

目前國(guó)際上主要的發(fā)動(dòng)機(jī)DMC預(yù)計(jì)方法和模型均由歐美航空發(fā)動(dòng)機(jī)公司開發(fā)，結(jié)合型號(hào)研制使用完善。主流的DMC分析方法有4種，分別為利貝克（Liebeck）方法、歐洲1998年方法、AEA2009年方法和哈里斯（Harris）方法，各種方法的特點(diǎn)和優(yōu)劣詳見表1。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)DMC預(yù)計(jì)方法和模型

由于我國(guó)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)營(yíng)和維修尚處于起步階段，同時(shí)也難以獲得國(guó)外渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的維修實(shí)際數(shù)據(jù)，利用歐美有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)DMC的分析方法，建立基于國(guó)內(nèi)實(shí)際維修成本水平的發(fā)動(dòng)機(jī)DMC預(yù)計(jì)方法和模型就成為了一種現(xiàn)實(shí)的路徑。

4種主要的DMC分析方法中，利貝克方法、歐洲1998年方法和哈里斯方法主要適用于批生產(chǎn)后開展分析，AEA2009年方法適用于型號(hào)研制早期評(píng)估，比較符合我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制現(xiàn)狀。因此，本文在進(jìn)行DMC分析方法預(yù)計(jì)研究、建立DMC預(yù)計(jì)模型時(shí)主要參考了AEA2009年方法。

DMC預(yù)計(jì)模型的初步應(yīng)用

基于國(guó)內(nèi)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)和運(yùn)營(yíng)條件，本文將歐洲航空協(xié)會(huì)中提出的發(fā)動(dòng)機(jī)維修費(fèi)用估算模型（AEA2009年方法）根據(jù)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行適用性簡(jiǎn)化，同時(shí)按照發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化[5]，得到DMC預(yù)計(jì)模型：發(fā)動(dòng)機(jī)的維修成本由維修勞務(wù)成本和維修材料成本組成；維修勞務(wù)成本基于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)預(yù)計(jì)，綜合考慮維修人工費(fèi)率、輸出功率和大修壽命的修正系數(shù)；維修材料成本綜合考慮總壓比、模型修正系數(shù)和修理成本的修正系數(shù)。

以我國(guó)的一型自研渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)為例，經(jīng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)，該渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際DMC的值為8064092.50元，見表2。按照DMC的統(tǒng)計(jì)范圍，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)具體的維修情況又可以分為航線維護(hù)、定期檢查和發(fā)動(dòng)機(jī)返廠大修，考慮到用戶的航線維護(hù)和定期維護(hù)成本為以飛機(jī)整體計(jì)算，結(jié)合目前掌握的主要數(shù)據(jù)，目前計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的DMC僅考慮發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期內(nèi)的正常返廠大修。以大修總費(fèi)用為依據(jù)，僅考慮發(fā)動(dòng)機(jī)大修成本，以發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期內(nèi)的大修成本除以發(fā)動(dòng)機(jī)壽命得出DMC為2688.10元/飛行小時(shí)（FH）。

表2 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)全生命周期內(nèi)大修總費(fèi)用統(tǒng)計(jì)

按照各項(xiàng)技術(shù)性能參數(shù)和各項(xiàng)維修成本，根據(jù)上述發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的DMC預(yù)計(jì)模型計(jì)算，該發(fā)動(dòng)機(jī)的DMC預(yù)測(cè)值為1765.28元/FH，結(jié)合本機(jī)型和另外3型成熟的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的DMC統(tǒng)計(jì)值來(lái)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析和對(duì)比（見表3），以驗(yàn)證預(yù)測(cè)模型的合理性與準(zhǔn)確性。

表3 渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的DMC模型統(tǒng)計(jì)結(jié)果及對(duì)比

該型國(guó)產(chǎn)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的DMC模型估算值為1765.28元/FH，實(shí)際DMC為2688.10元/FH，高于模型估算值及另外3型發(fā)動(dòng)機(jī)的統(tǒng)計(jì)值，主要原因是發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際修理成本偏高，特別是二修的成本超過(guò)一修成本的2倍以上，造成整體修理成本偏高；國(guó)內(nèi)渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)壽命和返修期等指標(biāo)低于國(guó)外同水平的渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)，導(dǎo)致實(shí)際的DMC值較高。

結(jié)束語(yǔ)

對(duì)標(biāo)各國(guó)際領(lǐng)先的發(fā)動(dòng)機(jī)廠商的DMC值來(lái)看，國(guó)產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)的直接修理成本控制水平與國(guó)際先進(jìn)水平還有差距。結(jié)合國(guó)內(nèi)中小型民用航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制現(xiàn)狀，DMC較高的原因主要為兩個(gè)方面，也是可以突破維修成本控制瓶頸的發(fā)力點(diǎn)：一是雖然近幾年“成本是設(shè)計(jì)出來(lái)的”這一理念深入人心，但在實(shí)際工作中尚未建立規(guī)范、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)積累機(jī)制，導(dǎo)致項(xiàng)目研制及維修、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中的過(guò)程數(shù)據(jù)缺乏，設(shè)計(jì)人員無(wú)法獲得相關(guān)成本的具體數(shù)據(jù)，在研制階段無(wú)法全盤考慮各項(xiàng)成本，致使項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)暫不具備實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目全生命周期成本滾動(dòng)管理的能力；二是應(yīng)用模型和工具缺乏，關(guān)于DMC研究起步較晚，DMC的計(jì)算模型和相關(guān)計(jì)算軟件還有待完善，相關(guān)計(jì)算不僅過(guò)程困難，結(jié)果準(zhǔn)確度也不高。