2012-飛機(jī)總體設(shè)計(jì)-11第十一講 -經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性

飛機(jī)系航空科學(xué)與工程學(xué)院飛機(jī)總體設(shè)計(jì)第十一講經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析經(jīng)濟(jì)性分析的重要性飛機(jī)全壽命周期成本常用的經(jīng)濟(jì)性分析方法環(huán)保性設(shè)計(jì)的意義與特點(diǎn)環(huán)保性分析方法簡介維修性等需求的分析與驗(yàn)證方法兩者的推重比基本相同0.54:0.53，最大速度均為1100公里／時(shí)，在高空時(shí)米格-15具有加速和爬升率方面的優(yōu)勢，F(xiàn)-86具有更好的低空機(jī)動(dòng)性能。F-86實(shí)際升限12000米，米格-15為15000米。兩種戰(zhàn)機(jī)僅在武器裝備方面有明顯不同：米格-15裝配一門37毫米機(jī)炮、2門23毫米機(jī)炮，火力較強(qiáng)；F-86最初只裝配6挺12.7毫米機(jī)槍，戰(zhàn)爭后期才改裝4門20毫米機(jī)炮。第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析11.1經(jīng)濟(jì)性分析的重要性第一代軍用飛機(jī)：性能要求：亞音速巡航；簡單的武器；簡單的電子設(shè)備。F-86MIG-15價(jià)格：以F-86為例，單機(jī)價(jià)格40萬美元。第二代戰(zhàn)斗機(jī)的代表型有美國的F-4、F-104、F-111，蘇聯(lián)的米格-21、米格-23和法國的幻影-III、幻影F-1等。F104機(jī)身長、機(jī)翼短小，升力自然受限制，遇到發(fā)動(dòng)機(jī)熄火故障，不能像大飛機(jī)飄滑降落，而會(huì)像一塊廢鐵一樣從空中掉下來。美國的二代機(jī)，真正厲害的是F-4“鬼怪”。這種戰(zhàn)斗機(jī)的出現(xiàn)，徹底終結(jié)了蘇俄戰(zhàn)機(jī)與美國戰(zhàn)機(jī)緊跟相隨的局面，確定了美制戰(zhàn)機(jī)在技術(shù)上的超前和戰(zhàn)術(shù)性能上的優(yōu)勢。從F-4之后，蘇俄往往要晚十年左右的時(shí)間才能打造出能夠與老美勉強(qiáng)相當(dāng)?shù)淖鲬?zhàn)飛機(jī)。第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析：；力第二代軍用飛機(jī)性能要求：突破“音障”加強(qiáng)的武器（第二代空空導(dǎo)彈）；加強(qiáng)的電子設(shè)備（具有攔射能力 的火控系統(tǒng)）。MIG-21F-104F-4價(jià)格：以F-104為例，單機(jī)價(jià)格160萬美元。11.1經(jīng)濟(jì)性分析的重要性最重要的是，在進(jìn)行第三代戰(zhàn)斗機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，美國就已經(jīng)在設(shè)計(jì)過程中考慮其經(jīng)濟(jì)可承受性，F(xiàn)-16就是一個(gè)很好的例子。在總體性能相當(dāng)?shù)那闆r下，F(xiàn)-15的單機(jī)價(jià)格按1991財(cái)年計(jì)算為4287.5萬美元，Su-27的單機(jī)價(jià)格5500萬美元，F(xiàn)-16則僅為1900萬美元。并且，美國一直在武器研發(fā)方面遵循可承受性設(shè)計(jì)。例如，在2003年9月啟動(dòng)了為期15年的多用途、經(jīng)濟(jì)可承受的先進(jìn)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)計(jì)劃，可使目前的發(fā)動(dòng)機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)可承受性改善10倍。F-15Su-27第三代軍用飛機(jī)：性能要求：大推重比；全向攻擊；中低空跨音速機(jī)動(dòng)性能;遠(yuǎn)程作戰(zhàn)能力;遠(yuǎn)距離探測。價(jià)格：以F-15為例，單機(jī)價(jià)格4287萬美元。（1991財(cái)年）第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析11.1經(jīng)濟(jì)性分析的重要性第四代戰(zhàn)斗機(jī)更是個(gè)燒錢的裝備，以F-35為例，2002年的單機(jī)采購價(jià)格是5000萬美元左右，2010年便已翻番，達(dá)到1.38億美元左右。這不僅與軍方的采購數(shù)量銳減（由2400架降至目前的780架）有關(guān)，還與減重設(shè)計(jì)、研制計(jì)劃拖期、人力和管理費(fèi)增加、通用性降低、原材料價(jià)格上漲、重要分承包費(fèi)用增加等因素有關(guān)。（研制周期的增長不僅帶來費(fèi)用的增加，還帶來了要求的提高）F-35Su-47第四代軍用飛機(jī)：性能要求：高隱身；高機(jī)動(dòng)性；高可靠性和保障性；超音速巡航(不開加力)；超視距攻擊。價(jià)格：以F-35為例，單機(jī)價(jià)格1.38億美元。（2010財(cái)年）11.1經(jīng)濟(jì)性分析的重要性第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析另外，我們再看看民機(jī)方面的情況吧：再看看航空公司方面的投入吧:因此，為了使如此高的投入可以獲得有效回報(bào)，并且最大降低飛機(jī)的研制成本,,必須在飛機(jī)設(shè)計(jì)階段就對飛機(jī)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行盡可能詳細(xì)的分析第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析研制一種干線飛機(jī)機(jī)型，要花20到50億美元，用8到10年時(shí)間，而且要賣到300架以上，才能達(dá)到虧平衡。全世界現(xiàn)已研制的噴氣式干線民用飛機(jī)中，75%尚未收回研制費(fèi)用。按1997年計(jì)：波音和麥道的研究開發(fā)費(fèi)用22.6億美元；聯(lián)合技術(shù)公司投入11.8億美元；法宇航公司投入12.8億美元；英宇航公司4.9億美元。那么,考核飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性的指標(biāo)又是什么呢,這就是我們大家經(jīng)常聽說的全壽命周期成本,不同于飛機(jī)的單價(jià),它主要包括以下4大部分:一般，針對民機(jī)而言，其使用維護(hù)成本又稱運(yùn)營成本，可分為間接運(yùn)營成本和直接運(yùn)營成本。結(jié)合右下角的民機(jī)費(fèi)用構(gòu)成比例圖我們可以看出飛機(jī)的采購費(fèi)用只占其中的一部分,還有相當(dāng)一部分的費(fèi)用發(fā)生在飛機(jī)的使用維護(hù)階段.第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析11.2飛機(jī)全壽命周期成本論證、研制、試驗(yàn)和鑒定費(fèi)用(CRDTE)；生產(chǎn)采購費(fèi)用(CACQ)；使用維護(hù)費(fèi)用(COPS)；處置費(fèi)用(CDISP)。壽命周期費(fèi)用此外，針對飛機(jī)設(shè)計(jì)，我們還有必要了解各階段對飛機(jī)整個(gè)壽命周期費(fèi)用的影響，注意，這里指的是各階段對整個(gè)費(fèi)用的影響程度，而非它本身所需費(fèi)用的大小。由圖可知早期決策對LCC影響很大，在完成總體方案后雖然所花費(fèi)用僅占LCC的3%左右，但它對LCC的影響已達(dá)65%左右，也就是說在總體方案確定之前，方案是不斷變化的，LCC也隨之變化，一旦總體方案通過評審確定下來，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框架也就隨之確定了，這樣飛機(jī)的整個(gè)壽命周期費(fèi)用LCC也就大題確定了。因此，要使LCC最小，總體方案設(shè)計(jì)最為重要，有效。為此，美國自開發(fā)F-16戰(zhàn)機(jī)開始就積極進(jìn)行飛機(jī)的全壽命周期費(fèi)用分析，并且在設(shè)計(jì)的初期階段就將費(fèi)用作為獨(dú)立的指標(biāo)進(jìn)行考慮?！?/p>

飛機(jī)設(shè)計(jì)各階段對壽命周期費(fèi)用的影響第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析另外一點(diǎn)需要說明的是：第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析民/軍機(jī)全壽命周期費(fèi)用的不同民機(jī)制造廠商付出的研制費(fèi)將按計(jì)劃生產(chǎn)架數(shù)分?jǐn)偟礁骷茱w機(jī)中，靠用戶的購機(jī)費(fèi)用逐步收回；而軍機(jī)是政府投資研制，不存在投資回收問題。民機(jī)的采購費(fèi)用中包含生產(chǎn)成本、研制費(fèi)的攤銷、銷售及售后服務(wù)費(fèi)、稅金等，需在購機(jī)前進(jìn)行投資分析與決策；而軍用飛機(jī)的采購費(fèi)用則包括生產(chǎn)成本、地面保障設(shè)備費(fèi)

用和備件費(fèi)用。航空公司不僅要控制單機(jī)的使用費(fèi)用，還需從機(jī)隊(duì)構(gòu)成、航班表、航線等方面進(jìn)行分析，以求獲得較好的營運(yùn)效益。

4）對于軍機(jī)，處置費(fèi)是個(gè)付出量；而對于民機(jī)，處置費(fèi)則

是一個(gè)收益量（一般可收回買價(jià)的10%）。第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析11.3常用的經(jīng)濟(jì)性分析方法（1）最常用的費(fèi)用估算方法主要有：工程估算法、參數(shù)估算法和類比法。·

工程估算法利用工作分解結(jié)構(gòu)（WBS）自下而上地進(jìn)行費(fèi)用估算。該方法在應(yīng)用時(shí)必須先建立項(xiàng)目的WBS，逐步計(jì)算出單元費(fèi)用數(shù)據(jù)，再逐級向上歸并，最終估算出總費(fèi)用。優(yōu)點(diǎn)：準(zhǔn)確度高，易于對項(xiàng)目進(jìn)行分工操作；缺點(diǎn)：工作量大，需要大量的數(shù)據(jù)支持，且周期長。應(yīng)用約束：項(xiàng)目發(fā)展到一定階段；工作分解結(jié)構(gòu)已分級到一定層次；具有由豐富經(jīng)驗(yàn)工作人員組成的工作小組；具備以前項(xiàng)目發(fā)展中積累的可比性費(fèi)用數(shù)據(jù)。參數(shù)模型法估算費(fèi)用是按費(fèi)用的分類分別估算的，一般并不能直接給出得到費(fèi)用的參數(shù)模型，而是給出諸如設(shè)計(jì)工程小時(shí)數(shù)、工裝制造工時(shí)數(shù)和生產(chǎn)單價(jià)飛機(jī)的平均工時(shí)數(shù)等，然后再將其乘以相應(yīng)的小時(shí)費(fèi)用率便可得到估算的費(fèi)用。需要說明的是，參數(shù)估算法主要應(yīng)用于項(xiàng)目的初期階段，在多種方案對比時(shí)能及時(shí)地為選型提供決策依據(jù)。第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析·

參數(shù)估算法利用匯集起來的用于具有類似用途的飛機(jī)的大量的現(xiàn)有費(fèi)用數(shù)據(jù)，只采用少量的特征參數(shù)（如重量、速度等）回歸出的一組費(fèi)用-特征量關(guān)系式。優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算直觀方便、工作量小，能按決策要求迅速提交項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)參數(shù)；缺點(diǎn)：準(zhǔn)確度不如工程估算法，一般能達(dá)到實(shí)際的70%左右。應(yīng)用約束：很難有一個(gè)參數(shù)模型適用于所有型號（座級）的飛機(jī)。為此，必須按“類”進(jìn)行歷史成本數(shù)據(jù)的回歸，建立基于某“類”飛機(jī)的參數(shù)模型。目前，使用最為廣泛的是美國的RCAPRICE模型。第一種：例如可以用某民用飛機(jī)的研制費(fèi)用來估算要研制的同座級/性能民用飛機(jī)的研制費(fèi)用；第二種：例如用已知飛機(jī)的費(fèi)用來估算飛航式導(dǎo)彈的費(fèi)用。第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析·

類比法類比法是建立在與過去類似的工程項(xiàng)目進(jìn)行比較，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)加上修正而得出的費(fèi)用估計(jì)。類比方法：將正在研制的系統(tǒng)直接與具有同樣功能特征的類似系統(tǒng)進(jìn)行比較，并估算費(fèi)用；將正在研制的系統(tǒng)與具有相同費(fèi)用特征的不同系統(tǒng)進(jìn)行比較，并估算費(fèi)用。應(yīng)考慮的因素：不同的經(jīng)濟(jì)環(huán)境，技術(shù)、性能上的類似程度，特有的歷史背景（合作研制、研制周期要求等）。針對上述三種方法，目前較為普遍的應(yīng)用觀點(diǎn)是：·

方法的選擇：在概念階段多用參數(shù)估算法和類比法；在方案階段多是參數(shù)估算法和類比法并用，以便相互校核；在詳細(xì)設(shè)計(jì)或工程研制階段，主要是用工程估算法。第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析在具體的分析介紹方面，本文僅以民用飛機(jī)為例進(jìn)行說明：那么針對飛機(jī)的機(jī)體設(shè)計(jì)費(fèi)用可由總工程工時(shí)與工程人工小時(shí)費(fèi)用率的乘積獲得；針對飛機(jī)的試制和試驗(yàn)費(fèi)用可由飛機(jī)的機(jī)體重量、最大速度、論證/試制/試驗(yàn)/鑒定階段的架數(shù)、物價(jià)上漲指數(shù)等參數(shù)按如下計(jì)算公式獲得。針對飛行試驗(yàn)機(jī)的成本可表示為發(fā)動(dòng)機(jī)與航電設(shè)備的費(fèi)用、制造人工費(fèi)用、制造材料費(fèi)用、工裝費(fèi)用、質(zhì)量控制費(fèi)用之和。下面分別對民用飛機(jī)和軍用飛機(jī)的費(fèi)用分析進(jìn)行說明：第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析（2）民機(jī)的費(fèi)用分析·

民機(jī)的研制費(fèi)用分析：民機(jī)的生產(chǎn)成本為機(jī)體工程費(fèi)用、試飛費(fèi)用、工裝費(fèi)用、制造勞務(wù)費(fèi)用、質(zhì)量控制費(fèi)用、材料費(fèi)用、客機(jī)內(nèi)設(shè)費(fèi)用和發(fā)動(dòng)機(jī)/電子設(shè)備等采購費(fèi)用之和與籌款利息的乘積。那么結(jié)合民機(jī)的研制費(fèi)用和生產(chǎn)費(fèi)用以及制造廠商所需獲得的利潤，我們可以得到民機(jī)的市場價(jià)格如圖所示。需要說明的是，利潤是隨政策和市場變化而變化的，但在論證階段一般假定它為總成本的10%左右。關(guān)于民用飛機(jī)的DOC計(jì)算方法國外使用種類較多，在西方以美國航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)（ATA）和歐洲航空公司協(xié)會(huì)（AEA）的方法為代表，而在東歐主要以前蘇聯(lián)的計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)計(jì)算方法為代表。而國內(nèi)所采用的DOC計(jì)算方法可表示如下：它來自于民機(jī)可行性論證報(bào)告編寫指南。關(guān)于民機(jī)的的剪接費(fèi)用，我們可以按每公里計(jì)，表示如下：第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析··（2）民機(jī)的費(fèi)用分析民機(jī)的生產(chǎn)費(fèi)用分析：民機(jī)的價(jià)格：民機(jī)的使用費(fèi)用：關(guān)于民用飛機(jī)的費(fèi)用分析，我們還應(yīng)了解的參數(shù)包括：第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析（2）民機(jī)的費(fèi)用分析·

投資回收期：·

投資利潤率：·

盈虧平衡點(diǎn)產(chǎn)量：下面我們再來了解一下環(huán)保性：而現(xiàn)今的發(fā)展趨勢是航空業(yè)每年以5%的速度增長，這意味著二氧化碳的排放量每年將增長3%。因此，NASA和歐洲航空研究顧問委員會(huì)（ACARE）均對未來的飛機(jī)研發(fā)在噪音、氮氧化合物排放量以及燃油消耗率等方面提出了明確的要求。第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析11.4環(huán)保性設(shè)計(jì)的意義與特點(diǎn)歐盟研究表明，航空器在8-13km的巡航高度運(yùn)行時(shí)所排放的尾氣主要包括二氧化碳、氮氧化物、水蒸氣、碳?xì)浠衔?、一氧化碳、硫氧化物和碳的微小顆粒。這些氣體將導(dǎo)致大氣的溫室效應(yīng)，進(jìn)而影響全球氣候的變化。第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析ACARE(Advisory

Council

for

Aerospace

Research

inEurope)要求歐洲航空交通業(yè)界在2020年相關(guān)技術(shù)達(dá)到滿足以下環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)：通過減少燃油消耗，減少50%的二氧化碳排放量；氮氧化物的排放量減少80%；外部噪聲減少50%；綠色的產(chǎn)品生命周期：設(shè)計(jì)、制造、維護(hù)和銷毀或回收。并且，歐盟在實(shí)際行動(dòng)中也走在了世界的前列：《降低航空對氣候變化的影響》的主要思路是首先要為航空業(yè)確定一個(gè)排放總量上限，然后通過市場調(diào)節(jié)各排放主體的排放數(shù)量和價(jià)格。大家都知道最近歐盟對碳排放的征稅政策使得很多國家航空公司的運(yùn)營成本提高，這其中也包括中國。第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析歐盟委員會(huì)于2005年9月27日向歐盟理事會(huì)、歐洲議會(huì)、歐洲經(jīng)濟(jì)社會(huì)委員會(huì)和地區(qū)委員會(huì)提出一項(xiàng)政策性文件——《降低航空對氣候變化的影響》。2006年11月20日起草了航空減排的立法建議——《建議修改歐盟2003/87/EC號指令，制定包括航空活動(dòng)在內(nèi)的溫室氣體排放許可交易體系》。那么，針對環(huán)保性我們應(yīng)該如何考慮呢？在這里，我們應(yīng)主要做好以下幾個(gè)方面的工作：1）就目前而言，與噪音和排放物相關(guān)的直接飛機(jī)部件為發(fā)動(dòng)機(jī)，因此，針對環(huán)保性要求首先要提高發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)水平，利用諸如發(fā)動(dòng)機(jī)短艙的無縫式進(jìn)氣道技術(shù)等新技術(shù)改善發(fā)動(dòng)機(jī)的噪音水平。通過涵道比和部件效率的提高降低發(fā)動(dòng)機(jī)的耗油率。

2）盡可能的采用諸如碳纖維、鈦合金等新型裁量，減輕飛機(jī)的總重；3）通過布局上的優(yōu)化，減小飛機(jī)的氣動(dòng)阻力，例如：采用更加細(xì)長的機(jī)翼和U型尾翼；4）5）還有一個(gè)方面，或許是大家更容易遺忘的部分，那就是在生產(chǎn)和制造過程中進(jìn)一步降低各種能耗和廢物的排放，這雖然與飛機(jī)本身的性能無關(guān)，但它對環(huán)境的影響同樣不可忽視。例如，空客公司第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析改善環(huán)保性的措施提高發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)水平；減輕飛機(jī)的總重；優(yōu)化飛機(jī)的總體布局；通過對飛機(jī)在啟動(dòng)、滑出、起飛、爬升、巡航、下降、著陸、滑進(jìn)、地面狀態(tài)9個(gè)階段的排放物進(jìn)行合理評估，可對飛機(jī)總體布局設(shè)計(jì)和發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的環(huán)保性要求提供明確指導(dǎo)，進(jìn)而有效降低飛機(jī)的排放；降低飛機(jī)制造過程中的各種能耗和廢物排放。空中客車公司為自己的制造活動(dòng)設(shè)立了宏偉的目標(biāo)：將能耗降低30%；將二氧化碳排放減少50%；將溶劑排放減少50%；將水的消耗量降低50%；將廢水的排放量降低80%；將產(chǎn)生的廢物減少50%。其中，關(guān)于聲強(qiáng)表達(dá)式中各系數(shù)如右表所示。第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析11.5環(huán)保性分析方法簡介·

飛機(jī)噪音的估算方法機(jī)身部件噪音的估算機(jī)體其他部件噪音的估算具體計(jì)算公式如下：第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析·

飛機(jī)排放物的估算方法對于飛機(jī)排放物的評估主要從兩個(gè)方面進(jìn)行：1）巡航狀態(tài)的污染氣體排放情況評估；2）機(jī)場地面級別的污染氣體排放量及排放影響評估。此外，我們通過分析還可以得到在不同飛行狀態(tài)下，飛機(jī)的排放物具有如表所示的特性。由此，當(dāng)排放系數(shù)恒定時(shí)，具體計(jì)算數(shù)值參考國際民航組織（ICAO）發(fā)布的發(fā)動(dòng)機(jī)排放測試數(shù)據(jù)第十一講經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析巡航狀態(tài)時(shí)，NOx的排放系數(shù)與巡航高度成二階線性關(guān)系：其中CRALT表示飛機(jī)巡航高度，單位為100ft，b0、b1、b2表示經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析下降階段，NOx的排放系數(shù)與巡航高度成三階線性關(guān)系，具體公式如下：CO、CH的排放系數(shù)與巡航高度成反比，具體公式如下：除了經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性是現(xiàn)代飛機(jī)設(shè)計(jì)的重要要求外，飛機(jī)的可靠性和維修性同樣受到關(guān)注。一般的，對飛機(jī)的可靠性、維修性要求主要包括兩大部分，即定性要求和定量要求。本講中主要對基本的可靠性、維修性參數(shù)進(jìn)行介紹，關(guān)于更加詳細(xì)的分析，大家可以參考相關(guān)文獻(xiàn)。需要說明的是平均故障間隔時(shí)間的倒數(shù)稱為平均故障率，有的文獻(xiàn)上也采用這個(gè)參數(shù)。第十一講

經(jīng)濟(jì)性與環(huán)保性分析11.6維修性等需求的分析與驗(yàn)證方法（1）可靠性分析與驗(yàn)證方法產(chǎn)品的可靠度，實(shí)質(zhì)上是它工作到t時(shí)刻不發(fā)生故障的概率，可表示為：平均故障間隔時(shí)間：在規(guī)定的條件和時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品的壽命單位總數(shù)和故障產(chǎn)品總數(shù)之比：此外，我們還需了解故障的分類，在通過必要的分類處理后，才可對像飛機(jī)這樣的復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有針對性的可靠性分析，即根據(jù)不同的分類方式制定相應(yīng)