航空经济学及面向价值的飞机设计理论与实践

宋文滨

上海交通大学 航空航天学院， 上海　210020



航空经济学及面向价值的飞机设计理论与实践

宋文滨*

上海交通大学 航空航天学院， 上海210020

摘要:全球化的市场竞争是商用飞机产业的重要特征之一，对安全性、舒适性、经济性和环保性指标的不断追求推动着技术的不断进步及产业链的全球化发展。在飞机设计中，对经济性的考虑在航空技术和型号发展中的作用越来越突出，也是中国航空产业发展面临的重大挑战因素之一。在新技术研发决策及其在型号中的应用中，经济性考虑始终是决策的关键因素，本文综述航了空经济学的研究范畴和主要分析方法，及其对飞机概念设计、结构设计和系统选择等主要决策的影响，面向价值的设计理论和方法在飞机设计中的实践。希望本文的发表可以促进航空经济学的发展，相关方法可以在型号设计的最优综合评价中发挥作用，实现涵盖时间成本在内的综合评价指标最优的方案。可以预期，航空经济学的发展有助于提升中国航空制造业在竞争越来越激烈的全球航空产业链中的竞争力。

关键词:飞机设计； 技术经济学； 航空经济学； 价值工程； 面向价值的设计

航空运输业的持续发展推动世界经济发展，目前的世界民机市场是产业链全球化加速发展和相对垄断并存的市场，呈现出整体稳健增长的态势，特别是亚太地区对商用飞机持续增长的需求。对飞机环保指标以及燃油效率的持续追求成为飞机技术发展的主要推动力之一[1]。与此同时，国际战略态势的演变也在推动国防航空技术快速发展，系统复杂性的增加使得新技术的研发和应用成本越来越高，不但受到全球整体经济环境的影响，对中国航空产业技术能力保持持续快速跃升也带来了挑战，使得航空经济学问题的研究越来越重要，特别是研发投入的创新效益及在型号的市场价值实现方面，需要持续开展相关理论和应用的研究[2]。

与其他类型产品相比，一个国家或制造商的不同飞机项目之间通常具有明显代差，同时由于飞机项目的研制周期和使用寿命长，因此研制费用高，单一型号研制的成败甚至决定了制造商的生存能力。与此同时，商用飞机对市场和用户需求的适应性决定了其市场竞争力，未来市场趋势的准确预测，型号参数的优化和项目的有效管理对项目的市场成功具有深刻的影响。然而，国内外航空制造企业的型号实践经验却不止一次表明，在复杂的型号研制中实现设计目标、市场需求、技术先进性和商业利益的综合决策过程中所面临的巨大挑战。航空产品的研制中技术跨越式发展的特征显著，长期技术研发投入带来的经济负担以及新技术应用对飞机型号选择的潜在风险，未来经济环境和市场的不确定性以及竞争对手的应对措施都是需要在项目进展中持续考虑的因素。在传统学科布局中，关于项目和技术经济性的研究统称为技术经济学，但其作用更多地体现在项目早期及评审过程中，在设计全寿命过程中后期的作用往往限于财务状况的监控与管理，很多情况下，由于项目更改所带来的财务和时间成本无法承受，导致针对项目的决策选项非常有限，因此需要在项目初期和全寿命周期有效管理项目的技术和经济指标，确保可行和可控的前提下实现项目对各方利益的最大化或价值损失的最小化。

航空产业链涵盖飞机制造商、供应商、用户以及监管部门，大致分为民用航空和国防航空，其中民用航空产业对国民经济发展具有重要的推动作用，目前已经发展为军用和民用技术各有所长、相互促进的态势。同时，航空技术的研发主体覆盖型号制造商、专业研究所以及高等院校等。技术研发的经济性指标的层次化、关键指标、分析方法以及应用框架也成为长期决策的重要内容，对战略性的竞争力发展至关重要。

经济性数据的分析是开展航空经济学研究的重要基础，依赖于长期的数据积累和有效的分析方法。一些典型的数据包括：各国航空研究项目的投入水平的历史变化，型号更新的速度；军机和民机型号的入役和投入商业运营的时间；单机价格的变化趋势；直接使用成本和现金使用成本的构成及变化；航空公司的盈利水平的变化；民用飞机机队的历史数据和未来趋势预测；系统供应商的变化；飞机油耗的历史趋势，发动机技术发展趋势(包括提升关键参数的技术研发成本估算)，不同技术成熟度的研发投入和周期等。

在飞机项目研制中需要通过开展技术经济分析和评估，经济性指标的多样性和不确定性对开展长期的技术经济评估带来了挑战，合理的指标需要综合考虑整个产业链中制造商、使用方以及供应商的利益，并能够推动技术和产业进步，满足最终用户的需求。

在项目的经济性评估中可以使用的指标包括单机价格，项目成本和使用成本等，这些指标在型号研制和项目决策中都有一些应用，但是不同指标的应用也存在差异，主要体现在不同经济性指标的侧重点不同，例如使用单机价格指标开展优化得到的产品往往忽略了使用成本，导致其运营成本缺乏竞争力，而对项目总成本的控制则有利于制造商在设计决策中综合考虑所有权成本和使用成本的综合权衡。

在飞机研制的全产业链中，不同阶段的价值主体不同，关注的经济性指标也不同，市场因素对价值链不同价值主体间的价值分配起到均衡作用，实现全产业链价值的最优化是实现制造商利益最大化的必要条件，而技术的先进性以及在型号设计中的最优化应用是核心内容。

全产业链中不同价值主体对价值的定义不同，分析方法不同，其应用方法也有差异。本文通过全面综述全寿命框架内价值的概念和分析方法，发展和完善对飞机设计方案以及关键技术成本和周期进行评估的研究。

本文的目的是综述航空经济学的理论和实践，为学科的发展及应用提供相对完整的框架，推动价值驱动的飞机设计方法的发展。航空经济学研究既涵盖宏观内容，需要考虑广泛的环境背景，例如国际战略和经济形势，民机制造产业链模式，国防合同管理方式，民机和发动机使用及维修的商业模式，以及技术研发投资模式等都对技术研究和产品研发都有深远的影响。同时，航空经济学也涉及微观内容，例如结构布局选择，特定技术的工程决策等对经济性的影响。宏观因素对飞机项目的影响复杂，同时由于飞机项目的时间跨度大，技术和市场不确定性高，可以归结为战略成本或风险成本。主要考虑因素包括：①国际及地缘因素；②经济环境，例如GDP总量以及年增长率，燃油价格波动等；③技术能力以及产业链发展；④航空专业人才的培养。经济性设计方法在微观领域的应用考虑对飞机总体、结构和系统参数的优选，结构设计，性能优化，系统供应商选择等。此外，全球化的产业链布局的发展使得传统的面向单一指标的经济性设计方法需要进一步的发展，考虑全产业链的价值定义和优化，及如何使其在不断变化的市场生态环境中处于有利的位置。

本文在总结传统的技术经济学科的内容基础上，介绍航空经济学的主要内容和相互之间的关系，并与飞机设计过程的讨论紧密结合，有助于发展飞机设计综合性评价体系、基于系统工程的设计流程和方法，并可对未来飞机项目的发展起到借鉴作用。本文的主要贡献体现在以下3个方面：①综述现有的技术经济学研究的方法论;②型号应用的分析、不足和需求;③航空经济学的未来发展方向。

1飞机设计方法和流程

航空设计技术的历史实践表明[3]，经典的飞机设计过程一般分为具有显著特点的3个阶段(概念、初步和详细设计)，这一划分方法可以比较准确地反映飞机设计过程的主要特点，概念设计阶段的主要任务在于针对需求定义确定飞机的总体方案和参数，包括大量不同的设计方案的对比研究，这一基本特点要求该阶段使用的分析模型具有较高的计算效率，一般是基于以往设计经验和试验数据的经验理论公式，通过多次迭代逐渐逼近，这一迭代过程中模型和数据的精度不断提高。初步设计阶段则进一步完成主要部件的参数设计和飞机性能及主要系统的确定。详细设计阶段所有部件和系统参数细节的参数定义，为全机制造、总装和试飞提供数据。虽然3个设计阶段各有显著的特点，但3个阶段的划分却缺乏明确和统一的节点，往往存在一定的交叉和重叠，虽然如此，但是跨阶段的设计迭代则是应该避免出现的，否则对项目进展会带来严重的影响。

中国航空飞行器的研制程序一般包括5个阶段：方案论证、方案设计、工程研制、设计定型和生产定型。概念设计、初步设计和详细设计的任务主要集中在上述5个阶段划分方法的前4个阶段。美国NASA系统工程手册将复杂系统的研制按照全寿命周期的框架划分为如下7个阶段[4]：

1) 概念研究阶段(Pre-Phase A: Concept Studies)。

2) 方案和技术开发阶段(Phase A: Conceptand Tech Development)。

3) 初步设计和技术实现阶段(Phase B: Preliminary Design and Tech Completion)。

4) 最终设计和工程研制阶段(Phase C: Final Design & Fabrication)。

5) 系统总装、集成与试验(Phase D: System Assembly, Integration & Test)。

6) 使用和维护阶段(Phase E: Operations &Maintenance)。

7) 退役与处置阶段(Phase F: Closeout, Disposal of Systems)。

其中前4个阶段中体现了概念设计、初步设计和详细设计3个阶段的明显特征，7个阶段的划分方法也体现在项目全寿命周期成本分析方法的建立中。

在工程实践中通常使用现代的项目管理软件(如DOORS[5]),通过一系列评审实现整个设计过程和设计方案的管理和控制。同时，在目前及未来的型号发展中则需要更高可信度的基于物理规律的多学科仿真模型来实现复杂约束条件下的优化决策，其中包括发展和使用更精准的经济性分析模型来实现项目的目标管理、成本控制以及进度控制等，以实现飞机项目、设计方案综合价值最优的总体目标。典型的飞机项目成本曲线如图1所示。图中给出了计划成本和典型的实际成本曲线。项目初期的需求定义和总体方案优化可以影响或锁定整个项目成本的70%以上，而项目设计更改或纠错成本也随着项目的进展越来越高，更加凸显高质量需求管理和设计决策的时效影响。这一规律不但适用于军机项目，也同时适用于商用飞机项目。

图1典型的飞机项目成本曲线
Fig. 1Typical cost curves of aircraft projects

传统飞机优化设计中，在追求综合性能最优的同时，虽然可以通过考虑重量最轻或油耗最小来兼顾成本因素，但由于飞机项目的长周期特点和新技术应用，以及宏观经济环境发展的不确定性，采用飞机全寿命成本框架下的经济性分析方法可以更加全面地考虑飞机项目成本，并通过关联参数分析与优化决策，实现更好的成本控制，以及制造商和使用方的利益平衡。全寿命成本方法不仅适用于飞机研制领域，对大型工程或国防项目同样适用。

飞机项目具有周期长、投资高、新技术密集等一般特点，长周期特点带来的技术、需求和市场不确定性为项目的商业成功带来挑战，需要采用动态管理的方法。国外对各种不同飞机项目的全寿命周期研究具有较长的历史，发展了多种方法，常用的方法包括类比法、工程法以及参数法[6]，其中类比方法的可信度取决于类似机型数据的长期积累，工程法是一种自上而下的方法，通过工作分解结构(Work Breakdown Structure, WBS)和成本分解结构(Cost Breakdown Structure, CBS)对工作包和成本项目进行逐级分解汇总，得到总项目的全寿命成本估算；参数法将飞机项目的主要特征和性能参数与成本关联，该方法使用简单，对类似技术条件下的类似机型的成本估算适用性好。在实际项目的成本估算中，一般需要综合多种方法，并开展相应的不确定性和风险分析。

单机成本的估算一般通过发展一系列的成本估算关系式(Cost Estimation Relationship，CER)，这些关系式一般是基于特定机型的技术成本数据和主要特征性能参数，统称为工程参数法[7]，各种不同经济性指标的估算是飞机设计过程中的重要环节。飞机设计从基于试验和经验数据的流程向基于物理仿真模型的多学科综合方向发展，经济性模型也成为综合优化的必要指标，与飞机的性能指标共同参与对飞机参数的优选。

2航空经济学研究内容

飞机项目的技术经济性分析是传统技术经济研究的主要内容。而本文关注的航空经济学的研究范畴超越传统技术经济学领域中的成本分析，不但涵盖航空产品及技术经济性分析，而且进一步纳入航空运营经济性，以及产业经济等方面的内容，如图 2所示。

图2航空经济学研究范畴
Fig. 2Research scope of aero-economics

图3航空业的主要利益相关方
Fig. 3Stakeholders in aerospace industry

航空经济学重点从价值链角度分析在设计、制造、运营等全寿命周期框架内实现包括制造商及运营商在内的整个产业链中各利益相关方的价值,航空产业领域主要的利益相关方如图3所示。航空经济学的具体研究内容包括航空制造商的产品技术经济性分析、竞争性分析、产业链管理、技术合同管理，以及航空运输领域中的需求分析、成本指数、维修成本、竞争性分析等内容，甚至还包括航空产业经济学相关的产业链分析等，如图 4所示。

对商用飞机市场价值的分析主要关注的需要考虑的因素既包括与飞机性能相关的参数，也包括与市场相关的参数，两类影响因素的主要内容如表1所示。两类参数之间存在相互影响，型号的商业成功需要实现技术指标和市场需求的有效匹配，同时具有很强的时效性和针对性。

航空经济学的研究既可以服务于宏观目标，包括监管方的研发战略、产业政策、适航规章及税收政策的制定，和制造商的长远技术研发决策及型号发展决策，以及运营方的长期机队规划等，也可服务于微观决策，例如制造商有关新技术的经济性分析及设计优化、运营方的定价策略等。同时，还涵盖制造商的项目成本(人力成本，设备折旧，技术研发投入)，研发成本的计算方法及在技术研究和型号发展中的应用等。

考虑全寿命周期框架下的不同价值主体采用的不同经济性指标是贯穿航空经济学研究的主线，也有助于形成不同价值主体之间价值联系的基本框架，需要关注的一些基本内容包括：各项成本费用的估算方法，包括运营费用估算方法；费用主体的分割及影响；现金流量和资金的时间价值概念等。

图4航空经济学具体研究内容
Fig. 4Specific research areas of aero-economics

表1影响商用飞机价值的主要因素

Table 1Aircraft value retention factors

PerformancedrivenfactorMarketdrivenfactorAircraftspecificationOrderbookAirframetechnologyMarketpenetrationEnginetechnologyProductlift-cycleSystemSurplus/shortageAircrafteconomics2ndmarketprospectsAircraftfamily/technologyFinancingenvironment

通过航空经济学的研究，有利于实现发展更加灵活的项目组织模式，性价比更高的技术研发模式，更优化的型号设计方案3大目标，并提供一种有效的评价模式。其中项目研发模式，供应链模式，以及技术水平对项目成本及竞争性的影响在本地化和全球化并存趋势下的影响；低成本运营模式对方案设计的影响；公共资金对不同飞机项目研制影响及时间成本和价值实现问题都是目前制造商取得市场成功的关键问题(项目延期对成本的影响估算)。

3经济性指标体系及估算方法

确立明确和有效的经济性指标是开展经济性分析和设计的基础和依据，不同的飞机型号，评估方的差异，以及评估的目的差异都影响评估指标的选择，并对评估的最终效果产生影响。本节基于现有的多种经济性指标，主要从飞机方案和飞机项目两个角度阐述飞机的经济性指标，并分别涵盖军机、民机产品和项目在评估指标选择上的异同，Curran等对不同的经济性估算方法进行了综述[8]，并与系统工程方法相结合，发展了飞机结构制造成本的参数关系式[9]。

3.1型号经济性指标及估算方法

对飞机经济性指标的评价可以使用全寿命经济性或使用经济性，前者主要用于军机项目，后者一般用于民机项目。军机项目的成本一般根据固定价格-收益激励以及风险共担的方式确定，是国防合同管理的重要内容。而对于主要由市场定价的民机型号，航空公司关心的直接使用成本中既反映了飞机研制的成本因素，又包含了飞机的使用成本因素。而制造商期望改善飞机使用成本的同时降低飞机的研制成本。一般来说，两者之间存在着此消彼长的关系，飞机使用成本的降低需要新技术研发的持续投入，会推高飞机的研制成本，结合市场因素达到两者之间的平衡是飞机项目优化决策中面临的主要矛盾。

军机项目采用全寿命成本的概念和方法进行经济性的分析和评估，目前最常用的方法是美国RAND公司发展的针对不同机型的系列方法[10-11]，但在实际应用中需要参考实际经济环境考虑具体参数的确定，这一方法已经广泛应用于其他类国防项目，也可用于新材料对飞机成本影响的分析[11]。全寿命成本可以划分为4个主要的成本项。

1) 研发成本(非重复成本)。非重复成本包括以下各阶段发生的成本：概念设计、初步设计和详细设计；机体结构和系统的实验和验证；适航验证和试飞；新工艺的开发；工装的设计和制造等。

2) 制造和采购成本(重复成本)。重复成本包括以下各阶段发生的成本：原材料、发动机和设备成品的采购；机体制造；飞机总装；产品质量控制和批生产试飞等。

3) 运营成本。运营成本包括运营期间的所有权成本(利息、折旧费和保险)、现金运营成本(燃油费、空勤费、维修费、起降费、导航费、机场收费等)和间接成本。

4) 处置成本。处置成本是指飞机进入处置阶段发生的成本。飞机可能转售或租赁给其他用户经营，或改装成货机，或被封存/解体。

商用飞机的运营经济性是其核心竞争性指标，基于航空公司财务数据的统计结果受到航空公司财务报告制度的影响。飞机的运营经济性的衡量指标包括直接运营成本和间接运营成本，其中前者又分为现金运营成本和与资本有关的成本，运营经济性的不同成本构成之间的典型对比方法如表2所示。

航空公司的运营成本一般使用可用座公里的直接使用成本来描述(DOCper ASK,CASK)，与航段距离有关；其收益的单位为每座公里的收益(Revenue per ASK ,RASK)，与季节、航段距离有关。竞争机型的运营经济性对比通常需要针对相同的参考任务航段进行，并结合航空公司的运营模式开展针对性分析。随着低成本航空运营模式的不断扩展，需要系统化的研究低成本模式的含义及其对飞机设计的影响。

商用飞机的各项成本和飞机的设计方案、技术水平以及运营环境有关，针对150座级单通道飞机的典型数据和影响因素的基本规律如表2所示。针对涡轮螺桨支线飞机、喷气支线，单通道和双通道飞机的运营成本的分解也各有差异。有关运营经济性的详细分析可以参考一系列的研究文献[12]。

经济性指标的分析方法需要根据宏观经济环境以及实际运营环境的发展不断得到更新，并及时反映航空公司运营模式、技术发展带来的影响。例如，可以针对低成本运营、多机型系列化模式，以及特定技术方向等专题发展特定模型及应用。

飞机制造商和运营商使用的经济性分析方法各有不同，常用的一些方法如表3所示[13]，在飞机设计方案对比分析和优化过程中，应该采用类似的方法。

表2商用飞机航段运营成本主要构成

Table 2Elements of trip operational cost of commercial transport aircraft

CostelementValueFactorandrelationPilotcost13%Blockhours,linearCabincrewcost2%Fuelcost18%Stagelengthandaircraftweight,linearOwnershipcost33%Maintenancecost13%AirframeandengineAirportfees16%AircraftweightandsizeATCcharges1%AircraftweightInsurance4%PurchasepriceTripcost100%Stagelength,seatcapacity

表3常用的运营经济性分析方法[13]

Table 3Commonly used methods for operational economic analysis[13]

OwnerMethodDescriptionManufactures(confidential)AI(C)Airbus(commercial)AI(P)Airbus(project)OPCOSTBoeingRRRollsRoyceAirline(confidential)Dependentoncharacteristicsofair-lineoperationsTradegroup(publicdomain)ATAAEAAmericanTransportAssociationAossociationofEuropeanAirlines

3.2项目经济性指标及估算方法

飞机项目经济性是影响制造商盈利的关键指标，也是成本控制的主要落脚点，但通常又和提升飞机的性能和竞争力所需的研发努力之间存在相反的关系。此外，飞机研制的特点使得飞机项目的成本控制存在挑战，参考图1给出的飞机项目的成本和现金流曲线，飞机项目的经济性指标应该基于飞机全寿命成本框架建立，主要包括飞机的研制成本，单机成本与价格，飞机项目的现金流，以及盈亏平衡点等。

在上述飞机项目经济性指标中，研制成本、单机成本可以同时用于国防类和商业类飞机项目的经济性分析，可以采用4.1节中全寿命成本框架内的分析方法完成，单机价格、盈亏平衡点以及现金流分析则适用于商用飞机的经济性分析，和市场环境密切相关，其中，商用飞机的市场价格受到机型技术、市场环境、地缘政治、制造商战略以及飞机残值等因素影响，相对目录价格存在20%～60%的折扣，平均折扣在45%左右，对制造商的现金流和盈亏平衡具有深远的影响。在直接使用成本、资本成本项的估算以及经济性对比分析、飞机价格一般使用目录价格。

飞机项目的经济性评估还需考虑航空产业对科技实力提升、产业发展以及国家竞争力的战略影响，包括对宏观经济指标的贡献程度，以及在国际航空产业中的竞争力评估等指标[14]。这些因素的考虑构成了项目的战略和风险成本分析，在项目初期的重要性尤为重要。

3.3经济性数据体系

飞机经济性研究需要高可信的数据，既包括来源于工程部门的技术数据，也需要使用方的运营使用和维护数据，不同的数据的汇报形式不同，主要的分析方法包括计量经济学方法，基于经验数据的统计方法，以及基于工程原理的方法等。

建立经济性数据体系，需要长期的和广泛的原始数据积累。一些主要的数据源包括：有关美国航空运输业的US DOT Form 41[15]以及一些衍生产品，例如航升(Ascend)与OAG的数据库产品[16-17]。此外，也有一些在行业组织[18-19]、学术和公众领域的数据源[20-21]。与国际水平相比，我国在有关航空经济性数据的完整性和可达性方面还存在一定的差距，规范包括制造商和运营商在内的行业数据报告制度是提高航空经济学研究水平的重要基础。

在大量工程与运营数据的基础上，通过长期积累和持续的分析，建立经济性数据体系及相关的数据分析方法，是经济性分析工作的重要支撑。也是发展经济性分析方法的重要依据。

4经济性设计和价值驱动的飞机设计

飞机设计过程是一个不断迭代、逐渐逼近的过程，在对未来市场以及国防需求分析的基础上，商用飞机技术指标和军机的战术技术要求是设计迭代的出发点，结合技术水平的发展，确定和不断细化飞机的设计方案。在这一迭代过程中，将单一经济性指标作为设计迭代的优化指标，构成飞机的经济性设计。但是，在飞机全寿命周期中，以及目前产业链国际化分工的背景下，不同利益方对经济性指标的定位存在差异，因此需要将经济性设计推向更加全面的价值驱动的设计理论和方法。

随着价值主体的变化，价值的衡量指标以及驱动因子不同。飞机制造商的价值实现的核心在于能够在满足用户价值实现需求的条件下，实现自身价值的最大化。因此，分析相关利益方的价值指标、驱动因子以及和飞机设计及研制过程中相关决策的关系至关重要。本节在介绍经济性设计的基础上，讨论价值驱动设计的内涵和外延，与飞机设计的关系，过程管理和价值实现的方法。

飞机项目的价值最终体现是在能够满足使用方(国防部/航空公司)和最终用户(军方/乘客)的需求的同时，为制造商带来收益(固定收益或市场收益)，同时满足适航当局等监管方的约束条件。

在设计阶段对不同价值主体的考虑不但需要增加新的分析模型，还需要考虑其对飞机设计流程的影响，在多学科技术的基础上，将系统工程和价值工程方法同更加完善的模型与数据有机结合，形成更加有效的设计和组织管理流程，更好地满足个寿命周期内不同价值主体的需求。

4.1飞机设计与经济性

在飞机经济性分析中，军机和民机经济指标的分析流程分别如图 5和图 6所示，其中给出了在经济性指标分析中，不同输入参数的来源和模块之间的关联关系，经济性指标的计算方法可以参考第3节。可以进一步将经济性分析的方法和模块融入飞机设计流程，如图 7所示，并在常用的飞机设计软件中实现面向飞机经济性的综合设计，采用这一流程方法和设计工具，可以完成一系列的经济性分析和设计工作，概括起来，可以包括：

1) 飞机概念优选和参数优化，如针对特定航线结构的最小成本优化；基于经济性的公务机设计[22]，NASA飞行测试平台的概念设计[23]，以及空中出租车(Air Taxi)设计方案优化方法[24]等。

2) 飞机结构优化，如考虑飞机和费用的综合优化[25]，结构制造成本的更精确估算方法[26]等。

3) 飞机系统选择，飞机系统选择及其对成本的影响可以采用全寿命成本的方法[27]，也可以采用使用成本为研究飞机系统参数和特征设计的方法[28]。

4) 发动机选择的成本分析，如发动机设计对飞机全寿命使用成本的影响[29]，发动机部件成本的估算方法[30]，基于系统工程方法的发动机全寿命成本分析[31]。

图5商用飞机经济性设计流程
Fig. 5Design flowchart for economy of commercial aircraft

图6全寿命成本经济性分析流程
Fig. 6Design flowchart for life cycle cost (LCC) based economic analysis

5) 先进技术的经济性评估，如新技术应用对商用飞机运营成本和全寿命成本的经济性影响评估[32-33]，以及对飞机发动机采购成本的影响等[34]。

目前开展的较多的飞机经济性研究及应用一般聚焦于单一经济性指标和相对较少的设计参数及学科方向，面向多指标和全系统的综合性经济性方法研究及更加深入和广泛的应用，是未来经济性需要重点关注的内容之一，特别是需要考虑更高环保性要求对未来技术发展和型号研制的潜在影响。

图7飞机经济性优化设计
Fig. 7Aircraft design optimization for economics

4.2价值主体和价值定义

单一的经济性指标，甚至基于多项经济性指标综合的技术经济分析逐渐难以满足对飞机型号和项目开展市场和技术经济分析的需求，也无法满足设计决策方法对数据和评估准则的需求，面临着更加多变的市场环境和国防需求中，以及长达40年的项目全寿命周期，做出最优的决策需要考虑价值主体演化过程中对价值实现的不同需求，特别是战略性决策的价值分析显得尤为重要，从而实现如图3所示的主要利益相关方之间的平衡，提高项目成功的概率。这也是实现面向价值(Value-Driven Design, VDD)的航空设计的核心理念之一[35]，价值驱动的设计是经济性设计的延伸，可以更好地综合飞机项目不同价值主体的利益，VDD所采用的框架如图 8所示。

飞机型号对不同价值主体的典型价值指标不同，可以借鉴全寿命周期的成本框架结构，使用不同的经济性指标来反映。

1) 制造商。飞机型号及项目的价值主要体现在技术特征、单机成本、项目成本和现金流3个方面。

2) 运营商。飞机的价值主要体现在运营成本(包括飞机的购买价格或租金，维护成本等)、净现值、以及盈利能力方面，进而影响运营商的市场竞争力。

3) 部件或系统供应商。结构成本、系统性能特征、单系统成本以及市场价格。

4) 发动机提供商。发动机性能竞争力、价格和使用维护成本。

5) MRO供应商(维护，修理与大修)。维护维修方法、人力资源成本、维修规划和事件规划以及质量管理方法。

不同价值主体在价值指标定义上的差异对飞机总体参数、性能指标、布局、结构设计以及系统方案等有不同的要求，在整体价值体系的定位和权重不同，并可能随着市场环境而变化。

4.3价值工程飞机设计方法-框架、工具和环境

商用飞机取得市场价值的关键在于满足市场需求的同时降低成本，而创新设计带来额外的附加价值，却意味着更多的研发投入，增加的成本会侵蚀部分的创新附加价值，却相对容易通过超成本定价取得补偿。对成本的分析以及潜在收益的估算是做出新技术融入决策的重要依据。

从一定程度上来说，价值驱动的飞机设计和传统的性能驱动的飞机设计的不同点在于设计目标的转换。在传统飞机性能分析和约束分析的基础上增加了不同的经济性分析模块，并与飞机的设计参数关联，可以对包括经济性指标在内的综合指标进行优化权衡，而价值工程方法是经济性设计的进一步延伸，价值工程方法的实现需要研究的内容包括理论体系[36]，设计方法和流程，以及工具和环境[37]，价值驱动的设计过程和方法如图8所示。

在飞行器设计中VDD方法和多学科优化方法(Multidisciplinary Design Optimization, MDO)的紧密结合是其应用于型号设计的必要条件之一。多学科方法为不同学科之间实现参数级和数值仿真模型级的紧耦合提供了前提，而价值驱动的设计流程则提供了综合性的设计指标体系和设计方法及流程，将对各种指标的要求通过严谨的分析方法和流程，有效传导至飞机的设计参数级，为设计工程师的设计决策，特别是早期的设计决策提供了更好的依据。采用VDD方法的飞机设计方法及应用包括无人机的研制[38]、商用飞机设计[39]、公务机[40]以及航空公司运营[41]和新技术的价值评估[42]。

图8价值驱动的飞机设计过程和方法
Fig. 8Value-driven aircraft design process and methods

4.4应用实例

基于经济性指标的飞机方案、部件、或系统的设计优化方法不仅仅是工程设计部门关注的领域，也是航空院系设计类专业方向研究的重点内容之一。国际上，美国MIT，英国Cranfield和Southampton等大学分别和工业界合作开展了一系列的面向经济性的方案、部件和系统的经济性研究，国内南京航空航天大学余雄庆等开展了复合材料经济性影响分析[43]，上海交通大学航空航天学院分别开展了民用飞机经济性分析方法研究[44]、面向环保性和经济性的民机方案优化[45]、新技术应用的经济性评估[46]，以及制造和维修成本方法的研究等[47]。

4.4.1概念设计流程的实现

基于飞机概念设计的基本方法和流程，建立飞机参数和性能特征参数的关联关系和程序实现，是开展飞机概念迭代优化的基础，现有一系列的飞机概念程序(例如VSP[48]、ADS[49]、RDS[50]、AAA[51]等)可以完成飞机概念设计中的参数分析和性能计算等，这些软件工具各有特点，但是在实现整个设计流程的集成，特别是与其他软件集成时面临一些挑战[52]。本文提出一个层次化的、以数据和方法为中心的集成框架，既能够满足设计流程实现所需的集成需求，又具有进一步发展方法的灵活性。可视化功能则利用MATLAB来实现。这一框架如图 9所示。在这一框架内，通过集成不同的分析方法模块和优化分析及决策模块，可以实现多目标和多约束的飞机概念设计的参数优化。

图9飞机概念设计方法集成框架
Fig. 9Integration framework for conceptual aircraft design

4.4.2面向环保性和经济性的优化设计

用这一集成环境和商用飞机的直接使用成本(Direct Operating Cost,DOC)及全寿命周期成本(Life Cycle Cost,LCC)分析方法、基于Fink[53]和Guo[54]的噪声分析方法，以及典型发动机排放计算方法，可以实现面向商用飞机经济性和环保性的飞机概念优化[45]，以典型的单通道商用飞机为例，其主要设计参数、DOC、排放及噪声指标之间的主要关系如图 10所示。

采用遗传算法等优化方法，可以得到设计参数针对经济性和环保指标的优化结果，如图 11和图 12所示，图中分别给出了经济性和环保性指标之间的变化趋势关系。这一研究从飞机方案设计的层次分析主要设计参数对飞机环保性和经济性的定量分析结果。例如发动机涵道比(Bypass Ratio,BPR)的不断提高是未来飞机燃油效率提升的重要参数之一。

图10主要设计参数与经济性和环保性指标之间的关系[45]
Fig. 10Correlations of major design parameters with economic and environmental characteristics[45]

图11直接使用成本(DOC)和噪声指标之间的关系
Fig. 11Relationships between direct operating cost
(DOC) and noise

图12DOC和排放指标之间的变化趋势
Fig. 12Trend of variations between DOC and emission

4.4.3新技术的经济性评估

在未来机型的发展中，对环保性的指标要求不断提高，是驱动新技术发展的主要因素之一，而新技术对飞机设计带来的影响需要考虑包括经济性指标在内的综合指标影响。

在一系列降低噪声和发动机排放的技术手段中，发动机技术的持续改进是其中之一，例如更大涵道比涡扇、桨扇等主要的发动机选项可以提供更低的油耗，却需要投入更高的研发成本，进而提高了飞机的单机价格，必然反映在DOC指标的提高上。

此外，现有机型也需要通过技术更新保持其市场竞争力。利用飞机设计参数和飞机环保指标的关联关系，通过考虑潜在新技术对参数的影响灵敏度，可以分析新技术的影响，服务于技术研发的中长期决策。例如，发动机的油耗参数SFC (Specific Fuel Consumption)对飞机全机DOC/COC(Cash Operating Cost)的影响可以通过上述方法得到，其典型变化趋势如图 13所示。

图13SFC变化对全机DOC/COC的影响分析
Fig. 13Effect of SFC variations on aircraft DOC/COC

5提高飞机经济性的技术因素分析

对于商用飞机来说，从直接使用成本的角度出发，通过分析各种不同成本项的构成以及主要影响因素，可以从飞机总体设计的角度，针对提高民机经济性的主要手段，综合技术发展水平和市场需求，做出相应的技术决策，达到改善飞机市场竞争力的目的。其中一些主要的影响因素包括：

1) 结构重量

①结构布局设计

②新材料的使用

③结构优化设计

④更先进的系统设计与布置

2) 发动机技术

①燃油效率

②推进效率，例如通过使用桨扇构型等

3) 空气动力设计技术

①减阻措施，包括层流控制以及减少诱导阻力的技术

②变弯度设计

③流动控制技术

④新型气动布局设计

4) 先进增升装置概念

①轻质结构与简化机构设计

②新型增升装置

5) 航电与飞控系统

①降低静稳定度下的飞行控制率设计

②主被动载荷控制

6) 维修技术

①结构/系统状态监测

②基于状态的维修技术

6结论

本文结合飞机总体设计，综述了航空经济学研究的主要范畴和具体研究内容，包括不同的经济性指标、估算方法，并融合飞机的综合指标体系和设计过程的主要特点，详述了将不同经济性指标和飞机设计过程有机结合的方法和案例，并进一步阐述了在飞机全寿命周期框架下考虑价值驱动的飞机设计方法、二者之间的异同，以及其在飞机设计参数优化以及新技术评估中的典型应用和面临的挑战，为进一步开展相关研究提供参考框架和基础。

致谢

感谢2011届硕士研究生莫庆华、吴慧欣，2012届和2014届硕士研究生赵曼和赵楠在研究生学习和科研过程中对相关内容所作的贡献。相关项目得到中国商用飞机有限责任公司的持续资助。

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宋文滨男， 博士， 副研究员。主要研究方向： 飞行器设计， 计算空气动力学， 计算声学和航空计算智能。

Tel: 021-34207065

E-mail: swb@sjtu.edu.cn

Received： 2015-10-02; Revised: 2015-10-19; Accepted: 2015-10-29; Published online: 2015-11-0215:00

URL： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1500.010.html

Foundation items： National Large Civil Aircraft Project Research (11GFH-ZD0510, 10GFZ-ZZX-017)

Aero-economics and value-driven aircraft design methodology and applications

SONG Wenbin*

School of Aeronautics and Astronautics, Shanghai Jiao Tong University,Shanghai210020, China

Abstract:Global competition is one of important features for commercial aircraft industry and increasing demands on less environmental impacts, improved safety and comfort levels and economy are the main drivers for new technology development and industrial chain globalization. Economics has become one of the increasingly important factors in the development of aerospace technology and products, and also one of the challenging issues for the aerospace industry in China. In the decision making process for new technology research and development and its applications in product development, economic consideration has always been one of the critical factors. The paper first describes the scope of the aviation economics, theories and methods used in typical analysis of aircraft economic indicators including direct operating cost for commercial aircraft and life cycle cost for defense projects.The paper also discusses the effects of different economic indicators on the conceptual aircraft design, structural design and choice of system supplier. Example applications areprovided in the paper in areas of aircraft conceptual design with both economic and environmental implications as well as the assessment on how future new technologies will affect the various cost values of the design. It is hoped that this review will promote the development of techno-economics, and some of these methods can be used in the comprehensive evaluation of optimal designs with economic indicators including time related cost. It can also be expected that the development of aero-economics should be able to promote the development of Chinese aerospace supply chain in an increasingly globalized industry.

Key words:aircraft design; techno-economics; aero-economics; value engineering; value-driven design

*Corresponding author. Tel.： 021-34207065E-mail: swb@sjtu.edu.cn

作者简介：

中图分类号：V221

文献标识码：A

文章编号：1000-6893(2016)01-0081-15

DOI：10.7527/S1000-6893.2015.0293

*通讯作者.Tel.： 021-34207065E-mail: swb@sjtu.edu.cn

基金项目：大型客机专项研究(11GFH-ZD0510, 10GFZ-ZZX-017)

收稿日期：2015-10-02; 退修日期: 2015-10-19; 录用日期: 2015-10-29; 网络出版时间: 2015-11-0215:00

网络出版地址： www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20151102.1500.010.html

引用格式： 宋文滨. 航空经济学及面向价值的飞机设计理论与实践[J]. 航空学报, 2016, 37(1): 81-95. SONG W B. Aero-economics and value-driven aircraft design methodology and applications[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2016, 37(1): 81-95.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn