商用飞机燃油系统直接运营成本分析方法的应用研究

朱德轩+卞刚+张康

【摘 要】商用飞机经济性是影响飞机竞争力的重要因素之一。本文总结了一种评估民用飞机燃油系统经济性的方法——直接运营成本分析，并以假想的某大型飞机燃油系统为分析对象，以系统功能为分析标的，对其直接运营成本进行了分析研究，从经济性角度提出了燃油系统的设计需求。

【关键词】商用飞机；燃油系统；直接运营成本

【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

自二次世界大战以来，民用飞机制造业得益于军用技术的快速转化，进入了高速蓬勃发展阶段。这种技术主导的行业发展在持续约20年之后，民用航空技术的进步已经使得航空飞行由少数冒险家的游戏最终变成了普罗普通大众的日常交通。民用航空业也随之进入了以市场需求为主导的新阶段。商用飞机使用的经济性成为了驱动飞机制造业发展的最重要因素之一。

飞机直接运营成本是飞机经济性的重要衡量标志，它包含飞机运营过程中发生的直接成本：所有权成本、机组成本、燃油成本、维修成本、机场收费、导航收费、餐食费、地面服务费等等。对飞机直接运营成本的分析即称之为飞机直接运营成本分析，简称DOC（Direct Operating Cost）分析。

20世纪90年代始，Van Bodegraven，Scholz等人开始研究并形成了飞机的DOC分析方法[1-2]。一方面，飞机制造商尝试建立DOC分析方法和模型，以用于飞机研制阶段的权衡分析、销售支援过程。国内的民用飞机制造商也开展了初步的经济性分析研究工作[3-4]。另一方面，航空公司和飞机租赁公司也建立了自己的DOC分析模型，作为飞机采购的重要分析工具之一。

燃油系统DOC，顾名思义，即飞机使用过程中由燃油系统工作所发生的相关成本。这里的燃油系统DOC是基于飞机DOC的裁剪，不包含诸如机组成本、机场收费、导航收费、餐食费等不随燃油系统构型变化的部分。

本文对燃油系统的DOC分析方法进行了初步研究，并通过对一典型飞机燃油系统的DOC分析，探索了在燃油系统工程研制过程中将经济性纳入考量的方法和初步结论。

1 燃油系统DOC分析方法

燃油系统的DOC主要包括：系统设备折旧成本DeprSYS、燃油消耗成本FuelSYS、直接维修成本DMCSYS、航班延误和取消损失DelaySYS、备件成本SHCSYS。计算公式是：

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

可以看到，燃油系统DOC分析中隐含了系统设计的各方面要素对经济性的影响：

重量对飞机油耗的影响，包含FuelSYS中；

燃油泵等设备所需的功率提取对飞机油耗的影响，包含在FuelSYS中；

系统维修性的影响包含在DMCSYS中；

系统可靠性的影响包含在DMCSYS、DelaySYS以及SHCSYS中；

系统价格的影响包含在DeprSYS和SHCSYS中。

1.1 系统设备折旧成本

折旧成本是将飞机燃油系统作为固定资产，在其使用寿命内，按照特定的方法对应计折旧额进行系统分摊。本文采用的是最简单的直线折旧法：

其中，Price是系统设备价格，很显然，对于飞机制造商和飞机运营商来说，该价格输入是两组不同的数据，本文中价格采用飞机制造商价格；Residual是系统残值，反映了该系统的设备在寿命期末的可再利用价值，本报告取系统设备价格的10%；N是折旧年限，本报告分析中取15年。

1.2 系统直接维护成本 DMC

系统的直接维修成本DMC包括系统使用过程中因检查、维护产生的硬件更换维修费用、人工费用以及相应耗材的费用。

典型的DOC分析中，DMC一般采用Scholz提出的方法进行计算：

其中，δ是考虑故障发生次数的概率因子，MMHon是原位维修工时：包括航线上的一般目视检查、详细目视检查，以及对故障设备进行的测试、拆卸、更换等维修工作。MMHoff是离位维修工时：特指在维修车间内，对故障设备进行的离机测试、修理和翻修工作。LR是人工费率。MC是维修耗材费用。

1.3 燃油消耗成本

燃油消耗成本，是由于系统本身造成的飞机燃油消耗，其组成部分比较复杂，包括由于系统自重导致的燃油消耗成本，系统工作状态下引气和功率提取所增加的燃油消耗成本，以及系统的某些突出于飞机表面的设备引起额外的阻力带来的燃油消耗成本。对于燃油系统主要考虑前面两部分：

其中，mi是每次飞行的燃油消耗量，FP是燃油价格，FPY是每年的飞行架次。

1.4 航班延误和取消损失成本

航班延误和取消损失成本随着延误的严重程度变化很大，不同程度延误发生的概率本身也有非常大的差异，因此一般需进行分类考虑。

其中：D1，D2，D3，Dc分别是系统发生引起延误1到29分钟、30到59分钟、60分钟以上、航班取消的故障的概率。C1，C2，C3，Cc则是对应系统故障引起的损失。FPY是每年的飞行架次。

对这部分成本的分析将随着系统研制和安全性分析工作的深入而逐步细化，且延误和取消损失很难有统一标准，本文中暂不分析。

1.5 备件成本

航材备件成本和诸多因素紧密相关，包括机队规模、航材采购费用、客服管理效率等等。机队规模越大，周转时间越快，备件比例越低，越有利于降低每架飞机的备件费用。因此，该指标更多受航空公司运营水平的影响。在本文分析中暂未分析。

2 典型飞机的燃油系统方案

本节给出了一种假想的大型飞机燃油系统概念方案。

2.1 燃油系统功能

通常来说，典型的民用飞机燃油系统具有以下6大功能：

1）燃油贮存：存储飞机所有燃油，并提供相应的地面排液措施；

2）燃油箱通气：为燃油箱等区域提供通气，防止油箱憋压或者超压；

3）加放油：提供地面加油/放油功能；

4）供油：在飞机包线内各种工作状态下为发动机和APU提供其正常工作所需的燃油，以及提供相应的供油转输的功能；

5）应急放油：在特定紧急情况下，能够实现快速空中放油，降低飞机重量，满足紧急着陆的安全性要求；

6）油量测量和燃油管理：实现对燃油油量测量和监控，实现对燃油系统设备工作的管理和监控。

2.2 燃油系统方案

假想的燃油系统概念方案如下图，主要特点包括：

1）采用五油箱构型，两侧机翼内侧油箱各设置一个集油箱，在机翼油箱外侧设有通气油箱；

2）通过右侧机翼前缘的加油接头可实现对每个油箱的加/放油操作；

3）供油系统采用转输架构，每侧集油箱各设两台交流电动泵，为同侧的发动机提供燃油，同时系统具有交输供油能力。中央翼设有两台转输泵，可通过加油/应急放油总管将中央翼油箱燃油转输至机翼油箱；

4）在机翼油箱内设置独立的应急放油泵，在应急放油状态下，它们和位于中央翼的两台转输泵同时打开工作，燃油通过加油/应急放油总管，从安装在机翼尾缘的放油嘴放出；

5）油量测量系统通过设置于油箱内的油量传感器、油位传感器、密度计、补偿传感器等部件实现对燃油油量的测量和监控。

6）燃油管理系统基于来自驾驶舱的操作信号以及飞机各系统的输入对各泵、阀等部件实现自动和手动控制，同时实现对燃油系统工作的监控。

3 直接运营成本分析

本节对上述燃油系统概念方案进行了DOC分析。鉴于数据敏感性的问题，本节分析对所有数据进行了无量纲归一化处理，仅以百分比的形式显示其相对关系。

本节通过对燃油系统6大功能对应的直接运营成本的分析，探索在燃油系统工程研制过程中提高系统经济性的方法和手段。

3.1 直接运营成本组成分析

对燃油系统概念方案进行DOC分析，分析内容包含三部分：折旧成本、DMC成本以及燃油消耗成本，分析结果如图2。可以看到，对于燃油系统来说，DMC成本是系统直接运营成本的主要部分，其量值约占2/3；其次是燃油消耗成本，约20%，最小部分是折旧成本，约16%。

很明显，基于以上成本组成的分析结果，相对于价格因素和重量因素，燃油系统的维修性和可靠性是制约系统经济性的最大因素。如何通过在系统架构权衡时考虑更高的可靠性，在系统概念设计和详细设计时优化系统和部件的维修性，是提高燃油系统经济性最重要的途径。

3.2 折旧成本分析

进一步对系统的折旧成本进行分析，以燃油系统6大功能为分析标的，研究实现每个功能的子系统的折旧成本占比，分析结果如图3。

燃油测量和管理功能的折旧成本占比最大，约29%。该系统包括数量众多的电容式油量传感器、油位传感器、温度/压力传感器、密度计以及大量固有安全特质的线缆。这些设备长期浸泡在燃油中，经受诸如燃油腐蚀、高低温变化等挑战。恶劣的工作环境对系统和部件的研制提出更高的要求，导致部件研制等级高，验证项目种类繁多，验证要求苛刻。此外，作为整个燃油系统的神经中枢，测量和管理系统内辖加载软件的计算处理单元和数据集中单元。相应的软件和复杂电子硬件均应按照DO-178和DO-254进行开发和验证。另外，由于25.981条款对于燃油箱点火源防护的要求，整个燃油测量系统的部件需满足严格的燃油箱防爆的要求，杜绝高能能量进入油箱，同时满足闪电防护、静电防护、电磁防护等一系列要求。在保证系统性能要求的前提下，使用数量尽可能少的传感器，避免复杂的燃油管理功能是降低这部分成本的有效途径。

供油功能的折旧成本占比22%。供油系统包括了大量各类泵、阀。尤其对于安装在油箱内的交流燃油泵，不仅需要稳定可靠工作保障供油安全，还需要满足防爆要求，研发成本不菲。必要的验证试验包括冲击、振动、电源输入、电压尖峰、雷击感应、干转、空启、转子锁定、叶片阻滞、结冰等。应尽可能使用现有的货架产品，降低非重复性成本在交付产品中的分摊比例。

加油功能占比20%，通气功能占比19%。这两个功能和供油功能有一个共同特点，其对应的系统具有大量的管路及连接件。以通气系统为例，初步分析显示，其通气管路的折旧成本可占到整个通气系统折旧成本的70%。在这方面，通气长桁作为通气管路的替代技术值得重点研究，可有效消化部分成本。

应急放油功能所占比仅6%，主要原因是方案中实现应急放油功能的大量设备和管路和供油系统、加放油系统复用。如中央翼内应急放油泵即是供油转输泵，其折旧成本折算至供油系统；放油总管即加油总管，其折旧成本折算至加油系统。对于应急放油系统，其主要折旧成本发生在燃油泵，通过优化系统性能和架构避免设置独立的应急放油泵，可作为有益的研究方向。

贮存功能占比4%，主要包括排液阀、片状单向阀等机械部件。这部分产品相对较简单，成本占比最低。

3.3 DMC组成分析

降低直接维修成本是提高燃油系统经济性的最重要途径，对6大功能的直接维修成本分析结果如图4。

首先，分析显示燃油测量和管理功能的直接维护成本占系统直接维护成本的47%，占燃油系统总直接运营成本的30%。控制和减少这部分维护成本对于提高燃油系统经济性有着不言而喻的重要的意义。主要优化设计需求包括：

1）减少部件数量：兼顾维修性与测量精度、可用性、完整性的要求，尽可能采用较少传感器实现系统设计目标；同时，可采用功能复合集成的设计，如将温度传感器集成于油量传感器上；

2）提高部件可靠性：对于数字式传感器等新技术，需谨慎评估其性能和可靠性；

3）减少排故定位耗时：系统应可对每个油量传感器进行自检测，以提供准确的故障定位和隔离，避免复杂的排故程序；

4）减少接近耗时：油量传感器安装应尽可能靠近维护口盖，尽量避免接近传感器时还需要拆装其它部件；

5）减少拆装耗时：油量传感器应能实现快速分离/连接，安装硬件应为通用标准类型；

6）减少安装调试耗时：部件在安装完成后应不需要进行调整和标定即可使用。

其次，需要重点关注的是供油功能，约占30%。其主要组成部分是燃油泵、电动阀等设备的维护成本。由于持续长时间工作，燃油泵故障率也相对较高。也正因此，典型的燃油泵采用泵壳、芯分离式设计，实现了在不进入油箱的前提下快速更换泵芯。切断阀也同样采用阀体和作动器分离式设计。此外，应谨慎使用无刷电控直流燃油泵，其ECU会显著降低燃油泵整体的可靠性。

第三部分是应急放油功能，占比12%。其主要构成与供油功能类似，方向是优化燃油泵阀的设计。

加油、通气功能对应的直接维护成本占比分别为8%和0.1%，明显小于各自的折旧成本占比（20%、19%），主要原因是这两个系统中管路所占的价值成本较高，而本分析中认为管路系统与机体同寿，忽略了其直接维护成本。

3.4 燃油消耗成本组成分析

对燃油系统6大功能的燃油消耗成本分析结果如图5。

这部分主要是系统自重导致的燃油消耗成本。注意到，具有大量管路系统的通气、加油、供油系统占据总成本的3/4。采用聚醚醚酮PEEK材料的轻质复合材料管路可有效降低这部分成本。尽管PEEK材料管路一次采购费用相对较高会增加折旧成本，但通过初步分析，当PEEK材料管路价格落在普通6061铝管价格2倍的范围内，使用PEEK材料管路即更具经济性优势。

4 总结

DOC分析是民用飞机燃油系统经济性分析的重要方法之一。本文总结了适用于燃油系统DOC分析方法，并通过对一套燃油系统概念方案的DOC分析，研究了典型燃油系统的直接运营成本的构成比例，并提出了相应的优化设计方向。其中重点是提高燃油测量管理系统和供油系统的维护性和可靠性，通过降低这两个系统的直接维护成本，可显著提高整个燃油系统的经济性。

后续应继续研究完善DOC分析中其它部分的计算模型，优化算法，建立相关数据库。并在系统概念设计阶段，通过DOC分析的应用，更有效地开展技术方案的权衡对比。这对于改善技术方案经济性，降低后期运营维护成本有着重要的意义。

【参考文献】

[1]G. Van Bodegraven. COMMERCIAL AIRCRAFT DOC METHODS[R]. AIAA 90-3224.

[2]SCHOLZ， Dieter： DOCSYS – A Method to Evaluate Aircraft Systems. In： SCHMITT， D.（Hrsg.）： Bewertung von Flugzeugen（Workshop：DGLR Fachausschu？覻 S2- Luftfahrt systeme， München， 26./27. Oktober 1998）. Bonn： Deutsche Gesellschaft für Luft- und Raumfahrt， 1998[Z].

[3]陈迎春.民用飞机直接运营成本（DOC）方法与应用[J].中国科技成果，2013，15.

[4]张康，叶叶沛.美国市场直接运用成本（DOC）计算分析方法应用研究[J].民用飞机设计与研究，2012，3：41-48.

[责任编辑：杨玉洁]