民用飞机价值驱动设计中的经济性需求

宋杨

摘要： 在民用飞机价值驱动设计的流程中，经济性需求是设计流程的出发点。从项目型号规划、相似机型水平、航线运营成本和航空发展规划四个方面对民用飞机的经济性需求做了分析。描述了民用飞机的经济性设计域，为民用飞机设计开展价值驱动的设计流程提供输入。

Abstract： Economy requirement is the starting point in the value driven design process of the civil aircraft. The economy requirements of the civil aircraft are analyzed from the aspects of project management， similar aircraft， airline operating cost and the aerospace plan for the next generation. The domain of economy design is indicated as the input of the value driven design process of civil aircraft.

关键词： 经济性需求；价值驱动设计；运营成本

Key words： economy requirements；value driven design；operating cost

中图分类号：V221 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）19-0017-03

0 引言

民用飞机产业在突出技术创新和型号发展的同时，以经济性为主要指标的市场竞争能力越来越受到重视，民用飞机面临全球市场竞争，经济性是民机市场竞争性的核心指标之一，具备较低的成本、优良的经济性是飞机取得商业成功的必要条件。

民用飞机经济性是民用飞机省钱盈利能力的表征。从主制造商的角度而言，民用飞机经济性目标主要由两点构成，一是要更加经济地设计飞机；其次是设计经济性好的飞机。更经济地设计飞机，确定了项目成本基线，保证在项目资源能力范围内实现项目，可以防止亏空，有力保证项目成功；设计经济性好的飞机，降低飞机的使用成本，增强飞机在航线上的盈利能力，使航空公司愿意运营该型号的飞机，则是民用飞机商业成功的重要因素[1]。

飞机的经济性是设计出来的。研究表明，在民用飞机的概念设计阶段，虽然人工和费用的投入较低，但决定了飞机全寿命成本的65%。当初步设计结束时，全寿命成本的85%已经基本锁定，构型冻结后的设计更改代价更是巨大。所以，在飞机设计中尽早开展经济性设计极为重要[2]。

当前，民用飞机的经济性设计，正在由传统的单一经济性指标约束的设计，转变为综合主制造商、运营商等多方面利益考虑为导向的价值驱动设计[3]。本文着重研究捕获价值驱动设计的经济性需求，给出了经济性需求捕获的来源，描述了价值驱动设计中飞机设计的设计域。

1 价值驱动的民机设计

价值驱动设计是使用经济学理论将系统工程转化为更为优化的应用，以推动改进大系统设计[4]。使用需求灵活性、正式优化和数学价值模型来平衡性能、成本、进度和其他重要的指标从而尽可能的产生最好的结果的一种改良设计方法。

价值驱动的设计流程如图1所示，这个设计流程以需求/价值为起点，将所要求应满足的需求或价值目标转化为设计指标，基于该设计指标的约束，建立相应的飞机构型。对飞机的构型进行建模、分析、仿真、测试，进行飞机构型的全面评估，最后形成评估结论和优化意见，迭代、确认初始的需求或价值目标[5]。

这里价值目标是通过建立价值模型所衡量价值的多属性目标函数，它将多属性集合转化为单一维度的数字价值，价值模型的构建对于价值驱动设计的成功至关重要。在飞机经济性设计中，价值模型的构建基础，就是经济性需求的捕获。经济性需求是整个价值驱动设计流程的初始输入[6]。

2 民用飞机经济性的需求的捕获

民用飞机级经济性需求总结而来就是多挣钱，少花钱。对于航空公司而言，飞机的经济性起码要符合现有航线运营成本要求。对于主制造商而言，飛机设计制造的成本要尽可能低，最好应在政府研制项目经费范畴以内将项目设计完成。在设计中，为了保障飞机的商业成功，所设计型号的使用经济性应达到同类竞争机型的水平。

同时，由于民用飞机研制周期较长，一般可达十年。随着民用飞机的产品水平不断发展，对于预研型号而言，型号的设计要满足民航行业的发展规划。综上而言，民用飞机的经济性需求来源于型号项目规划、竞争机型的水平、航空公司航线运营成本和航空行业发展规划。

2.1 型号项目规划

由于我国民用飞机研制采用的是国家重大专项的支持方式。这种方式是典型的项目推动型发展模式，是由民机的设计研制经费来源于国家支持的重大项目，通过重大项目的立项来推动民机的设计研发以及相关技术和产业的发展。项目的研制经费直接约束了产品设计和生产的相关成本。

在这种体制下，由国家以工信部项目的形式拨款，支持飞机项目的研制和生产政府部门对于项目的批准立项有固定的资本投入，财务部的批复确定了飞机项目宏观的成本范围。所以，我国的民用飞机设计是有成本约束的设计。

项目经费是有限而宝贵的。有了经费支持，就有了资源可以调用。项目成本控制是民机型号要实现项目成功的关键。设计决定成本，成本控制应该从设计源头开始。在设计阶段，将项目经费作为经济性需求之一，进行自上而下的分解，实现指标分配，可以优化设计成本，节约资源。

2.2 同类机型水平

民用航空市场是一个自由竞争的市场，航空公司是以盈利为目的来购买、运营飞机的。在同等座级和航程的情况下，飞机的直接运营成本越低，飞机使用经济性就越好，在市场竞争中就存在有更多的优势。所以同类竞争机型的使用经济性是民机设计的重要参照。一般而言，一种新的机型要打入市场，其直接运营成本要低于竞争机型10%-15%。

同时，成熟的主制造商在一系列型号的完成之后，对飞机系统认识应该有较为深刻的认识，建立了设计自身的核心能力。对系统架构、系统性能指标、系统适航验证等一系列设计活动所造成的设计研发成本规模有经验性的认识。

在设计新型号时，系统成本的经济性指标可以依据先前的型号经济性经验给出初步的期望，作为系统成本估计的参考。

2.3 航线运营成本分析

航空市场的需求，是飞机主制造推出新项目并从市场获得商业利益的立足之本。在航线运营中，航空公司必须深入研究航空市场的特点，选择适合的机型和经营模式，才能获得理想的经济利益。航空公司在航线运营的成本从侧面反映的航空市场对于民用飞机的经济性需求。

运营经济性分析工作，是民用飞机设计优化的基本输入，也是开拓市场的重要基础。作为民航客机，其运营经济性无疑成为全球运营商和竞争对手关注的焦点。民用飞机主制造商需要全面分析全球和中国的民用航空运输运营的市场环境出发，调研民用飞机在航线上的运营数据，从中研究降低运营成本和提升运营经济性的途径和方法。

航线运营成本中，与飞机设计指标紧密相关的为燃油成本和维修成本。以维修成本为例，就应注意考虑影响航线直接维修成本和间接维修成本因素，例如：①承包商维修成本；②定检维修；③可达性；④可靠性；⑤故障识别/检测；⑥容错性；⑦维修性；⑧特殊/独特的地面保障设备和自动测试设备；⑨飞机勤务（服务、加油、清洗等）。

2.4 未来航空发展规划

美国联邦航空局（FAA）通过世界民航空发展预测与和趋势分析，针对未来空中运输的需求，国内航空当前的能力，以及技术发展的趋势，提出了民用航空运输发展技术发展规划NextGen（The Next Generation Air Transportation System）。

欧洲航空局（EASA）针对世界航空运输发展需求，针对欧洲航空运输需求分析，面向欧洲航空2020年赢得全球领导者目标，提出欧洲一体化和空中交通管理SESAR（Single European Sky ATM Research）计划。

两个航空发展规划在效率和环保方面，对2020年的民用飞机提出了新的要求[7]。

2.4.1 效率方面

根据美国FAA的NextGen和欧洲SESAR发展规划，到2020年航空运输需求相对2008年翻一番，而基础机场设施能力发展在7%左右。因此，必须大幅度提升和改进当前航空运输的效能、效率和可用性，满足航空运行业高速增长的需求。其对新一代民机提出以下需求：①提升空域能力，增加飞行密度，增强空域和机场设施利用率（30%-50%）；②改进飞行品质，提升飞行效率，增强飞机能力和飞行效能（15%-30%）；③增强感知能力，提升飞行可用性，实现全天候条件下飞行的能力（37%）。

2.4.2 环保方面

NextGen和SESAR中期规划，使新一代航空运输应该是更加节省燃油、更加减少排放和更少的噪音，降低飞行费用、提升设备利用率和减少基础设施投资。其对新一代民机提出如下能力要求：①建立动态飞行航迹协同能力，提升空域利用率，减少飞行低效管理；②建立连续爬升、巡航和降落过程，提升飞行过程效率，减少飞行时间；③建立授权自主管理能力，充分利用和适应环境能力，提升飞行效率。新一代的航空规划，一方面对是对空管系统提出了新的要求，另一方面对飞机的航电系统、燃油动力系统也提出了新的挑战。未来航空的发展规划确定的民机发展技术要求[8]。这种要求使得型号在研发中，必须导入新技术、新材料和新工艺，提升飞机型号的技术水平。

3 经济性设计域

政府部门对于项目的批准立项明确了项目的规划，确定了项目宏观的成本范围。通过市场部门和航线运营商、机场交通部门的沟通，可以明确飞机航线运营成本和竞争机型的水平。通过解读行业发展规划，通过主制造商和审定方（FAA、EASA等）以及其它主制造商的沟通和交流，可以得到市场对未来机型的要求。

如图2所示，需求捕获的四个层面提供了经济性设计域的四个边界条件：项目立项规划代表成本约束，确定了经济性设计的上边界；航线运营成本和竞争机型水平是设计中需要参考的基准面，确定了经济性设计的下边界；特别的，在预研型号中，航空产业规划提供了未来行业发展的技术水平要求，为确保预研型号的商业成功，可以将航空产业规划作为技术水平要求，形成左边界。四种条件最终确定了民用飞机经济性设计的设计域，共同确定了飞机经济性设计的顶层需求[9]，为飞机设计提供了需求输入。

4 结论

民用飞机的经济性需求，既有来自于市场的需求，也有来自于主制造商自身的需求。市场需求是民用飞机推向市场的窗口，而主制造商自身的需求，是主制造商盈利的内在需求，属于项目需求。本文从项目经费规划、技术水平要求，航线运营成本和竞争机型水平这四个方面给出了民用飞机经济性需求捕获的来源，确定了民用飞机的经济性设计域，为飞机的总体设计提供了经济性相关的设计输入。

参考文献：

[1]陳迎春，李晓勇，宋文滨.商用飞机的经济性设计[J].民用飞机设计与研究，2014（1）：1-5.

[2]叶叶沛.民用飞机经济性[M].成都：西南交通大学出版社，2013.

[3]Collopy， P. D.， and Hollingsworth， P. M.， "Value-Driven Design，" Journal of Aircraft， 2011， 48（3）：749-759.

[4]Collopy， P.D.， Aerospace System Value Models： A Survey and Observations. AIAA SPACE 2009Conference & Exposition， 14-17 September 2009， Pasadena， California.

[5]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.

[6]NASA. NASA system engineering handbook， NASA/SP-2007-6105[R]. Washinton D. C. ： NASA， 2007.

[7]王璇.新一代空管技术与民航安全高效发展[J].中国民用航空，2011（06）.

[8]吕小平.推进空管新技术应用促进民航持续安全发展[J]. 空中交通管理，2009（07）.

[9]SAE ARP4754A， REV.A（R） Guidelines for Development of Civil Aircraft and System， US， 2010.