直升机研制费用估算方法研究现状与发展趋势

2018-06-06 来源: 中国航空报 作者:海涛  0条评论

直升机技术的不断进步和跨带产品的不断出现,对直升机项目的管理要求越来越高。尤其是我国重型直升机已经立项研制,未来国家和政府部门必将会遇到研制各阶段的经费估算、审查以及与国外承包商的合同价款谈判等工作。

VIVACE软件系统

我国直升机产业发展亟待开展研制费用估算研究

航空项目投资大、周期长、难度大、风险高,准确有效地估算并控制费用是项目成功的重要保证。美国、英国、法国等航空发达国家非常重视航空项目研制初期的费用估算和分析,以及项目研制过程中的费用控制、里程碑节点审查和分析。为有效支持研制费用估算,美国、俄罗斯等国家根据本国特点制定了统一的费用统计、计算模式和标准。如美国NASA定期发布费用分析指南,讲述项目各阶段的费用估算模型,以指导航空项目管理人员开展费用分析工作;波音、空客、庞巴迪、西科斯基等航空企业更是各自建立了研制费用数据库,可呈现不同产品、不同阶段、不同分工、细至零件级的材料、人工等情况。

随着直升机产品的蓬勃发展和新技术的应用,其研制阶段的经费投入也不断增加。有数据显示,欧洲研制7吨级的EC175的研制费用约10亿美元,而发展至EH101的研制费用接近35亿美元;美国研制10吨级的UH-60A通用直升机投入研制费用约17亿美元,而发展至重型直升机CH-53K时的研制费用投入超过了50亿美元。世界各国在直升机领域的经费投入均呈现不断上涨的趋势。

我国直升机产业有着60余年的发展历史,目前拥有30多个型号的产品,形成了从1吨级到13吨级较为完整的产品系列,建立起了完整的研发、试验、生产和服务体系。尤其是民用直升机领域,已经自主研制或者合作研制了1吨级AC310民用直升机、2吨级AC311民用直升机、6吨级AC352民用直升机和13吨级AC313民用直升机,逐渐形成了轻、中、大和重型直升机系列化发展的新产品谱系。AC311和AC313的升级改进型号也已启动研制。特别是重型直升机的立项研制,在立项论证阶段、初步设计、详细初步设计、详细设计以及试制、试验、试飞适航等各个阶段,都会涉及经费估算和与国外进行合同商务谈判的工作。

有必要开展直升机费用估算技术研究,构建满足国产直升机技术和管理特点的费用参数体系,形成较为系统、完整、实用的研制费用估算模型库与工具库,作为重要的辅助手段,支撑国产直升机项目准确估算费用、正确分解费用、有效开展费效评估,提高项目费用分析水平。

国外直升机研制费用估算技术总体发展情况

对直升机费用的估算是直升机项目发展的重要工作。评估和分析直升机费用,是直升机项目计划实现的关键因素,也是最敏感的决策参数。通过直升机研制费用的分析,可以在诸方案中选出效能相当、费用合理的设计,并进而对研制各阶段的费用实施控制。根据直升机发达国家的经验,在直升机项目计划的早期阶段需花费10%的总研制时间来进行费用估算和分析。费用、技术可行性、资源可用度与产品需求等诸要素共同构成直升机项目立项的约束条件。直升机研制费用估算用于控制直升机技术参数、控制直升机的复杂程度、鉴别高费用设计、修正设计进程、提高标准化程度等均起着极其重要的作用。一个既合情合理又富有挑战性的低费用目标,可防止不必要的费用增加和资金浪费,同时费用低的直升机在市场上又有强的竞争力,使政府和企业都能得益。

西方一些发达国家在直升机项目中开展了大量的费用分析工作,也公开发表了一些费用估算的理论研究成果和估算方法,并提出了费用估算的发展计划,例如,波音公司有两套实用的按费用设计的程序用于通用战术运输直升机系列(UTTAS)和重型运输直升机(HCH)项目的评估。法国将按费用设计的思想推广到民用直升机的设计中,并在AS350直升机设计中通过简化结构、减少零件数量的途径来达到降低研制费用的目的。美国国家航空航天局(NASA)也对直升机总体设计的重量和费用进行了研究,得出了相关的重量-费用估算关系式。美国PRICE公司开发的广泛用于航空、航天、舰船、兵器和信息化项目的PRICE成本估算系统,以参数估算法为基础,对项目的费用、进度、风险进行估算与控制。美国陆军在上世纪70年代发布的直升机初步设计手册中也给出了用于评估直升机费用-性能权衡研究的方法和模型。同时,西科斯基、欧直、贝尔公司等国外直升机制造商也开发了适用于直升机费用估算的方法和模型。

1.美国NASA的成果

美国NASA设有专门的费用分析机构,并长期致力于航空航天装备的费用估算模型和工具研究。在成果形式方面,NASA定期发布费用分析手册,讲述军民用航空项目各阶段的费用估算模型,目前最新的是2015年版。以历史数据为基础,NASA分别应用类比法、参数法、工程法建立了各种各样的费用估算模型,应用在航空航天项目的不同层次、不同方面。

在直升机费用估算模型领域,NASA于2012年发布了《NASA Design and Analysis of Rotorcraft V1.6》,是NASA在直升机费用分析领域的最新成果。在该成果中,给出了直升机各子系统的设计准则和技术参数选取原则,并给出了直升机整机级研制费用的估算模型,如下所示:

CAF=739.91×KET×KEN×KLG×KR×WAF1.0619*(P/WAF)0.5887*Nblade0.1465

CAF为费用(美元),包括机体、任务设备和飞行控制电子系统的费用。WAF为除去任务设备和飞行控制电子系统空机重量的直升机空机重量数值。Nblade为桨叶数量。

KET、KEN、KLG、KR为常系数,取值方法如下:

①KET=1(配涡轮发动机时);KET=0.557(配活塞发动机时)

②KEN=1(配2台及以上发动机时);KET=0.736(配单台发动机时)

③KLG=1(起落装置为收放式);KET=0.884(起落装置为固定式)

④KR=1(单旋翼);KR=1.057(双旋翼);KR=1.117(四旋翼);

1980年,NASA的MICHAEL N.BELTRAMO和MICHAEL A.MORRIS发表了《Parametric cost estimation applied to composite helicopter airframes》和《Parametric Study of helicopter Aircraft Systems Costs and Weights》,给出了直升机费用估算模型。该模型基于美国研制的30多个直升机型号的技术、费用数据建立。模型将直升机分为18个系统,首先对直升机的各系统的重量进行分析,建立各系统重量估算参数模型,然后根据重量与费用的内在联系,建立各系统费用估算参数模型,进而估算直升机的各系统及整机的费用。

该参数模型按照直升机的结构组成将直升机划分为18个系统,费用项目为这18个系统的费用和总装费用共19项。即:旋翼、尾翼、机翼(如果有的话)、机体、起落架、动力舱、动力系统、飞行控制系统、辅助动力系统、仪器仪表设备、液压系统、气动系统、电源系统、电子设备、内饰设施、空调系统、防冰系统、装卸系统和总装。

形成的模型形式如表所示。

2.美国西科斯基公司的成果

美国西科斯基公司是国外直升机制造商中研究直升机费用模型较为出色的一家。西科斯基公司认为,直升机费用估算过程一般使用数据统计方法建立模型,利用模型对以往的统计数据进行分析。模型的选择要考虑相关的经济理论、可获得的统计数据的具体情况、预测精度的要求、预测经费的限制等制约因素。建立费用估算模型的主要工作之一就是对各种变量的取舍以及对于模型的数学形式的选择进行反复推敲。基于上述考虑,西科斯基公司形成了直升机整机级研制费用估算模型,如下所示:

设计费用估算模型可以表达为:

机体材料费用估算模型可以表达为:

输入参数涉及机体结构重量、最大起飞重量、最大平飞速度、爬升率、航程、研制周期、材料价格影响系数以及工程人工小时费用率等。

建模过程中,美国西科斯基公司将直升机研制费用可分解为下列费用元素:机体工程研制费用,旋翼系统研制费用,动力装置及传动系统研制费用,机载电子设备研制费用,试验和模拟设施研制费用,飞行试验费用,筹措研制资金费用,研制利润费用等。

3.美国贝尔公司的成果

贝尔公司的R.Biggs和J.Key等人在2001年发表的《PC based Development, Recurring Production, and Operating and Support Cost Model User's Guide》中给出了用于直升机费用估算的模型。该模型较详细,通过把总费用分解为各个部件制造和装配费用,确定各个部件的费用与其重量等参数的关系,得到其费用估算公式,从而利用这些估算公式进行直升机研制费用的估算K。

C旋翼系统=1500×W旋翼系统0.7×NB旋翼0.2×K旋翼系统

C尾桨系统=2500×W尾桨系统0.7×NB尾桨0.9×K尾桨系统

C机身结构=10000×W机身结构0.8×K机身结构

C起落架=5000×W起落架0.5×K起落架

C发动机=2000×W发动机0.7×N发动机0.8×K发动机+200HP发动机

C进气道=5000×W进气道0.8×N发动机0.5×K进气道

C传动系统=2500×W传动系统0.9×N发动机0.4×K传动系统

C飞控系统=300×W飞控系统1.0×NB旋翼0.5×K飞控系统

C仪表=1500×W仪表1.0×K仪表

C液压=1000×W液压1.0×K液压

C电气=2000×W电气0.9×K电气

C电子=2500×W电子1.0×K电子

C内部装饰=500×W内部装饰1.1×K内部装饰

C空调=2000×W空调0.8×K空调

C装卸设备=2000×W装卸设备0.8×K装卸设备

C总装=30000×W0.4×N发动机0.9×K总装

P=1.7*(C旋翼系统+C尾桨系统+C机身结构+C起落架+C发动机+C进气道+C传动系统+C飞控系统+C仪表+C液压+C电气+C电子+C内部装饰+C空调+C装卸设备+C总装

其中,W为各系统空机重量,K为各系统修正系数,NB旋翼为旋翼桨叶数量,NB尾桨为旋翼桨叶数量,N发动机为发动机数量。

4.欧直公司的成果

欧直公司在2005年启动了VIVACE(Value Improvement through a Virtual Aeronautical Collaborative Enterprise)计划,其目的是通过开发虚拟的合作工程环境以改善直升机和发动机设计流程。在该计划中,欧直公司建立了直升机全寿命周期费用模型,用于初步设计阶段的方案优化,并开发了辅助设计软件。其中,直升机全寿命周期费用多学科优化设计是该计划中的一项重点子课题。通过VIVACE项目的成功实施,研制总费用降低5%,研制周期缩短30%,新型发动机研制费用降低50%。充分体现了多学科多目标优化和跨部门跨区域协同仿真的优势。在该计划中,建立了用于直升机全寿命周期费用优化的模型和工具。

5.Harris的成果

F.D.Harris在1998年发表的学术论文《Rotorcraft Cost Too Much》中给出了直升机整机级费用估算模型,形式为:

P=295.9×Ki×We0.4638×HP0.5945×NB0.1643

其中,P为研制费,We为直升机的空机重量,HP为发动机功率,NB为旋翼桨叶数量。

Ki为以下几种因素的乘积:Ki=发动机类型×发动机台数×制造国家×旋翼类型×起落架类型。其中,活塞发动机取1,涡轮发动机取1.792;单台发动机取1,多台发动机取1.344;制造国家美国取1,俄罗斯取0.362,欧洲取1.792;单旋翼取1,双旋翼取1.031;固定式起落架取1,收放式起落架取1.115。

6.Johnny J. Gilliland的成果

Gilliland在1979年发表的《THE ESTABLISHMENT OF HELICOPTER SUBSYSTEM DESIGN-TO-COST ESTIMATES BY USE OF PARAMETRIC COST ESTIMATING MODELS》论文中给出了用于直升机定费用设计研究的费用模型,将直升机分为了机体结构系统、旋翼系统、传动系统、发动机系统和电子系统等几个主要组成部分,分别建立了模型。

C机体结构系统=6932.34×Q-0.20248×MGWT-0.85684×

ROC-0.67477×CEIL-0.57836×RPM-0.29445

C旋翼系统=136.4489×Q-0.12173×RWT-0.95723

C传动系统=0.003544×Q-0.12227×HP0.3793×

RPM-0.95752×VT1.10141×TECH-0.46598

C发动机系统=2956.038×Q-0.11696*PWT1.61657×VOL-0.12732×

NE0.58026

C电子系统=30.514×Q-0.08139×ROC-0.60449×HP0.78978×

RPM0.71886

其中,Q为研制样机的数量,MGWT为最大起飞重量,ROC为爬升率,CEIL为实用升限,RPM为发动机最大转速,RWT为旋翼系统重量,HP为起飞功率,VT为主桨叶转速,TECH为技术进步因子,PWT为发动机系统重量,VOL为发动机体积,NE为发动机数量。

7.其他商业公司的成果

为了配合费用估算和分析工作的开展,国外非常注重软件系统的开发和应用。目前,可用于直升机费用估算的软件主要是Price公司、Galorath公司和James Gregory Associates等公司开发的软件。其中,Price公司的Price软件可随着项目的进展由粗到细进行成本估算,与项目管理软件Microsoft Project、工程软件Pro Engineer、设计软件PHX Model Center和Engineous FIPER都能集成在一起。Galorath公司开发的SEER软件可用于产品全寿命周期过程的成本估算,与CAD软件(如CATIA)、项目计划与控制软件都有输入输出接口。James Gregory Associates公司的Dynamic Insight软件可辅助建立产品设计空间和优化设计方案。商业软件的特点是普适性、集成性和融合性。比如Price软件、SEER软件、Dynamic Insight软件并不仅限于直升机使用,导弹、信息系统等都可以使用。

国外直升机研制费用模型特点及发展趋势

从以上综述情况可以看到,国外根据不同直升机项目特点及使用对象应用不同的参数组合,建立了多种研制费用估算模型,其模型特点:第一,参数与直升机项目的特性直接相关。输入参数有的反映直升机的工程特点,如有专用于设计工作的模型、有专用于制造工作的模型、有专用于试验工作的模型等;有的反映直升机的结构特点,如有机体结构系统的模型、旋翼系统的模型、传动系统的模型、发动机系统的模型等;有的反映直升机的技术特点,如机体结构重量、最大起飞重量、最大平飞速度等;有的反映直升机的项目管理特点,如物价指数、材料浮动等。第二,模型可用于不同阶段、不同细分程度。研制费用模型包括了适用于概念设计、初步设计、详细设计等不同阶段,项目整体、项目工作包(如设计试验、样机试制、试飞验证等)、费用单元(如人力、样机、试验件、设备等)、费用参数(如工时数量、材料价格等)等不同细分程度的研制费用估算模型,形成了系统化、体系化的模型库与数据库。

现代直升机市场是三代和四代机并存、五代机验证发展时期。现代直升机设计技术基本是以围绕第四代直升机研发为主的技术。随着第四代直升机和新构型直升机的使用,未来直升机设计技术日益体现出系统工程思维和并行工程思想耦合的特点。未来几十年,直升机技术将进入一个全面综合发展的新时期,主要体现在:旋翼系统和传动系统仍然是直升机的核心技术,空气动力学、系统动力学和先进复合材料及其加工制造技术的进展,使结构更简单,零件数量更少,重量更轻,维护更为简单,全寿命周期成本大大降低。其中,先进复合材料将作为主结构材料应用于旋翼系统、传动系统和机身结构上,复合材料占全机材料重量将达到60%以上,可大大减少零部件数量和结构重量,大幅度提高直升机的可靠性、维护性和使用寿命。

国外直升机费用估算技术的发展与直升机技术的发展将紧密结合,未来的发展方向将是运用系统工程思维,深化直升机立项论证和方案设计阶段的直升机子系统级费用估算方法,尤其是先进复合材料机体费用计算方法及其在直升机综合设计与多学科优化方面的应用。

国内外差距分析

我国在直升机领域开展了一定程度的费用数据采集、参数分析和估算模型构建工作,常用的工程法、参数法、类比法等都有所涉及,也积累了一定数量的研制费用数据。如航空工业发展研究中心在“十二五”期间,借助预研课题,采用工程法和参数模型法建立了直升机整机级研制费用估算模型,形成了国内外直升机技术经济数据库,开发了软件系统,可实现直升机参数法经济性评估、工程法经济性评估和国内外直升机经济性数据查询与对比分析等功能。同时,基于《飞机设计手册 第22册 技术经济设计》中给出的直升机研制费用模型,考虑国内外物价指数因素、货币购买力因素、型号空机重量与研制年代的差异以及新技术、新工艺、新材料的应用对材料费和工时费的影响的基础上进行修正,重新建立起了适用于我国工程应用的模型体系,可用于估算单旋翼带尾桨式直升机的设计试验费、机体试制费(包括材料、工时、工装)和试飞适航费,进而估算出总要研制费。

但是总体来说,国内数据仍然比较零散,模型比较粗放,适用性相对有限,在反映军民区别、模型体系性、与技术特性的结合性以及知识积累等方面,与国外研究技术水平仍存在较大差距。

直升机技术的不断进步和跨带产品的不断出现,对直升机项目的管理要求越来越高。尤其是我国重型直升机已经立项研制,未来国家和政府部门必将会遇到研制各阶段的经费估算、审查以及与国外承包商的合同价款谈判等工作。我国直升机研制费用估算领域的已有成果已经不能满足未来我国直升机项目的评估需求,还需要加大各方面的支持力度,进一步加强相关理论体系和工程应用的研究。

 

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