鄭 玲
(中國航發(fā)貴陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所,貴陽 550081)
隨著航空技術(shù)的進(jìn)步和空戰(zhàn)模式的變化,未來戰(zhàn)爭對空中作戰(zhàn)平臺的作戰(zhàn)能力提出了更高要求。軍用航空發(fā)動機(jī)作為各類空中作戰(zhàn)平臺的動力裝置,為有效支撐空中作戰(zhàn)平臺在強(qiáng)對抗作戰(zhàn)環(huán)境獲得空中優(yōu)勢,需要采用大量先進(jìn)技術(shù)不斷提升發(fā)動機(jī)的性能水平。然而大量新技術(shù)的引入,在帶來航空發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的同時,也會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)全壽命周期費用(LCC)攀升。此外,航空裝備不僅需要保持性能優(yōu)勢,也需要保證一定的裝備數(shù)量,而航空發(fā)動機(jī)過高的成本將嚴(yán)重阻礙高性能航空裝備的大量部署和長遠(yuǎn)發(fā)展,更無法適應(yīng)裝備高消耗的未來戰(zhàn)爭。為此,以美國為代表的西方航空發(fā)達(dá)國家,開始把經(jīng)濟(jì)可承受性作為評價航空發(fā)動機(jī)設(shè)計水平高低的關(guān)鍵指標(biāo),要求發(fā)動機(jī)在設(shè)計開發(fā)過程中,在追求性能的同時也要充分考慮裝備的經(jīng)濟(jì)性,確保全壽命周期內(nèi)成本可控。
本文闡述了軍用航空發(fā)動機(jī)裝備經(jīng)濟(jì)可承受性的內(nèi)涵、主要內(nèi)容和研究現(xiàn)狀,總結(jié)分析了業(yè)內(nèi)在提升軍用航空發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性方面所采取的措施,并結(jié)合國內(nèi)實際,提出了我國在航空發(fā)動機(jī)裝備經(jīng)濟(jì)可承受性發(fā)展方面應(yīng)實施的舉措。
經(jīng)濟(jì)可承受性概念起源于美國。冷戰(zhàn)結(jié)束后,美國防務(wù)預(yù)算大幅消減,為降低裝備成本,美國先后開展了定費用設(shè)計、全壽命周期費用等工作,將建設(shè)經(jīng)濟(jì)可承受性的國防提升到戰(zhàn)略高度。根據(jù)美國國防部《國防采辦指南》,經(jīng)濟(jì)可承受性定義為采辦項目的全壽命周期費用與國防部或國防部各部門的長期投資和部隊結(jié)構(gòu)計劃協(xié)調(diào)程度的度量[1]。在《國防采辦指南》中,美國國防部明確要求:國防項目的里程碑決策者在每個決策點上都要考慮經(jīng)濟(jì)可承受性,重大國防采辦項目和重大自動化信息系統(tǒng)項目在里程碑B和C必須進(jìn)行經(jīng)濟(jì)可承受性評估。經(jīng)濟(jì)可承受性作為裝備研制的重要指標(biāo),在各國大力推動下逐步成為各類新型航空裝備發(fā)展計劃或項目的重要研究方向之一。
根據(jù)美國國防部采辦管理要求,經(jīng)濟(jì)可承受性包括經(jīng)濟(jì)可承受性考慮、經(jīng)濟(jì)可承受性評估、全額資助、費用作為獨立變量(CAIV)4個方面:
(1) 經(jīng)濟(jì)可承受性考慮。
經(jīng)濟(jì)可承受性考慮在整個聯(lián)合能力集成與開發(fā)系統(tǒng)(JCIDS)需求過程中能力需求識別方面發(fā)揮著重要作用。經(jīng)濟(jì)可承受性是確定關(guān)鍵性能參數(shù)(KPP)、能力開發(fā)文件(CDD)、能力生產(chǎn)文件(CPD)等方面的一部分。
(2) 經(jīng)濟(jì)可承受性評估。
經(jīng)濟(jì)可承受性評估的目的是證明項目的預(yù)計資金和人力需求符合現(xiàn)實需要且是可實現(xiàn)的。美國國防部《國防采辦指南》確定了2種方法來實施經(jīng)濟(jì)可承受性評估,即項目年度資金計劃分析和基于全壽命周期費用或其他類似計劃的單位成本比較。
(3) 全額資助。
美國國防部的一項政策是,所有的國防采辦項目都需尋求全額資助。對于里程碑B的主要國防采辦項目(MDA),里程碑決策機(jī)構(gòu)(MDA)必須以書面形式向美國國會證明該項目在未來幾年國防計劃(FYDP)內(nèi)獲得了全部資助。項目資助不穩(wěn)定是項目過程成本、進(jìn)度和效益不穩(wěn)定的三大原因之一。
(4) 費用作為獨立變量。
費用作為獨立變量是美國國防采辦項目用于獲得和實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可承受性的方法。該方法是基于設(shè)定積極的、可實現(xiàn)的全壽命周期費用目標(biāo),并對這些目標(biāo)進(jìn)行必要的性能和進(jìn)度權(quán)衡的方式來實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可承受性的目的。費用目標(biāo)需綜合權(quán)衡采辦項目任務(wù)需求與年度預(yù)計資源,也需考慮美國國防部和工業(yè)界預(yù)期的流程改進(jìn)。
2.2.1 國外研究現(xiàn)狀
經(jīng)濟(jì)可承受性概念一經(jīng)提出,就引起了廣泛關(guān)注。世界主要航空強(qiáng)國均已著力在武器裝備采辦過程中積極推進(jìn)經(jīng)濟(jì)可承受性工作。美國相繼在F-35 戰(zhàn)斗機(jī)、B-21 遠(yuǎn)程轟炸機(jī)等重大裝備項目中明確提出經(jīng)濟(jì)可承受性指標(biāo)要求。在航空發(fā)動機(jī)研制領(lǐng)域,在發(fā)動機(jī)初始設(shè)計階段就已將經(jīng)濟(jì)可承受性考慮其中,將其與研制周期、發(fā)動機(jī)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)置于同等重要的地位。俄羅斯留里卡設(shè)計局在研制AL-41F發(fā)動機(jī)時提出,該型號的全壽命周期費用應(yīng)比上一代的AL-31F 發(fā)動機(jī)低25%[2];法國更是將M88-2發(fā)動機(jī)項目全壽命周期內(nèi)的經(jīng)濟(jì)可承受性作為該項目成功與否的評價指標(biāo)。為了在航空發(fā)動機(jī)中貫徹經(jīng)濟(jì)可承受性的理念,GE公司開發(fā)了一套具有人工智能技術(shù)的輔助費用估算程序ACE,而后又將智能化的費用估算方法繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn),形成了COMPEAT$TM模型[3];普惠公司開發(fā)了EAGLE全壽命周期費用分析模型[4],作為評價先進(jìn)技術(shù)發(fā)動機(jī)全壽命周期費用的基礎(chǔ);羅羅公司發(fā)起了旨在建立費用計算能力的DATUM項目[5],以支持產(chǎn)品研制周期內(nèi)的設(shè)計決策;俄羅斯也開發(fā)了含有9 個發(fā)動機(jī)費用估算模型及計算機(jī)程序的航空發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)分析評估軟件。
2.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀
受發(fā)動機(jī)技術(shù)及產(chǎn)品落后的影響,我國在航空發(fā)動機(jī)裝備經(jīng)濟(jì)可承受性方面普遍缺乏深刻的認(rèn)識和充分的研究。航空工業(yè)發(fā)展研究中心是我國最早開展航空發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性研究的機(jī)構(gòu)之一,已建立了發(fā)動機(jī)成本數(shù)據(jù)庫,開展了發(fā)動機(jī)成本費用估算方法研究等工作[6];國防科技大學(xué)基于CAIV 方法建立了發(fā)動機(jī)性能與總擁有費用的綜合權(quán)衡模型框架,可用于發(fā)動機(jī)設(shè)計參數(shù)與費用的決策[7];中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司利用多元線性回歸理論建立了參數(shù)法成本估算模型,可用于對項目研制早期費用的快速估算[8];中國航發(fā)湖南動力機(jī)械研究所根據(jù)航空發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性的定義,建立了渦槳發(fā)動機(jī)方案階段的經(jīng)濟(jì)可承受性技術(shù)指標(biāo)體系和全壽命周期費用指標(biāo),研究了渦槳發(fā)動機(jī)全壽命周期費用估算方法[9];中國航發(fā)沈陽發(fā)動機(jī)研究所也針對航空發(fā)動機(jī)研制費用的測算模式、測算方法、測算流程及影響因素等做過研究分析[10]。總體看,國內(nèi)在航空發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性研究方面多停留在理論分析和概念階段,工程應(yīng)用研究相對缺乏。
經(jīng)濟(jì)可承受性概念革新了航空發(fā)動機(jī)使用、研制等人員對航空發(fā)動機(jī)全壽命周期費用控制的認(rèn)識,經(jīng)濟(jì)可承受性業(yè)已成為航空發(fā)動機(jī)發(fā)展戰(zhàn)略中的重中之重,為此采取了多種措施迎接其帶來的挑戰(zhàn)。
(1) 制定戰(zhàn)略規(guī)劃,加強(qiáng)對發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性的需求引導(dǎo)。
軍用航空發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性,可以追溯到1988年由美國各軍兵種聯(lián)合發(fā)起的“綜合高性能渦輪發(fā)動機(jī)技術(shù)”(IHPTET)計劃。該計劃從第二階段開始將經(jīng)濟(jì)可承受性納入到概念發(fā)動機(jī)的研究中,目標(biāo)是通過IHPTET 計劃技術(shù)研究,將發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性達(dá)到基準(zhǔn)發(fā)動機(jī)的3 倍以上[11]。在IHPTET計劃后,出于戰(zhàn)爭經(jīng)濟(jì)性、可持續(xù)性、高戰(zhàn)爭能力儲備以及維持經(jīng)濟(jì)強(qiáng)勢戰(zhàn)略考慮,美國又實施了“多用途經(jīng)濟(jì)可承受先進(jìn)渦輪發(fā)動機(jī)”(VAATE)計劃,力圖將發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性達(dá)到基準(zhǔn)發(fā)動機(jī)的10倍[12]。VAATE計劃中,航空發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)可承受性為推進(jìn)能力與全壽命周期費用之比,其中推進(jìn)能力用單位油耗下的推重比(功重比)來衡量。2016年,美國軍方與工業(yè)界又啟動了“支持經(jīng)濟(jì)可承受任務(wù)能力的先進(jìn)渦輪技術(shù)”(ATTAM)計劃[13]。在該計劃中,美國延續(xù)了對發(fā)動機(jī)低成本目標(biāo)的要求,繼續(xù)將強(qiáng)經(jīng)濟(jì)可承受性作為項目的重要研發(fā)目標(biāo)。
總結(jié)美國三大國家級航空發(fā)動機(jī)預(yù)研計劃,IHPTET計劃從最初單純追求發(fā)動機(jī)性能的提高,到將經(jīng)濟(jì)可承受性納入技術(shù)研究當(dāng)中的嘗試,再到著眼于降低發(fā)動機(jī)采購成本和使用成本的VAATE 計劃的實施,直至最新的聚焦于支撐任務(wù)經(jīng)濟(jì)承受能力的ATTAM計劃,美國通過將經(jīng)濟(jì)可承受性納入國家層面的裝備需求,不斷地賦予發(fā)動機(jī)新的能力,在保持其在航空發(fā)動機(jī)技術(shù)領(lǐng)先的同時,也促進(jìn)了航空發(fā)動機(jī)裝備經(jīng)濟(jì)可承受性的提升。
(2) 重視成本估算,加強(qiáng)對項目早期的經(jīng)費測算。
成本估算是型號成功的重要保障。美國F-35戰(zhàn)斗機(jī)項目雖然在研制早期就貫徹了經(jīng)濟(jì)可承受性理念,但時至今日該項目成本嚴(yán)重超支,其主要原因之一就是在設(shè)定項目基線時對經(jīng)費估計過于樂觀[14-15]。另外,“全球鷹”無人機(jī)項目也存在類似問題。因此,在航空發(fā)動機(jī)立項論證或設(shè)計早期設(shè)定項目經(jīng)費基線時,對研制經(jīng)費需求進(jìn)行快速和準(zhǔn)確的估算非常重要。常用的成本估算方法主要有參數(shù)化法、工程費用法、類比法和仿真模型法等[16]。蘭德公司曾以幾十型發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),采用多元線性回歸理論建立了用于估算渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)研制費用的成本估算模型,現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于軍方采辦項目[17]。F135 發(fā)動機(jī)采用以工作分解結(jié)構(gòu)(WBS)為基礎(chǔ),再在部件或零件級別上使用參數(shù)法來實現(xiàn)經(jīng)費測算[2]。此外,為加強(qiáng)國防采辦項目成本控制,實現(xiàn)對項目早期的經(jīng)費管控,美國防部也先后發(fā)布了5000.73 指示《成本分析指南與程序》、《使用與保障成本估算指南》、《備選方案分析成本估算指南》、《國防部成本估算指南2.0》等文件,用于指導(dǎo)采辦項目的成本估算工作。
(3) 納入設(shè)計指標(biāo),加強(qiáng)對發(fā)動機(jī)設(shè)計過程的成本優(yōu)化。
航空發(fā)動機(jī)的設(shè)計對發(fā)動機(jī)全壽命周期費用有著重大影響。航空發(fā)動機(jī)在立項論證階段結(jié)束時做出的決策,對全壽命周期費用的影響程度達(dá)到70%,到初步設(shè)計結(jié)束時的影響程度達(dá)到85%,到詳細(xì)設(shè)計及研制階段結(jié)束時的影響程度達(dá)到95%[18-19]。美國國防部在1975 年發(fā)布的指令DoD5000.28 中,就已把成本視為與技術(shù)指標(biāo)、研制進(jìn)度同等重要的限制條件[20]。20世紀(jì)90年代,鑒于傳統(tǒng)的定費用設(shè)計在全壽命周期費用控制方面存在著局限性,美國軍方又提出了CAIV 方法,來實現(xiàn)對裝備采辦費用的管理。CAIV 的核心思想是強(qiáng)調(diào)將成本作為發(fā)動機(jī)設(shè)計過程中的輸入而非輸出,在發(fā)動機(jī)新項目發(fā)展中必須及早實施發(fā)動機(jī)性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)可承受性之間的權(quán)衡,以達(dá)到控制和降低航空發(fā)動機(jī)全壽命周期費用的目標(biāo)[21-24]。CAIV方法對降低航空發(fā)動機(jī)研制和論證階段費用帶來了深遠(yuǎn)的影響,是航空發(fā)動機(jī)實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可承受性的基礎(chǔ)技術(shù)之一。此外,價值驅(qū)動設(shè)計作為另外一種發(fā)動機(jī)設(shè)計過程中的成本優(yōu)化方法,也被納入到航空發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性的研究視線。此方法為工程設(shè)計提供了設(shè)計參數(shù)到產(chǎn)品外在價值的映射,使得工程設(shè)計活動更加具有實際意義。羅羅公司基于價值驅(qū)動設(shè)計方法,完成了渦輪前溫度設(shè)計、風(fēng)扇葉片選材等研究工作[25-27]。
(4) 創(chuàng)新研制手段,提升發(fā)動機(jī)研制項目實施的效費比。
航空發(fā)動機(jī)全壽命周期經(jīng)濟(jì)可承受性的實現(xiàn),不僅與發(fā)動機(jī)本身的技術(shù)相關(guān),而且與研制過程中的研制手段也分不開。先進(jìn)的研制手段,尤其是航空發(fā)動機(jī)仿真技術(shù),不僅可以大大減少發(fā)動機(jī)試制臺份、試驗次數(shù)從而降低發(fā)動機(jī)研制費用,也可以大幅提升航空發(fā)動機(jī)的研制效率。20 世紀(jì)80 年代后期,鑒于傳統(tǒng)串行設(shè)計方法在航空發(fā)動機(jī)早期設(shè)計過程中存在的優(yōu)化設(shè)計和制造局限性,世界主要航空發(fā)動機(jī)研制廠商開始嘗試應(yīng)用新的工程研制方法。如普惠公司在F119 發(fā)動機(jī)研制中采用的并行工程方法[28],這種方法在設(shè)計階段就盡可能地考慮產(chǎn)品全壽命周期可能出現(xiàn)的所有問題,有效保證了型號設(shè)計、試制、試驗等的一次成功,大大節(jié)省了發(fā)動機(jī)研制費用。伴隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展,航空發(fā)動機(jī)的研制方式正在發(fā)生巨大變化。GE 公司積極在發(fā)動機(jī)領(lǐng)域?qū)嵤?shù)字孿生技術(shù),不斷向數(shù)字化企業(yè)邁進(jìn);羅羅公司提出“智慧發(fā)動機(jī)”概念,積極推動人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)與發(fā)動機(jī)深度融合。
(5) 重視技術(shù)繼承,降低發(fā)動機(jī)項目研制風(fēng)險。
航空發(fā)動機(jī)的研制途徑通常包括改進(jìn)改型、派生發(fā)展和全新研制3種方式。全新研制盡管是保證發(fā)動機(jī)各項指標(biāo)均滿足作戰(zhàn)飛機(jī)需求的最佳方法,但是也需要大量新技術(shù)的集成,在研制過程中所需的技術(shù)驗證和技術(shù)狀態(tài)變更也會隨之增多,從而必然導(dǎo)致所需費用的上漲和研制風(fēng)險的增大。派生發(fā)展相較于全新研制,由于繼承了部分成熟技術(shù),在研制風(fēng)險和作戰(zhàn)要求之間進(jìn)行了權(quán)衡,但在其研制過程也應(yīng)確保新技術(shù)尤其是高風(fēng)險技術(shù)占比不應(yīng)過多。GE 公司研制的YF120 發(fā)動機(jī)在競爭中敗給普惠公司的YF119 發(fā)動機(jī)的主要原因,就是發(fā)動機(jī)中新技術(shù)占比偏高,導(dǎo)致其研制風(fēng)險陡增、研制費用過高,且存在導(dǎo)致項目進(jìn)度不可控的問題。美國F-35戰(zhàn)斗機(jī)項目成本超支除了研制早期成本預(yù)測不足外,大量新技術(shù)的引入也是重要的影響因素。因此,發(fā)動機(jī)研制過程中,無論采用何種研制方式,都應(yīng)當(dāng)盡量多地繼承成熟的或使用通過大規(guī)模驗證后的先進(jìn)技術(shù),慎重選用風(fēng)險較高的新技術(shù),以規(guī)避發(fā)動機(jī)研制風(fēng)險可能帶來的成本增長問題,在發(fā)動機(jī)性能、成本和研制風(fēng)險之間做好綜合權(quán)衡[29]。
未來先進(jìn)作戰(zhàn)飛機(jī)對發(fā)動機(jī)綜合性能提出了更高要求,未來軍用航空發(fā)動機(jī)的研制將更為復(fù)雜,不僅要不斷提升發(fā)動機(jī)技術(shù)水平,也要時常面臨因作戰(zhàn)模式、作戰(zhàn)需求變化而導(dǎo)致的頻繁的技術(shù)變更和迭代,更要確保降低全壽命周期費用目標(biāo)的實現(xiàn)。軍用航空發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)可承受性是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程,貫穿于發(fā)動機(jī)各個研制環(huán)節(jié)、流程,影響著發(fā)動機(jī)全壽命周期的成本費用,需要戰(zhàn)略上重視,做好頂層策劃,更需要加大對基礎(chǔ)支撐技術(shù)和理論的探索,真正將裝備經(jīng)濟(jì)可承受性貫徹到航空發(fā)動機(jī)的全壽命周期研制過程,為用戶交付買得起、用得起、打得起的發(fā)動機(jī)。為此提出如下建議:
(1) 加強(qiáng)航空發(fā)動機(jī)裝備經(jīng)濟(jì)可承受性的頂層策劃和協(xié)作。
裝備經(jīng)濟(jì)可承受性是包括航空發(fā)動機(jī)在內(nèi)的整個軍工裝備制造業(yè)的共性問題,美國在該領(lǐng)域初期盡管也是由各家單位單獨開展研究,但最終都在美國軍方的牽頭下走向了協(xié)作研究。以美國國防部早期用來評估飛機(jī)發(fā)動機(jī)潛在變化的成本效益工具——成本效益分析(CEA)模型為例,CEA模型最初由普惠公司開發(fā),為了使從事工程變更項目(ECP)研究的發(fā)動機(jī)承包商之間的成本分析標(biāo)準(zhǔn)化,在美國空軍的推動下,組建了由陸軍、海軍和空軍等發(fā)動機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的項目管理人員和工程師組成的聯(lián)合推進(jìn)協(xié)調(diào)委員會(JPCC)來推動模型標(biāo)準(zhǔn)化工作,將模型在發(fā)動機(jī)全行業(yè)推廣應(yīng)用[30]。加強(qiáng)航空發(fā)動機(jī)裝備經(jīng)濟(jì)可承受性的頂層策劃和協(xié)作,是縮小國內(nèi)與國外發(fā)動機(jī)技術(shù)水平差距的必有之路。
(2) 加強(qiáng)航空發(fā)動機(jī)歷史成本數(shù)據(jù)的積累和歸集。
在航空發(fā)動機(jī)研制過程中,無論是早期方案論證還是設(shè)計開發(fā),發(fā)動機(jī)的成本估算和優(yōu)化均需依賴翔實的歷史數(shù)據(jù)。美國等國家研制的航空發(fā)動機(jī)型號眾多,對歷史成本數(shù)據(jù)的積累和管理也較完善。而我國自行研制的渦噴/渦扇發(fā)動機(jī)較少,發(fā)動機(jī)樣本明顯不足,加之多渠道管理的問題,對技術(shù)、經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的積累也嚴(yán)重不足,導(dǎo)致發(fā)動機(jī)成本估算和優(yōu)化均存在一定的局限性。加強(qiáng)航空發(fā)動機(jī)歷史成本數(shù)據(jù)的積累和歸集,是開展精細(xì)化的成本分析業(yè)務(wù)的重要數(shù)據(jù)保障。
(3) 加強(qiáng)航空發(fā)動機(jī)裝備經(jīng)濟(jì)可承受性理論和方法的探索。
相較于國外在航空發(fā)動機(jī)全壽命周期內(nèi)開展的大量有實際成效的裝備經(jīng)濟(jì)可承受性研究,國內(nèi)無論是在研制早期的發(fā)動機(jī)成本估算,還是在設(shè)計開發(fā)過程中的成本約束優(yōu)化均存在明顯不足,對裝備經(jīng)濟(jì)可承受性理論和方法的探索缺少適于自身發(fā)動機(jī)實情的原創(chuàng)性研究,且受限于發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)不完整的事實,對裝備經(jīng)濟(jì)可承受性的方法研究大多不太深入。加強(qiáng)航空發(fā)動機(jī)裝備經(jīng)濟(jì)可承受性理論和方法的探索,是實現(xiàn)航空發(fā)動機(jī)全壽命費用有效管控的關(guān)鍵。