摘 要 基于面向壽命周期的定費用設計與控制既不是追求極限的技術性能指標，也不是追求最小的壽命周期費用，而是將目標成本控制起始點前移到需求生成階段，強調在經濟可承受指標范圍內實現技術指標和壽命周期費用的最佳平衡，并基于壽命周期成本初始基線進行嚴格管控。本文基于某航空裝備典型部件尾翼，通過價值工程、壽命周期成本預測開展了壽命周期定費用設計工作，并對壽命周期的定費用控制進行了詳細闡述，文中采用的邏輯、方法可為航空裝備成本工程師所借鑒參考。

關鍵詞 航空裝備；定費用設計；壽命周期；目標成本

DOI： 10.19840/j.cnki.FA.2024.05.010

隨著科學技術的進步和裝備技術指標要求的提高，航空裝備壽命周期費用也在大幅上漲[1]。壽命周期費用看似是其各個階段費用相加之和，但是總體設計方案一旦確定，壽命周期費用的65%左右也就大體確定，待詳細設計和鑒定工作完成后，壽命周期費的85%便已經確定[2]。為確保以國家經濟可承受得起的價格采購具備技術優(yōu)勢的航空裝備，總體單位必須基于設計源頭開展面向壽命周期的定費用設計工作。

傳統的定費用設計是將科研費、目標價格和使用保障費等費用指標，作為與性能、尺寸、重量、可靠性、維修性等技術指標同等重要的一種設計原則和思想，技術指標和壽命周期內各項費用指標均要達到既定的目標[3-5]。基于面向壽命周期的定費用設計既不是追求極限的技術性能指標，也不是追求最小的壽命周期費用，而是將目標成本控制起始點前移到需求生成階段，強調在經濟可承受指標范圍內實現航空裝備體系能力、壽命周期費用和可支配資源三者之間的最佳平衡。

一、面向壽命周期的定費用設計

面向壽命周期的定費用設計，就是基于經濟可承受性進行壽命周期內成本控制。壽命周期目標成本應由技術、管理、經濟、質量管理等多部門基于技術優(yōu)勢識別、國民經濟水平及預期科學分析與決策得出，同時在研制過程中對目標成本嚴格控制、連續(xù)不斷地審核、迭代，使之壽命周期內成本可控[6]。

（一）經濟可承受性分析

航空裝備經濟可承受性分析是指從裝備效能、戰(zhàn)技指標與經濟指標結合的角度進行可行性分析，預測航空裝備壽命周期成本，以及研制、采購、使用保障等各階段所需經費投入，分析產品是否滿足裝備開支的長期投資，以此來平衡裝備壽命周期成本與性能等技術指標。經濟可承受分析主要有計劃年度投資法和單位成本法[7]。

1. 計劃年度投資法需全面考慮航空裝備研制進度、成本費用、技術指標、人力投入等各方面要素，從航空裝備能力聚類的更高角度，在較長周期跨度內，對航空裝備經濟可承受性進行評估。

2. 單位成本法是對具體項目進行經濟可承受性分析。高度集成的系統、子系統成本費用十分昂貴，需評估本項目總體經濟可承受性和子系統的經濟可承受性。

面向壽命周期的定費用設計經濟可承受性分析主要針對某具體項目及其附屬高度集成/高價值的系統進行經濟可承受分析[8]。經濟可承受分析構建的評價指標需具備客觀性、獨立性、完備性、簡潔性和可度量性的特點，通過分級指標的構建、分解、計算完成裝備經濟可承受分析工作。

（二）壽命周期目標成本

壽命周期成本包括研究與發(fā)展成本（論證、研制、試驗和鑒定費）、投資成本（生產采購費用）、使用與保障成本和處理成本。壽命周期成本測算流程為：明確假設和約束條件。主要包括基準年和貨幣單位、通貨膨脹率、部署方案、使用和保障方案、維修要求、使用年限、有關采辦里程碑的限制和范圍、采辦策略、生產數量、研制和樣機數量、進度信息、技術假設和要研發(fā)的新技術等；編制計劃項目說明書。主要包括航空裝備項目的關鍵技術、計劃、使用以及綜合數據資料；編制裝備工作分解結構。依據GJB 2116A-2015《武器裝備研制項目工作分解結構》建立系統性、完整性和層級適度的航空裝備工作分解結構（Work Breakdown Structure， WBS）；選擇成本估算方法（成本估算方法主要有工程估算法、參數估算法和類比法）；收集數據。主要收集研制、生產成本數據和使用與保障成本數據；編制壽命周期成本測算報告。

壽命周期目標成本估算和審查完成后，總體單位必須制定初始成本基線，并按成本基線對其壽命周期成本進行嚴格管控。各里程碑決策點時，實際成本與成本基線出現較大偏離時按規(guī)定審批程序進行報批。

（三）定費用設計權衡

定費用設計權衡主要指技術指標與目標成本的權衡，主要工作包括：將目標成本引入日常設計工作，開展技術經濟效果權衡，利用成本和性能之間的映射關系，把成本作為一個主要設計參數，來評定設計工作的有效性；設計工程師要與成本工程師充分溝通協調，考慮設計對后續(xù)階段成本的影響，做好預防性設計，使航空裝備經濟可承受；以客戶的功能要求、技術性能指標和作戰(zhàn)使用要求為出發(fā)點，研究功能性能、使用要求與成本之間的關系，全系統多層級進行效能—費用綜合權衡[9]；在整機級、系統級、分系統級、產品設備級、組件部件級開展價值工程分析，確定功能性能，尋求降低獲得必要功能所需費用的備選方案，在不損害所要求的質量、可靠性的前提下，剔除冗余功能，發(fā)現和消除不必要的費用；可充分借鑒歷史型號的經驗教訓，吸收以往型號的優(yōu)點和亮點，降低壽命周期成本。

二、尾翼定費用設計實例

某航空裝備尾翼定費用設計主要從價值工程分析和壽命周期成本預測分析兩個維度開展定費用設計工作。

（一）價值工程分析

某航空裝備尾翼針對金屬與復合材料兩種構型方案開展權衡對比分析。假設尾翼結構采用相同的外形、載荷、結構布置、傳力路徑、金屬材料肋與接頭結構、載荷工況進行計算，分別滿足強度應力或應變水平控制要求、有相當的剛度要求，所不同的是尾翼的梁、壁板分別采用金屬與復合材料結構。

1. 壁板重量權衡對比

復合材料壁板拉伸應變取值4000με，壓縮應變取值3500με，剪切應變取值5000με。金屬壁板控制應力的設計要求是受壓載荷為主的翼面應力水平不大于345MPa，受拉為主翼面載荷應力水平不大于310MPa。

在進行重量估算時，假設長桁占整個壁板橫截面積35%，復合材料蒙皮模量取值60GPa，復合材料長桁模量取值80GPa，則拉伸載荷為主的應力水平取值為4000με×60Gpa×0.65+ 4000με×80Gpa×0.35=268Mpa，壓縮載荷為主的應力水平取值為3500με×60Gpa×0.65+ 3500με×80Gpa×0.35=234.5Mpa。復合材料加筋壁板密度按1.6g/cm3估算，由此可以得到復合材料加筋壁板受拉載荷為主的壁板單位密度應力水平為268÷1.6=167.5；受壓載荷為主的壁板單位密度應力水平為234.5÷1.6=146.6。金屬壁板受拉載荷為主的壁板單位密度應力水平為310÷2.7=114.8；受壓載荷為主的壁板單位密度應力水平為345÷2.7=127.8。受拉壁板減重效率為（167.5-114.8）÷167.5×100%=31.4%；受壓壁板減重效率為（146.6-127.8）÷146.6×100%= 12.8%。通過重量權衡對比分析，尾翼壁板結構采用復合材料結構優(yōu)勢明顯。具體差異見表1。

2. 翼梁重量權衡對比

翼梁主要由梁緣條和腹板構成，梁緣條主要承受尾翼彎曲載荷轉化為拉、壓載荷，腹板主要承受剪切載荷。采用復合材料梁結構可以通過鋪層設計，使上下緣條拉伸模量、腹板剪切模量較大，從而使翼梁結構效率最大化、降低結構重量。結合壁板重量權衡對比章節(jié)結論，翼梁采用復合材料結構重量收益明顯，同時可以有效解決尾翼展向翼梁與壁板的熱膨脹差異性問題。

3. 成本權衡對比

復合材料結構件的成本主要體現在材料、制造（設備、模具工裝、制造工藝）、后加工、無損檢測以及裝配等方面。在不計入模具成本時，按目前國際材料價格估算，復合材料整體壁板及梁的制造成本（含無損檢測成本）為0.74萬元/kg。每架機尾翼復合材料結構件重量共200kg，制造費用約為148萬元。大型復合材料制件需要的INVA合金模具造價較高，成本約為11萬元/平方米，完成一架尾翼整體壁板及兩根翼梁所需模具面積約為38平方米。模具投入418萬元，考慮模具屬于一次性投入，按50次（保守估計，一般可用100次以上）批生產進行分攤，成本僅增加8.38萬元/架?？紤]模具費用后，每架機尾翼復合材料結構件制造成本為156.36萬元。

金屬尾翼采用整體加筋壁板，梁也是整體機加件。壁板材料為2024厚板（110元/kg）機加和7150厚板（150元/kg）機加，前后梁為7050厚板（150元/kg）機加。金屬尾翼方案結構重量約為235公斤[按復合材料減重15%估算（200kg/（1-15%）]，2024厚板137kg、7050厚板40kg、7150厚板58kg，材料利用率按5%、制造費用按等于材料成本估算，金屬尾翼制造成本約為：[（137÷0.05×110）+（40÷0.05×150）+（58÷0.05×150）]×2÷10000= 119.08萬元。

通過成本對比分析，復合材料尾翼較金屬尾翼生產成本增加約37.28萬元/架，再考慮裝配因素（構件整體化程度高、裝配工時減少、標準件數量減少），增加值會有所下降?？湛凸緮祿砻?，在生產100架民用航空飛機的條件下，每減輕1kg重量允許進行8000馬克（1984年經濟條件）的投資，換算成人民幣約8萬～12萬元（購買力）。復合材料尾翼較金屬尾翼減重約35kg，則相應可以增加280萬～420萬元的投資。綜上，復合材料尾翼成本存在一定優(yōu)勢。具體差異見表2。

（二）壽命周期成本預測分析

研究與發(fā)展階段設計方案直接決定壽命周期成本，投資成本和使用與保障成本是壽命周期成本的主要構成。因此，某航空裝備尾翼主要對其投資成本和使用與保障成本進行了預測分析。

1. 投資成本

投資成本預測方法主要有工程法、類比法和參數法三種。工程法是一種自下而上的方法，估算所需的基礎數據量大，過程復雜，周期長，不適合方案早期的費用評估；參數法是根據已有同類型飛機研制費用的大量歷史統計數據，通過相關分析選擇一組對費用影響較大的物理和性能參數，運用回歸分析方法建立以這些參數為自變量的費用估算關系式，以此來完成投資成本估算；類比法一般應用于新型航空裝備概念設計階段。

某航空裝備尾翼投資成本基于類比法進行預測分析。經數據搜集、統計民用航空器成本密度見表3，成本密度平均值為66.49萬美元/噸。

某航空裝備最大起飛重量為20.5噸，投資成本20.5×66.49=1363.04萬美元。經統計尾翼重量約占機體結構重量比例的6%，結合市場競爭力需求，某航空裝備尾翼投資成本不應超過81.78萬美元/架進行控制。

2. 使用與保障成本

本文基于Liebeck[10]模型對某航空裝備尾翼使用與保障成本中維修成本進行預測。某航空裝備尾翼維修成本主要包括機體維修勞務成本和機體維修材料成本兩部分。

（1）機體維修勞務成本

其中： AMLC為機體維修勞務成本，單位美元/航段；AFW 為不含發(fā)動機的機體重量，單位磅；FH為每航段飛行小時數，取輪檔小時減去地面機動時間（通常約0.25小時）；R為維修勞務費率，單位美元/小時，Liebeck模型中取值為25美元/小時，考慮經濟環(huán)境及年代不同等客觀因素取值28美元/小時。

經計算，AMLC為28.67萬美元/架。

（2）機體維修材料成本

其中：AMMC為機體維修材料成本，單位美元/航段；FCPI 為消費者價格指數修正系數，基于CPI上漲情況，取值1.47。

經計算，AMMC值為14.96萬美元/架。

（3）維修成本

經計算，某航空裝備尾翼維修成本合計43.63萬美元/架。

三、面向壽命周期的定費用控制

影響壽命周期成本的主要為投資成本和使用與保障成本。投資成本主要由材料成本和制造成本構成；使用與保障成本主要受機體重量影響。材料選擇、制造工藝和機體重量均在研究與發(fā)展階段確定，因此，面向壽命周期的定費用控制主要是研究與發(fā)展階段材料體系的選擇、制造工藝的確定和機體重量的優(yōu)化。

（一）材料體系選擇

材料體系選擇控制主要為：重視新材料及相關工藝的成本控制，在滿足設計及使用要求的前提下，優(yōu)先選用綜合成本低的新材料及加工工藝方法；重視材料的工藝性、工業(yè)化生產、批量供應能力和質量穩(wěn)定性；隨著生產批量的增加，在滿足技術要求的前提下，細化專業(yè)化生產分工，進一步提高材料利用率，從而提高材料的制造成熟度，降低產品報廢率；盡可能減少或壓縮材料牌號、品種、規(guī)格，減少材料、工藝的復雜度，在便于材料采購的前提下，改善因原材料用量少而引起的采購成本提高，最終達到降低原材料采購成本的目的；優(yōu)化合并入廠復驗項目，降低入廠復驗費用。

某航空裝備尾翼材料的選用堅持性能優(yōu)先、市場成熟和盡可能減少/壓縮材料牌號的原則，復合材料主要選用了市場成熟度高、用量規(guī)模大的T800級中等模量高強度碳纖維預浸料，金屬材料主要選用了7050-T7451預拉伸板鋁合金。

（二）制造工藝的確定

復合材料制造工藝主要有手工鋪貼、自動鋪帶技術（ATL）和自動纖維鋪放技術（AFP）三種工藝。工業(yè)部門統計結果表明：手工鋪疊復合材料效率為3磅/h，自動化技術能達到15～30磅/ h；手工鋪疊復合材料廢料量為15%～20%，而自動化技術可以減少到5%左右。因此，復合材料制件可通過自動鋪帶技術（ATL）和自動纖維鋪放技術（AFP）來提高制造效率、材料利用率，從而降低生產成本。

為有效降低某航空裝備尾翼復合材料制件制造工時，其大尺寸復合材料制件采用自動鋪帶技術（ATL）來提高鋪貼效率、材料利用率進行費用控制。

（三）機體重量優(yōu)化

某航空裝備尾翼首先以盒段變量為設計參數，在PATRAN中建立盒段參數化模型并進行強度和穩(wěn)定性求解，形成ses文件；其次應用MATLAB編制遺傳算法優(yōu)化程序，根據盒段設計變量設定優(yōu)化變量；然后將遺傳算法產生的初始變量值賦值給PATRAN中的ses文件參數，自動建立有限元模型并進行穩(wěn)定性求解；最后將求解結果傳遞到遺傳算法中進行變量的適應度分析，根據適應度分析結果進行選擇、交叉和變異等遺傳算法的操作后，再次進行參數化建模和求解等循環(huán)工作，直至循環(huán)到達設定的遺傳代數，得到其最優(yōu)結果。

某航空裝備尾翼通過優(yōu)化設計確保應變分布合理、結構輕質高效，得到較優(yōu)結構重量。

四、結束語

隨著武器裝備改革不斷向前推進，研究與發(fā)展階段基于面向壽命周期的航空裝備定費用設計與控制工作顯得尤為重要。研究與發(fā)展階段只有從設計思想、規(guī)定、準則、流程和方法上不斷完善定費用設計能力，航空裝備壽命周期的投資成本（生產采購費用）、使用與保障成本和處理成本才能得到有效控制，才能滿足未來的新型航空裝備軍事優(yōu)勢、技術領先和國民經濟可承受的多維度要求。 AFA

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（編輯：張春紅）