商用飛機燃油系統直接運營成本分析方法的應用研究

朱德軒+卞剛+張康

【摘 要】商用飛機經濟性是影響飛機競爭力的重要因素之一。本文總結了一種評估民用飛機燃油系統經濟性的方法——直接運營成本分析，并以假想的某大型飛機燃油系統為分析對象，以系統功能為分析標的，對其直接運營成本進行了分析研究，從經濟性角度提出了燃油系統的設計需求。

【關鍵詞】商用飛機；燃油系統；直接運營成本

【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

自二次世界大戰以來，民用飛機制造業得益于軍用技術的快速轉化，進入了高速蓬勃發展階段。這種技術主導的行業發展在持續約20年之后，民用航空技術的進步已經使得航空飛行由少數冒險家的游戲最終變成了普羅普通大眾的日常交通。民用航空業也隨之進入了以市場需求為主導的新階段。商用飛機使用的經濟性成為了驅動飛機制造業發展的最重要因素之一。

飛機直接運營成本是飛機經濟性的重要衡量標志，它包含飛機運營過程中發生的直接成本：所有權成本、機組成本、燃油成本、維修成本、機場收費、導航收費、餐食費、地面服務費等等。對飛機直接運營成本的分析即稱之為飛機直接運營成本分析，簡稱DOC（Direct Operating Cost）分析。

20世紀90年代始，Van Bodegraven，Scholz等人開始研究并形成了飛機的DOC分析方法[1-2]。一方面，飛機制造商嘗試建立DOC分析方法和模型，以用于飛機研制階段的權衡分析、銷售支援過程。國內的民用飛機制造商也開展了初步的經濟性分析研究工作[3-4]。另一方面，航空公司和飛機租賃公司也建立了自己的DOC分析模型，作為飛機采購的重要分析工具之一。

燃油系統DOC，顧名思義，即飛機使用過程中由燃油系統工作所發生的相關成本。這里的燃油系統DOC是基于飛機DOC的裁剪，不包含諸如機組成本、機場收費、導航收費、餐食費等不隨燃油系統構型變化的部分。

本文對燃油系統的DOC分析方法進行了初步研究，并通過對一典型飛機燃油系統的DOC分析，探索了在燃油系統工程研制過程中將經濟性納入考量的方法和初步結論。

1 燃油系統DOC分析方法

燃油系統的DOC主要包括：系統設備折舊成本DeprSYS、燃油消耗成本FuelSYS、直接維修成本DMCSYS、航班延誤和取消損失DelaySYS、備件成本SHCSYS。計算公式是：

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

可以看到，燃油系統DOC分析中隱含了系統設計的各方面要素對經濟性的影響：

重量對飛機油耗的影響，包含FuelSYS中；

燃油泵等設備所需的功率提取對飛機油耗的影響，包含在FuelSYS中；

系統維修性的影響包含在DMCSYS中；

系統可靠性的影響包含在DMCSYS、DelaySYS以及SHCSYS中；

系統價格的影響包含在DeprSYS和SHCSYS中。

1.1 系統設備折舊成本

折舊成本是將飛機燃油系統作為固定資產，在其使用壽命內，按照特定的方法對應計折舊額進行系統分攤。本文采用的是最簡單的直線折舊法：

其中，Price是系統設備價格，很顯然，對于飛機制造商和飛機運營商來說，該價格輸入是兩組不同的數據，本文中價格采用飛機制造商價格；Residual是系統殘值，反映了該系統的設備在壽命期末的可再利用價值，本報告取系統設備價格的10%；N是折舊年限，本報告分析中取15年。

1.2 系統直接維護成本 DMC

系統的直接維修成本DMC包括系統使用過程中因檢查、維護產生的硬件更換維修費用、人工費用以及相應耗材的費用。

典型的DOC分析中，DMC一般采用Scholz提出的方法進行計算：

其中，δ是考慮故障發生次數的概率因子，MMHon是原位維修工時：包括航線上的一般目視檢查、詳細目視檢查，以及對故障設備進行的測試、拆卸、更換等維修工作。MMHoff是離位維修工時：特指在維修車間內，對故障設備進行的離機測試、修理和翻修工作。LR是人工費率。MC是維修耗材費用。

1.3 燃油消耗成本

燃油消耗成本，是由于系統本身造成的飛機燃油消耗，其組成部分比較復雜，包括由于系統自重導致的燃油消耗成本，系統工作狀態下引氣和功率提取所增加的燃油消耗成本，以及系統的某些突出于飛機表面的設備引起額外的阻力帶來的燃油消耗成本。對于燃油系統主要考慮前面兩部分：

其中，mi是每次飛行的燃油消耗量，FP是燃油價格，FPY是每年的飛行架次。

1.4 航班延誤和取消損失成本

航班延誤和取消損失成本隨著延誤的嚴重程度變化很大，不同程度延誤發生的概率本身也有非常大的差異，因此一般需進行分類考慮。

其中：D1，D2，D3，Dc分別是系統發生引起延誤1到29分鐘、30到59分鐘、60分鐘以上、航班取消的故障的概率。C1，C2，C3，Cc則是對應系統故障引起的損失。FPY是每年的飛行架次。

對這部分成本的分析將隨著系統研制和安全性分析工作的深入而逐步細化，且延誤和取消損失很難有統一標準，本文中暫不分析。

1.5 備件成本

航材備件成本和諸多因素緊密相關，包括機隊規模、航材采購費用、客服管理效率等等。機隊規模越大，周轉時間越快，備件比例越低，越有利于降低每架飛機的備件費用。因此，該指標更多受航空公司運營水平的影響。在本文分析中暫未分析。

2 典型飛機的燃油系統方案

本節給出了一種假想的大型飛機燃油系統概念方案。

2.1 燃油系統功能

通常來說，典型的民用飛機燃油系統具有以下6大功能：

1）燃油貯存：存儲飛機所有燃油，并提供相應的地面排液措施；

2）燃油箱通氣：為燃油箱等區域提供通氣，防止油箱憋壓或者超壓；

3）加放油：提供地面加油/放油功能；

4）供油：在飛機包線內各種工作狀態下為發動機和APU提供其正常工作所需的燃油，以及提供相應的供油轉輸的功能；

5）應急放油：在特定緊急情況下，能夠實現快速空中放油，降低飛機重量，滿足緊急著陸的安全性要求；

6）油量測量和燃油管理：實現對燃油油量測量和監控，實現對燃油系統設備工作的管理和監控。

2.2 燃油系統方案

假想的燃油系統概念方案如下圖，主要特點包括：

1）采用五油箱構型，兩側機翼內側油箱各設置一個集油箱，在機翼油箱外側設有通氣油箱；

2）通過右側機翼前緣的加油接頭可實現對每個油箱的加/放油操作；

3）供油系統采用轉輸架構，每側集油箱各設兩臺交流電動泵，為同側的發動機提供燃油，同時系統具有交輸供油能力。中央翼設有兩臺轉輸泵，可通過加油/應急放油總管將中央翼油箱燃油轉輸至機翼油箱；

4）在機翼油箱內設置獨立的應急放油泵，在應急放油狀態下，它們和位于中央翼的兩臺轉輸泵同時打開工作，燃油通過加油/應急放油總管，從安裝在機翼尾緣的放油嘴放出；

5）油量測量系統通過設置于油箱內的油量傳感器、油位傳感器、密度計、補償傳感器等部件實現對燃油油量的測量和監控。

6）燃油管理系統基于來自駕駛艙的操作信號以及飛機各系統的輸入對各泵、閥等部件實現自動和手動控制，同時實現對燃油系統工作的監控。

3 直接運營成本分析

本節對上述燃油系統概念方案進行了DOC分析。鑒于數據敏感性的問題，本節分析對所有數據進行了無量綱歸一化處理，僅以百分比的形式顯示其相對關系。

本節通過對燃油系統6大功能對應的直接運營成本的分析，探索在燃油系統工程研制過程中提高系統經濟性的方法和手段。

3.1 直接運營成本組成分析

對燃油系統概念方案進行DOC分析，分析內容包含三部分：折舊成本、DMC成本以及燃油消耗成本，分析結果如圖2?？梢钥吹?，對于燃油系統來說，DMC成本是系統直接運營成本的主要部分，其量值約占2/3；其次是燃油消耗成本，約20%，最小部分是折舊成本，約16%。

很明顯，基于以上成本組成的分析結果，相對于價格因素和重量因素，燃油系統的維修性和可靠性是制約系統經濟性的最大因素。如何通過在系統架構權衡時考慮更高的可靠性，在系統概念設計和詳細設計時優化系統和部件的維修性，是提高燃油系統經濟性最重要的途徑。

3.2 折舊成本分析

進一步對系統的折舊成本進行分析，以燃油系統6大功能為分析標的，研究實現每個功能的子系統的折舊成本占比，分析結果如圖3。

燃油測量和管理功能的折舊成本占比最大，約29%。該系統包括數量眾多的電容式油量傳感器、油位傳感器、溫度/壓力傳感器、密度計以及大量固有安全特質的線纜。這些設備長期浸泡在燃油中，經受諸如燃油腐蝕、高低溫變化等挑戰。惡劣的工作環境對系統和部件的研制提出更高的要求，導致部件研制等級高，驗證項目種類繁多，驗證要求苛刻。此外，作為整個燃油系統的神經中樞，測量和管理系統內轄加載軟件的計算處理單元和數據集中單元。相應的軟件和復雜電子硬件均應按照DO-178和DO-254進行開發和驗證。另外，由于25.981條款對于燃油箱點火源防護的要求，整個燃油測量系統的部件需滿足嚴格的燃油箱防爆的要求，杜絕高能能量進入油箱，同時滿足閃電防護、靜電防護、電磁防護等一系列要求。在保證系統性能要求的前提下，使用數量盡可能少的傳感器，避免復雜的燃油管理功能是降低這部分成本的有效途徑。

供油功能的折舊成本占比22%。供油系統包括了大量各類泵、閥。尤其對于安裝在油箱內的交流燃油泵，不僅需要穩定可靠工作保障供油安全，還需要滿足防爆要求，研發成本不菲。必要的驗證試驗包括沖擊、振動、電源輸入、電壓尖峰、雷擊感應、干轉、空啟、轉子鎖定、葉片阻滯、結冰等。應盡可能使用現有的貨架產品，降低非重復性成本在交付產品中的分攤比例。

加油功能占比20%，通氣功能占比19%。這兩個功能和供油功能有一個共同特點，其對應的系統具有大量的管路及連接件。以通氣系統為例，初步分析顯示，其通氣管路的折舊成本可占到整個通氣系統折舊成本的70%。在這方面，通氣長桁作為通氣管路的替代技術值得重點研究，可有效消化部分成本。

應急放油功能所占比僅6%，主要原因是方案中實現應急放油功能的大量設備和管路和供油系統、加放油系統復用。如中央翼內應急放油泵即是供油轉輸泵，其折舊成本折算至供油系統；放油總管即加油總管，其折舊成本折算至加油系統。對于應急放油系統，其主要折舊成本發生在燃油泵，通過優化系統性能和架構避免設置獨立的應急放油泵，可作為有益的研究方向。

貯存功能占比4%，主要包括排液閥、片狀單向閥等機械部件。這部分產品相對較簡單，成本占比最低。

3.3 DMC組成分析

降低直接維修成本是提高燃油系統經濟性的最重要途徑，對6大功能的直接維修成本分析結果如圖4。

首先，分析顯示燃油測量和管理功能的直接維護成本占系統直接維護成本的47%，占燃油系統總直接運營成本的30%?？刂坪蜏p少這部分維護成本對于提高燃油系統經濟性有著不言而喻的重要的意義。主要優化設計需求包括：

1）減少部件數量：兼顧維修性與測量精度、可用性、完整性的要求，盡可能采用較少傳感器實現系統設計目標；同時，可采用功能復合集成的設計，如將溫度傳感器集成于油量傳感器上；

2）提高部件可靠性：對于數字式傳感器等新技術，需謹慎評估其性能和可靠性；

3）減少排故定位耗時：系統應可對每個油量傳感器進行自檢測，以提供準確的故障定位和隔離，避免復雜的排故程序；

4）減少接近耗時：油量傳感器安裝應盡可能靠近維護口蓋，盡量避免接近傳感器時還需要拆裝其它部件；

5）減少拆裝耗時：油量傳感器應能實現快速分離/連接，安裝硬件應為通用標準類型；

6）減少安裝調試耗時：部件在安裝完成后應不需要進行調整和標定即可使用。

其次，需要重點關注的是供油功能，約占30%。其主要組成部分是燃油泵、電動閥等設備的維護成本。由于持續長時間工作，燃油泵故障率也相對較高。也正因此，典型的燃油泵采用泵殼、芯分離式設計，實現了在不進入油箱的前提下快速更換泵芯。切斷閥也同樣采用閥體和作動器分離式設計。此外，應謹慎使用無刷電控直流燃油泵，其ECU會顯著降低燃油泵整體的可靠性。

第三部分是應急放油功能，占比12%。其主要構成與供油功能類似，方向是優化燃油泵閥的設計。

加油、通氣功能對應的直接維護成本占比分別為8%和0.1%，明顯小于各自的折舊成本占比（20%、19%），主要原因是這兩個系統中管路所占的價值成本較高，而本分析中認為管路系統與機體同壽，忽略了其直接維護成本。

3.4 燃油消耗成本組成分析

對燃油系統6大功能的燃油消耗成本分析結果如圖5。

這部分主要是系統自重導致的燃油消耗成本。注意到，具有大量管路系統的通氣、加油、供油系統占據總成本的3/4。采用聚醚醚酮PEEK材料的輕質復合材料管路可有效降低這部分成本。盡管PEEK材料管路一次采購費用相對較高會增加折舊成本，但通過初步分析，當PEEK材料管路價格落在普通6061鋁管價格2倍的范圍內，使用PEEK材料管路即更具經濟性優勢。

4 總結

DOC分析是民用飛機燃油系統經濟性分析的重要方法之一。本文總結了適用于燃油系統DOC分析方法，并通過對一套燃油系統概念方案的DOC分析，研究了典型燃油系統的直接運營成本的構成比例，并提出了相應的優化設計方向。其中重點是提高燃油測量管理系統和供油系統的維護性和可靠性，通過降低這兩個系統的直接維護成本，可顯著提高整個燃油系統的經濟性。

后續應繼續研究完善DOC分析中其它部分的計算模型，優化算法，建立相關數據庫。并在系統概念設計階段，通過DOC分析的應用，更有效地開展技術方案的權衡對比。這對于改善技術方案經濟性，降低后期運營維護成本有著重要的意義。

【參考文獻】

[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]陳迎春.民用飛機直接運營成本（DOC）方法與應用[J].中國科技成果，2013，15.

[4]張康，葉葉沛.美國市場直接運用成本（DOC）計算分析方法應用研究[J].民用飛機設計與研究，2012，3：41-48.

[責任編輯：楊玉潔]