貨運飛船效費綜合特性研究

胡海勇， 劉家川， 李甲申， 楊偉杰， 鞏朝陽， 石 泳

(1. 中國空間技術研究院錢學森空間技術實驗室，北京 100094；2. 中國空間技術研究院，北京 100094；3. 中國空間技術研究院總體設計部，北京 100094)

1 引言

載人航天工程一直是高先進性、高復雜度、高集成化、高信息化工程的突出代表，隨著人類探索浩瀚宇宙的步伐不斷邁進、現(xiàn)代科學技術的發(fā)展不斷提速[1]，大量高新技術應用于載人航天工程的各類航天器，用以增強系統(tǒng)功能和性能，使航天器奔赴月球、踏上探索火星的新征程。 伴隨著載人航天工程奔向更遠深空的同時，其技術難度、研制經(jīng)費、研制周期大幅增加，技術、經(jīng)費、進度的風險也不斷提高。 為此，新型載人航天器的立項論證決策越來越謹慎，在論證需求和技術可行性的基礎上，還需關注經(jīng)費需求能否支撐，效能是否滿足要求，兼顧系統(tǒng)的先進性和經(jīng)濟型，確保載人工程各類航天器“研得起、用得起”和“好用、頂用”。

早在20 世紀60 年代，美國就開始對武器裝備的系統(tǒng)效能和全周期費用開展了專題研究。 中國早在1992 年也制定了GJB1364-92《裝備費用-效能分析》，作為中國裝備壽命周期各階段管理費用和效能的基本依據(jù)文件，并在航空領域取得了一系列研究成果。 唐長紅[2]對航空武器裝備的經(jīng)濟性與效費開展了深入研究；張恒喜[3]對現(xiàn)代飛機的效費分析開展了一系列研究；許哲[4]對武器裝備的項目進度、費用和風險的一體化管理進行了總結研究；葛姍姍等[5]對各類商業(yè)運輸飛船的研發(fā)投入和發(fā)射成本進行了分析，并提出了高性價比的概念，但尚未形成一定的研究成果和科學的實施方法。

本著“航天要向航空看齊、航空要向汽車看齊”的效費管理策略，本文選取載人航天工程中具有批產(chǎn)化、多型譜特征的貨運飛船作為研究切入點，開展載人航天器的效費綜合特性研究。

2 貨運飛船研制現(xiàn)狀分析

貨運飛船作為載人航天工程的重要組成部分，具有載人航天器的顯著特征。 當今世界上設計并成功飛行了多型貨運飛船，主要有中國的天舟貨運飛船、俄羅斯的進步號系列貨運飛船、美國的天鵝座和龍貨運飛船、歐空局的自動轉(zhuǎn)移飛行器(Automatic Transfer of Aircraft，ATV)、日本的軌道轉(zhuǎn)移飛行器(H-II Transfer Vehicle，HTV)。

2.1 天舟號系列貨運飛船

天舟系列貨運飛船由天宮空間實驗室改造而成，由貨物艙和推進艙2 個艙構成。 全長約為10.5 m、最大直徑為3.35 m、貨物裝載容積為22 m3、發(fā)射重量約為13.5 t、最大上行能力6.5 t、推進劑補加量達2.1 t，為不可重復使用的貨運飛船，可運送6.5 t 的太空垃圾并在大氣層中銷毀。前向配有主動對接機構，可通過程序控制或遙操作控制與空間目標進行對接，具備6.5 h 快速對接能力。 通過長征七號運載火箭在文昌發(fā)射場發(fā)射升空，起飛重量約為597 t[6]。

2.2 進步號系列貨運飛船

進步號系列貨運飛船由聯(lián)盟號載人飛船改造而成，由貨物艙、補給艙和服務艙3 個艙構成，為不可重復使用的貨運飛船。 全長約為7.48 m、最大直徑為2.72 m、貨物裝載容積為6.6 m3、發(fā)射重量為7.15～7.45 t、最大上行能力3.2 t、推進劑補加量達1.95 t，最大可運送1.6 t 的太空垃圾并在大氣層中銷毀，另可攜帶小型返回艙，運送約0.15 t 的貨物返回地球。 前向配有主動對接機構，可通過程序控制或遙操作控制與空間目標進行對接，具備3 h 19 min 快速對接能力。 通過聯(lián)盟號運載火箭在拜科努爾發(fā)射場發(fā)射升空，起飛重量約為312 t[7]。數(shù)據(jù)顯示，一艘正樣進步號系列貨運飛船全周期費用(含研制和發(fā)射)約為5.2 億人民幣，每千克貨物的運送成本約為16.3 萬元。

2.3 天鵝座貨運飛船

天鵝座貨運飛船由服務艙和增壓貨物艙2 個艙構成，為不可重復使用的貨運飛船。 最大長度約為6.34 m、最大直徑約為3.07 m、貨物裝載容積為18.9～26.2 m3、發(fā)射重量為5.3～7.49 t、最大上行能力3.51 t、最大可運送3.51 t 的太空垃圾并在大氣層中銷毀。 不具備推進劑補加功能，前向配有對接機構，可通過空間機械臂抓取進行對接，但不具備快速對接能力。 通過安塔瑞斯和宇宙神5 運載火箭在卡納維拉爾角空軍基地、中大西洋地區(qū)航天港發(fā)射升空[8]。 數(shù)據(jù)顯示，一艘正樣天鵝座貨運飛船全周期費用(含研制和發(fā)射)約為9.8 億人民幣，每千克貨物的運送成本約為28 萬元。

2.4 龍貨運飛船

龍貨運飛船由返回艙和服務艙2 個艙構成，為可重復使用的貨運飛船，龍2 型貨運飛船設計可重復使用5 次以上。 長度約為6.1 m、最大直徑約為3.81 m、貨物裝載容積約為24 m3、發(fā)射重量為7.88 t、實際最大上行約為3 t、可返回地球貨物最大重量約為3 t。 不具備推進劑補加功能，前向配有對接機構，可通過空間機械臂抓取進行對接，但不具備快速對接能力。 通過獵鷹9 號運載火箭在肯尼迪航天中心發(fā)射升空，最大起飛重量約為541 t[9]。 數(shù)據(jù)顯示，一艘正樣龍貨運飛船全周期費用(含研制和發(fā)射)約為8.4 億人民幣，每千克貨物的運送成本約為14 萬元。

2.5 歐洲ATV

歐洲ATV 由貨物艙和服務艙2 個艙構成，執(zhí)行5 次國際空間站任務后，于2014 年退役，為不可重復使用的貨運飛船。 長度約為10.3 m、直徑約為4.5 m、貨物裝載容積約為22 m3、發(fā)射重量為20.75 t、最大上行約為7.67 t、推進劑補加量達5.56 t、可運送6.34 t 的太空垃圾并在大氣層中銷毀。 前向配有對接機構，可通過空間機械臂抓取進行對接，但不具備快速對接能力。 通過阿里安運載火箭在庫魯發(fā)射場發(fā)射升空，起飛重量約為760 t[10]。 數(shù)據(jù)顯示，一艘正樣ATV 貨運飛船全周期費用(含研制和發(fā)射)約為29.9 億人民幣，每千克貨物的運送成本約為39 萬元。

2.6 日本HTV

日本HTV 由增壓貨物艙、非增壓貨物艙、儀器艙和推進艙4 個艙構成，為不可重復使用的貨運飛船。 長度約為10 m、直徑約為4.4 m、貨物裝載容積為35 m3、發(fā)射重量為16.5 t、最大上行能力為6 t、最大可運送7.3 t 的太空垃圾并在大氣層中銷毀。 不具備推進劑補加功能，前向配有對接機構，可通過空間機械臂抓取進行對接，但不具備快速對接能力。 通過H-II B 運載火箭在種子島宇宙中心發(fā)射升空，起飛重量約為533 t[11]。數(shù)據(jù)顯示，一艘正樣HTV 貨運飛船全周期費用(含研制和發(fā)射)約為18.2 億人民幣，每千克貨物的運送成本約為30 萬元。 以上成功飛行的貨運飛船具體信息見表1。

表1 成功飛行的貨運飛船匯總分析表Table 1 Summary and analysis of real flight cargo spaceships

中國、美國、俄羅斯、日本、歐空局分別研制了6 種不同類型的貨運飛船，大小、發(fā)射重量、載貨比、在軌壽命等重要特征均不相同，功能和性能均有差異，有的具備推進劑補加、自動交會對接和貨物返回能力，有的只能運送貨物，不能進行推進劑補給，而且還得靠空間站機械臂進行對接，研制和發(fā)射成本差異也很大。 為此，在目標明確的情況下，在保證可靠性的同時，以最低成本、最高效率建造貨運飛船是一個非常值得研究的課題。

3 貨運飛船效費綜合特性研究流程設計

3.1 定義

系統(tǒng)效能參數(shù)E指貨運飛船在特定狀態(tài)下完成特定任務能力的度量，可以通過設置關鍵的技術指標作為效能參數(shù)αi進行測算。

全周期費用參數(shù)LCC指貨運飛船在當前狀態(tài)下所需投入經(jīng)費的度量，可以通過設置的事件和分功能作為費用參數(shù)βi進行測算。

效費比參數(shù)ε為系統(tǒng)效能參數(shù)和全周期費用參數(shù)的比值。

參照天舟貨運飛船研制流程，將貨運飛船效費綜合特性拆分為立項論證、初樣研制、正樣研制、定型批產(chǎn)4 個研制階段，根據(jù)各階段的研制特點，設計相應的效費綜合特性計算參數(shù)。

3.2 立項論證階段

在立項論證階段，分析系統(tǒng)的任務目標和所需性能，設計效費綜合特性參數(shù)計算模型；選擇基準的貨運飛船作為參考，計算其系統(tǒng)效能和全周期費用；預測當前狀態(tài)貨運飛船的系統(tǒng)效能和全周期費用，通過與基準航天器進行比較，不斷迭代，選擇出最優(yōu)的系統(tǒng)設計方案。

3.3 初樣研制階段

按照立項論證階段制定系統(tǒng)設計方案開展詳細設計，并應用工程的技術狀態(tài)管理、進度管理、費用管理等方法對項目執(zhí)行過程進行控制，按照最終的設計方案計算出系統(tǒng)效能和全周期費用，評估系統(tǒng)的綜合特性參數(shù)，同時驗證、健全設計的貨運飛船綜合特性計算模型。

3.4 正樣研制階段

固化貨運飛船的技術狀態(tài)，進一步加強型號的成本和研制周期控制，對正樣階段的系統(tǒng)效能和全周期費用進行計算，總結整船的效費綜合特性控制結果，并形成專題報告，進行全系統(tǒng)評審，同時建立定型批產(chǎn)階段的技術狀態(tài)基線、全周期費用和系統(tǒng)效能控制基線。

3.5 定型批產(chǎn)階段

嚴格按照正樣階段評估的結論對貨運飛船的技術狀態(tài)、進度、費用控制基線進行控制，建立組批投產(chǎn)的規(guī)劃，開展批次性的元器件和原材料訂貨，組批生產(chǎn)；進行全過程的產(chǎn)品保證控制，確保產(chǎn)品的可靠性、安全性等指標滿足要求；同時不斷優(yōu)化生產(chǎn)模式、加強資源配置、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本，獲取更優(yōu)的系統(tǒng)綜合特性參數(shù)。

貨運飛船效費綜合特性研究流程具體詳見表2 所示。

表2 貨運飛船效費綜合特性研究流程Table 2 Research flow of comprehensive characteristics of full cycle cost-effectiveness of cargo spaceship

4 貨運飛船系統(tǒng)效能和費用指標設計

4.1 貨運飛船系統(tǒng)效費參數(shù)分析

根據(jù)中國天舟貨運飛船的研制和飛行經(jīng)驗，結合美國、俄羅斯、日本、歐空局研制的其他貨運飛船公開信息，工程總體重點關注的貨運飛船系統(tǒng)效能有上行貨物能力、推進劑補加能力、可重復使用次數(shù)、在軌壽命、可靠性、安全性等指標。

貨運飛船的費用由系統(tǒng)研制費用和火箭發(fā)射費用兩部分組成，其中系統(tǒng)研制費用主要由總體和各分系統(tǒng)的關鍵技術攻關、研保條件建設、產(chǎn)品設計、產(chǎn)品研制、產(chǎn)品試驗和批產(chǎn)數(shù)量等決定；火箭發(fā)射費用主要由貨運飛船的最大發(fā)射重量、外包絡和軌道高度等決定。 為此，貨運飛船效費綜合特性計算參數(shù)選擇如圖1 所示。

圖1 貨運飛船效費綜合特性計算參數(shù)Fig.1 Calculation parameter of comprehensive cost-effectiveness characteristics of cargo spacecraft

4.2 貨運飛船系統(tǒng)效能指標設計

系統(tǒng)效能從完成特點任務的能力、系統(tǒng)可靠性和在軌安全性3 個方面進行度量。

能力指標α1按照貨運飛船主要功能設置為上行貨物量、貨物裝載容積、載貨比、下行貨物量、推進劑補加量、可重復使用率、可重復使用次數(shù)、交會對接能力、在軌供電能力、在軌壽命時間共10 個指標參數(shù)，對這10 個參數(shù)求和，便可得到系統(tǒng)能力α1，具體如式(1)所示:

可靠性指標α2按照貨運飛船在軌飛行階段設置為發(fā)射段可靠性、交會段可靠性、?？慷慰煽啃?、分離段可靠性、自主飛行段可靠性、離軌段可靠性共6 個指標，對這6 個參數(shù)求積，便可得到可靠性能力α2，具體如式(2)所示:

安全性指標α3按照貨運飛船關鍵安全參數(shù)設置為供電、防火、防爆炸、火工品、推進劑補加、物資運輸保障、氣路泄露、有害氣體、防空間碎片共9 個指標，對這9 個參數(shù)求積，便可得到安全性能力α3，具體如式(3)所示:

4.3 貨運飛船系統(tǒng)全周期費用指標設計

貨運飛船全周期費用指標設置通貨膨脹率β1、立項論證設計費率β2、初樣階段研制費率β3、正樣階段研制費率β4、定型批產(chǎn)階段費率β5，共5個指標。

將型號在初樣、正樣、定型階段的共有屬性產(chǎn)品研制費率設置為ρi(i＝1，2，3)，并按照整船工程和14 個分系統(tǒng)功能，共設置15 個費用指標，如式(4)所示:

初樣研制階段單獨設置整船系統(tǒng)設計費率、關鍵技術攻關費率、研保條件建設費率、地面設備研制費率、專項試驗驗證費率，共5 個指標，如式(5)所示:

正樣研制階段單獨設置研保條件維護費率、地面設備維護費率、火箭發(fā)射費率、在軌運營費率，共4 個指標，如式(6)所示:

定性批產(chǎn)階段單獨設置研保條件技改費率、地面設備升級費率、火箭發(fā)射費率、在軌運營費率，共4 個指標，如式(7)所示:

5 貨運飛船效費測算模型設計及應用

5.1 貨運飛船效費測算模型設計

對系統(tǒng)的效能數(shù)據(jù)和全周期費用參數(shù)數(shù)據(jù)進行歸一化處理，使其無量綱化，數(shù)據(jù)的大小直接反映貨運飛船完成既定任務的系統(tǒng)綜合特性的好壞。 系統(tǒng)效能指標如式(8)所示:

系統(tǒng)費用指標如式(9)所示:

不同性能貨運飛船的效費比如式(10)所示:

式中，x為貨運飛船的性能參數(shù)。

影響系統(tǒng)效能和費用的參數(shù)為數(shù)眾多，從宏觀經(jīng)濟學可以認為效費比的分布服從高斯正態(tài)分布，X～N(μ，σ2) ，其概率密度函數(shù)如式(11)所示:

式中，y為貨運飛船在不同性能x下，所求效費比ε(x) 的概率分布。 其分布函數(shù)圖如圖2 所示。 另ε′(x)＝0，便可找出系統(tǒng)的最優(yōu)解。

圖2 效費比分布圖Fig.2 Distribution map of cost-effectiveness

5.2 實例分析

由于各型號在初樣、正樣、定型階段的效費參數(shù)存在線性比例關系，以某型號的正樣研制階段為實例，在完成同一功能的情況下，對幾個關鍵性能指標影響系統(tǒng)的效費綜合特性進行分析。

根據(jù)該型號前期實踐成果，系統(tǒng)正樣可靠性指標α2取值為0.95；系統(tǒng)正樣安全性指標α3取值為0.99；通貨膨脹率＝(已發(fā)行的貨幣量-流通中實際所需要的貨幣量)/流通中實際所需要的貨幣量×100%，取官方公布數(shù)據(jù)；令β1值為0.073；β2、β3、β5均取值為0。

計算β4時，由于研保條件維護費率、地面設備維護費率和在軌運營費率占型號研制費的比率較低，火箭發(fā)射費率占比較高，但它主要和貨運飛船的外包絡、發(fā)射重量相關，而同一正樣型號、不同功能的貨運飛船在此方面基本無變化，在此暫不考慮這4 個計算因子，只計算正樣階段產(chǎn)品研制費率ρ2。 可得式(12):

5.2.1 仿真1

基于固定平臺，完成短時運貨作業(yè)，目標飛行器為貨運飛船提供能源供電時，不帶帆板型貨運飛船和帶帆板型貨運飛船的效費比比值如式(13)所示:

分布曲線如圖3 所示。

圖3 固定平臺效費比比值曲線Fig.3 Cost-effectiveness ratio curve of fixed platform

5.2.2 仿真2

基于固定功能，可重復10 次貨運飛船和不可重復使用貨運飛船的效費比比值如式(14)所示:

分布曲線如圖4 所示。

圖4 固定功能效費比比值曲線Fig.4 Cost-effectiveness ratio curve for fixed functions

6 結論

1)貨運飛船作為空間站工程貨物運輸、能量補給的重要工具，效費綜合特性具有先天性、綜合性、相對性、繼承性四大特征，引入效費綜合特性這類無量綱指標，可以反映不同性能的貨運飛船在完成同類任務時的好壞。

2)本文提出的效費綜合特性計算參數(shù)源于工程研制實際，效費測算模型通過了國內(nèi)某型號正樣研制數(shù)據(jù)的驗證，具有一定的推廣應用價值，但效費綜合特性源于工程總體研制總要求和系統(tǒng)性能設計結果，其中參數(shù)的選擇還需結合任務實際進行相適應的修訂，而且效費綜合特性指標要求應在型號立項論證階段引入，將更有益于獲得高效率、高效益的型號產(chǎn)品。

3)通過對貨運飛船效費綜合特性的建模和計算可知，承研單位可根據(jù)不同的任務需求，配置不同的設備，可以得到更優(yōu)的效費綜合特性(如短時間不供電可減配太陽電池翼、減配人機交互設備，不開展燃料補加時可減配壓氣機設備等)；此外，可重復使用的貨運飛船效費綜合特性明顯優(yōu)于不可重復使用的貨運飛船。