浅析影响民用飞机经济性的几点设计因素

浅析影响民用飞机经济性的几点设计因素

彭　雄¹

（1．上海飞机设计研究院环控氧气系统设计研究部，上海　200436）

摘要：民用飞机的设计是一个非常复杂的过程，基于其高技术、高投入、高附加值以及长周期的特点，在设计伊始就仔细考虑全寿命周期成本的问题，对提高飞机的经济性具有重要的意义。本文通过对飞机座舱客座数、飞机运营环境和各系统方案选择三个方面的分析，探讨了设计阶段方案定义对飞机经济性的影响。

关键词：经济性；客座数；运营环境；系统方案；对比

A Brief Analysis of Some Design Factors Which Affect the Civil Aircraft Economics

Peng Xiong¹

(1.Department of Environment Control System,Shanghai Aircraft Design and Research Institute,Shanghai 200436)

Abstract:Design of the civil aircraft is a quite complicated process.Based on the characteristics of high-technical,high-input,high-added value and long period,it is very important to consider the Life Cycle Cost at the beginning phase for improving the aircraft economics.This paper discussed the impacts from proposal definition to aircraft economics at the design phase from three aspects,which are cabin seat number,aircraft operation environment and system selection.

Key words:Economics;Cabin Seat Number;Operating Environment;System Proposal;Comparison

0　引言

民用飞机的设计主要追求四个指标：安全性、经济性、舒适性和环保性。除了安全性，最重要的指标就是经济性。据美国戴姆勒·克莱斯勒宇航公司（DASA）对全球各航空公司选购飞机关键因素的调查，无论是哪个地区的哪家航空公司，均将飞机的经济性放在了首位^［1］。

由于民用飞机的利润是以市场为基础，它必须严格控制成本，要想做成功，就得综合考虑市场开发、生产、营销、服务等各个环节，使成本最小化。所以，如果忽略了对民用飞机经济性的研究或者分析计算结果不准确，很可能直接导致飞机不能够获得足够的启动订单而被迫下马，或者因为无法持续销售而被竞争激烈的国际航空市场所淘汰。同时，由于航空工业高技术、高投入、高附加值以及长周期的特点，在飞机设计的早期阶段，就需要对设计机型的经济性进行分析。飞机经济性分析的核心内容是对飞机系统进行全寿命周期成本的估算和分析，进而对飞行经济性做出评判。飞机全寿命周期成本（LCC）指的是飞机整个寿命周期所产生的全部成本。实践证明，全寿命周期成本的95%在设计阶段已经决定^［2］。而且，花费仅占全寿命周期成本3%的早期设计阶段（概念设计和方案验证阶段），会决定全寿命周期实际成本的85%，由此可以看出早期设计对飞机经济性的重要影响。

民用飞机的运营总成本包括了两部分的内容：直接运营成本（DOC）和间接运营成本（IOC）。直接运营成本反映的是与飞机设计特点相关的成本，而间接运营成本反映的是与营运策略相关的成本。作为工程设计人员，在飞机型号的初始设计阶段就考虑飞机直接运营成本的相关内容，是提高飞机经济性和竞争力，改进优化后续机型的有效措施之一。本文提出了三点隶属于直接运营成本的设计内容，通过不同方案的经济性对比，强调系统早期设计对飞机经济性的影响。

1　座舱客座数的确认

座舱客座数是民用飞机设计参数的首要指标。一般来说，客座数越大，飞机的经济性就越好。例如，有“支线盈利机器”称号的A300-600飞机，它对飞机的上层空间进行了合理的利用，相对于竞争机型增加了28个座位，结果是在载客率相同的情况下，根据空客公司的报告，A300-600比竞争机型每年会多盈利约140万美元。

参考目前世界上最畅销的几类民用飞机的数据，决定飞机座舱客座数的因素主要有三个。

飞机运营的航线距离

航线距离直接影响着旅客对座椅间距和客舱空间的舒适性需求，决定着客舱座位的数量。调查表明，国内90%以上的航线距离是在2 000km以内，最常见的航线距离在1000km左右，平均飞行时间小于2小时。表1为国内主要航线的航段距离统计。

表1　国内主要航线的航段距离

根据航线长度，对于面向此类航线的民用飞机，在对座舱进行布局的时候，可采用典型的排距为31in（1in＝0．025 4m）左右的全经济舱布局或可选的两级客舱布局。目前世界上在役或正在研发的几款面向此类航线的飞机（主要是支线飞机），例如CRJ700/CRJ900飞机，ERJ190/195飞机和即将投入市场的ARJ21飞机几乎都是如此布局。

而对于长距离航线，据调查数据，世界上有85%以上的国际或地区航班，航段平均飞行时间为5～8小时^［3］。在这个飞行区间内，相对于支线飞机，需要对飞机的客座排距加大，提高客舱的舒适性。例如，目前世界上在这个运行区间占统治地位的A320和B737，典型两级布局方式的经济舱座位排距都是32in。

综上所述，航线飞行距离的长短，决定了旅客对飞机座位排距的要求。只有在一定程度上满足了旅客对舒适性的要求，才能保证飞机能有足够的上座率。片面地提高客座数，不仅不能带来经济效益，反而可能得不偿失。

运营机场的旅客吞吐量

民用飞机为什么会有干线飞机与支线飞机之分，主要就是考虑到不同市场需要不同座级的飞机，飞机座级需要与机场旅客吞吐量相匹配。支线飞机不能够满足国际国内干线运输能力的需求，而如果用干线飞机去执行支线任务，如果上座率不够，很可能发生亏损。例如，假设一架200座的干线飞机，其每座位成本仅是另一架50座支线飞机的一半，若同时执飞某条只有50人搭乘的航线，则50座的支线飞机因位能够达到100%的上座率而实现较好的盈利，而200座干线飞机则处于亏损中；若客座人数提升到100人，则该200座飞机方能达成与已满座的50座飞机同等的财务收益。

所以，飞机座舱客座数必须与运营机场的航线需求相适应。客座数过多不仅会直接影响飞机的舒适性，对配套系统的性能要求也更高，增加设计成本，而且，如果达不到一定的上座率，必然影响航空公司的经济收益。

航空公司的运营策略

航空公司会根据自身的服务定位和对经济收益的追求程度，选择不同客舱布局的飞机。所以飞机设计人员在进行客舱布局时，还需要根据航空公司的实际需求来进行客舱布局。只有满足了航空公司目标市场的需求，同时能被旅客所接受的飞机，才能既帮助航空公司提高飞机的使用效率，提高经济收益，又赢得旅客的认可，实现经济利益和品牌形象的双赢。

综上所述，把握飞机的客座数、上座率和舒适性之间的关系，对提高飞机经济性有直接影响。同时，随着国内经济的持续发展，国人对飞机舒适性要求的不断提高，在考虑后续机型的时候，需要在客座数方面进行调研和再确认。

2　运营环境的确认

对于民用飞机，运营环境包括非高原机场（海拔高度在4922ft（1ft＝0．305m）以下的机场）和高原机场（高原机场分为两类，一般高原机场指海拔高度在4 922ft以上8000ft以下的机场，高高原机场指海拔高度在8000ft以上的机场）。相对于非高原机场，高原机场对运营飞机各方面的性能要求都更高，例如所需发动机的推力更大，关键系统的可靠性要求更高，对相关系统设备（如空调系统和氧气系统等）的性能要求更高，营运过程中的运行和维护标准更为严格，使用成本也更高等。所以，在飞机设计的初始阶段，设计人员首先需要明确飞机将会面对的运营环境。非高原型飞机显然不能用于在高原机场的运营，而用高原型飞机去执行非高原航线的任务，即为“大马拉小车”，是非常不经济的。

例如，用于为飞机乘客提供应急氧气的旅客氧气系统，面对高原机场和非高原机场两种不同的运营环境，技术上的区别对经济性的影响也很明显。

面向非高原机场的机型可以采用常规的化学氧发生器，布置于乘客座位顶部的旅客服务单元（PSU）里面，应急时通过迅速的化学作用向乘客提供氧气。采用这种方式，设备3～5年更新一次，技术成熟，安全性高，维护方便，还能够合理利用空间。

而对于面向高原机场的机型，由于旅客对氧气的需求量更大，所以需要采用体积很大的化学氧发生器，如果旅客服务单元空间不够，甚至需改用氧气罐存储氧气的方式。这样，需要在货仓区域预留空间放置氧气罐，在客舱布置氧气管道，增加一系列的控制和监测元件，不仅会占用过多的空间，增加系统的重量和复杂性，给飞机安全性带来影响，而且，高压氧气罐如果维护不当还容易发生火灾，由此必然造成装卸和维护成本大大增加。

所以，在飞机设计的初始阶段，就对运营环境进行明确，不仅会避免设计工作中可能出现的不必要的复杂性，对减少飞机相关系统的设计成本和维护费用等直接运营成本，也有重要作用。

3　各系统方案的选择

众所周知，民用飞机的设计是一个复杂的系统集成过程，具体内容包括结构强度、航空电子、电源电气、液压燃油、动力装置、环控氧气和防冰除雨等诸多系统。在进行各系统设计时，不能片面以提高技术先进性为目的，只有兼顾功能与经济性，才能设计出最合理的方案。下面就以民用飞机短舱防冰系统的两种方案进行对比说明。

民用飞机发动机短舱前缘会聚集大气中的水分，在连续最大结冰和间接最大结冰环境下，容易形成冰块。结冰首先会影响短舱前缘形状，造成气流紊乱，影响发动机稳定工作。如果冰块体积较大，脱落后进入发动机，还会损害发动机内部元件，对飞行安全构成影响。所以民用飞机对发动机短舱前缘的防冰工作非常重视。目前世界上民用飞机短舱防冰的方法主要有两种。

热气防冰

简单来说，热气防冰是指将发动机引气产生的热空气通过安装在短舱前缘的笛形管喷射到短舱前缘的蒙皮上，通过调节热空气流量来实现短舱前缘的防冰除冰。

电加热防冰

电加热防冰是在短舱前缘布置一定数量的电加热器，通过传感器监测蒙皮前缘温度，控制器自动控制加热器的功率，从而实现短舱前缘蒙皮表面的防冰除冰。

对两种方案进行对比：

首先，热气防冰技术已在民用飞机上使用多年，技术成熟，控制方法简单，可靠性高。电加热防冰技术先进，能够实现较高的精度控制，但对电子元件的依赖性高，成本也高。

其次，根据理论分析和计算，电加热防冰系统对热能量的利用效率更高。为了达到同样的效果，热气防冰系统所使用的热量几乎是电加热系统的1．5倍。

第三，热气防冰系统由于需要布置较长的引气管路和控制活门，部件较多，所以重量较电加热防冰系更大，但是响应时间更快。

第四，电加热防冰系统需要飞机主电源提供大功率的供电，严重影响飞机上其他系统的用电需求。如果飞机主电源能力不够，在短舱内甚至需要单独配置发电机。这样，不仅会增加飞机的复杂性，对工程设计经费的需求也会大大增加。

基于上面四点，抓住系统最本质的需求，在满足短舱防冰除冰需求的情况下，综合考虑技术和经济性方面的因素，故目前世界上几乎所有大型喷气式客机的短舱都是采用的热气防冰方式。

4　结论

本文对影响飞机经济性的隶属于直接运营成本的几个主要设计因素进行了分析，强调了在满足系统需求的同时，需要注意系统方案对飞机经济性的影响。通过方案对比，可以得到一个明确的答案，在飞机设计初期对一些涉及全寿命周期成本的输入进行确认，诸如飞机座舱客座数、运营环境和飞机各子系统方案的定义等，会直接影响到飞机的设计成本以及运营后的经济收益和维护成本。

参考文献

［1］保罗·克拉克．大飞机选购策略—航空公司机队规划［M］．第二版．北京：航空工业出版社，2009：102-103．

［2］张恒喜．现代飞机效费分析［M］．北京：国防工业出版社，2001．

［3］吴棣华．航空公司飞机客舱布局选型的探讨［J］．民用飞机设计与研究，2006（4）：44-46．