民用飞机经济性设计

民用飞机经济性设计

叶叶沛¹　李晓勇¹

（1．上海飞机设计研究院市场研究中心，上海　200232）

摘要：本文分析了民用飞机经济性设计的意义、影响民机经济性的市场、政策、机型和技术四类因素，最后简要讨论了民机经济性设计方法。

关键词：民用飞机经济性；飞机直接运行成本

Design for Economics for Civil Aircraft

Ye Yepei ¹ Li Xiaoyong¹

(1.Market Research Center,Shanghai Aircraft Design and Research Center,200230)

Abstract:This paper first describes the importance of design for economics in the design of civil aircraft.Four types of factors affecting the economic aspect of civil aircraft design are then analyzed.Methods that can be used for economic analysis and design are given.

Key words:Operational Economics;Direct Operating Cost

1　民用飞机经济性设计的意义

20世纪六七十年代，民用飞机的航空基础技术取得了突飞猛进的成就，例如，空气动力学在高升力和跨声速阻力设计上取得突破；高涵道比涡扇发动机的出现和发动机模块化设计，使得民用飞机的高燃油效率和系列化发展成为可能；材料、冶金技术和结构完整性设计的研究，使得飞机的重量和寿命有了极大的改善。航空基础技术的成就使得飞机的速度、高度和商载能力的记录被不断刷新，飞机的安全性和经济性得到实质性改善，成为人们出行可依赖的交通工具。

1978年，美国政府为激励航空运输市场的发展，放宽了对航空运输业的市场监管，结束了由传统航空公司垄断航线、票价受政府监管的局面。随后大量涌入市场的新航空公司引发了激烈的价格竞争，航空票价大幅下降，“枢纽—辐射”式航线网络逐渐形成，低成本航空公司应运而生并风靡全球，航空运输出现了长期稳定发展并走向大众化（见图1）。来自航空公司的大批飞机订单和降低飞机直接运行成本的巨大压力，使得飞机制造商的民用飞机发展战略，出现了从以技术创新为主导向以市场经济性为主导的重大转变。

图1　美国国内航空客运周转量和收益变化

转向以市场经济性为核心价值的现代民机设计，是创造今天航空运输业繁荣的基础。如同虚拟的互联网对全球化经济带来巨大贡献那样，走向大众化的实体航空运输网络，已成为全球化经济的重要支柱。由于其网络化、快捷和舒适的突出优势，除了对交通运输业和航空制造业的直接贡献外，航空运输网使得全球经济及商务活动与市场的联系更快捷有效，刺激了地区及国际贸易和投资，增进了企业的规模化和竞争力，加速了人才、文化和科技的国际和地区间交流。航空业投入100万美元的研发费用，对社会产生每年70万美元的GDP增值贡献^［2］。

“四性”（安全性、舒适性、经济性和环保性）是衡量交通工具市场适应性和发展前景的核心指标。

舒适性：快速使得航空运输具有明显的舒适性优势，尤其是远程旅行。

环保性：从表1可以看出，航空运输与目前占主导地位的公路交通方式（公交大巴和汽车）相比，在油耗和排放方面具有一定的比较优势。A380飞机的燃油效率不超过每客百公里油耗3升。

表1　各种运输方式的客百公里油耗数据比较（数据来源：维基网）

安全性：普遍采纳的适航法规（FAR/CCAR等），使得航空运输在安全性上具有明显优势（见图2）。

图2　各种运输方式安全性比较（数据来源：美国运输统计局）

在交通运输体系中，经济性是航空运输唯一的薄弱环节，因而经济性成为民用飞机的核心设计目标是必然的。

2　影响飞机经济性的四类因素

民用飞机经济性，除了取决于航空公司自身的经营外，还受到下述四类客观因素的影响，即市场因素、政策因素、机型因素和技术因素（见表2）。这四类因素的影响并不是独立的，相互之间存在内在联系。

表2　影响飞机经济性的四类因素

2．1　市场因素

航空市场的需求，是飞机开发商推出新项目并从市场获得商业利益的立足之本。航空公司必须深入研究航空市场特点，选择适合的机型和经营模式，才能从运营中获得理想的经济效益。

2．1．1　国民经济发展和航空市场需求量

飞机开发商启动新飞机项目之前，必须预测未来航空市场需求量。经济发展是航空市场发展的主动力，旅游业的发展、居民可支配收入的提高、城市化、航空基础设施的改善、替代交通的发展和产业政策等因素，都对航空市场产生影响。亚太地区和金砖五国（中国、印度、俄罗斯、巴西和南非）经济的快速发展，已使得这些地区成为全球未来重要的航空市场（见图3）。

图3　中国和全球航空市场需求量预测（2011～2030年）

对航空市场需求量、新研发机型的目标市场分享量、目标售价和盈亏平衡点的评估，是新研发机型初步设计结束时做出“go-ahead”决策的重要依据。图4给出了利用飞机全寿命成本方法得到的某型号飞机盈亏平衡点分析结果，其中飞机的研制成本和制造成本是依据初步设计参数计算的；飞机销售收益是依据目标售价扣除销售成本和售后服务成本得到的；目标售价是依据飞机运行经济性评估和同类竞争机型的市场现价来确定的。目标市场分享量大于盈亏平衡点的架数，是判断项目经济性的最低标准。

图4　某型号飞机盈亏平衡点分析

2．1．2　运行环境

不同的市场有不同的运行环境，同一款飞机在不同的市场，会有不同的经济性。即使在同一个市场区用同一款飞机运行，由于经营模式不同，也会有不同的经济性。因而对于不同的市场，应该建立不同的运行经济性分析模型，并考虑经营模式的影响。

实例1：民用飞机在中国和美国的运行成本构成差别很大。在中国，西部的高原机场和高原航线将引起运行成本增加，国内航线的平均距离约为650nmile（1nmile＝1．61km），起降费较高，征收民航建设基金。在美国，几乎没有跑道长度限制问题，无高原机场和高原航线，国内航线的平均距离为758nmile，机场作为公益设施收费低廉，导航不收费，空勤成本很高，直接运行成本的定义不同（把餐食费和地面操作费等计入间接运行成本）。图5比较了A320飞机在美国和中国市场的直接运行成本的分析结果。

实例2：50座级的小型喷气支线机（CRJ200和ERJ145等）的座公里直接运行成本（DOC/座公里）很高，在中国（尤其是在西部地区）运营严重亏损。但是，1993年以来美国航空市场先后引进了千余架CRJ200/ERJ145，用于枢纽机场的支线运营（主要目标旅客是对票价不敏感的公商务旅客），为网络航空公司集散旅客。网络航空公司依赖支线运营获得可靠客源，并向支线运营商按起降次数支付补贴。支线运营商依附网络航空而生存，获得机票销售和网络航空的补贴双重收益，有一定赢利空间。

图5　A320飞机在美国和中国市场直接运行成本比较

2．1．3　客流量、航班频率、上座率和机票折扣率

客流量、航班频率和上座率等参数是航空公司选择机型的基本依据，机型偏大或偏小对飞机运行经济性影响很大。简单讨论一下客流量、航班频率、上座率和机票折扣率等市场参数之间的相互关联性是有必要的。航空的核心价值是“时间”，如果在某一航线运行的机型过大，因而日航班频率偏低，旅客需要等待，他可能转而选择其他替代交通方式（如高铁或公路）出行，或选择其他航空公司的航班，上座率必然受到影响，甚至需要用高机票折扣率来招揽旅客，航空公司的经济利益将受到严重损害。高的航班频率、高的航线覆盖率和高的航班衔接率，才能充分体现航空的时间价值，让旅客体验到航空的快捷和通达。

2．1．4　行业竞争与低成本航空公司

不同的航空公司可能有不同的市场定位，针对不同的客户群体，采取不同的运营模式，选择不同的机型，对飞机经济性有不同的着眼点，飞机的运行成本可能有很大差别。英航的豪华型三舱布局，对市场全面出击，走高品牌路线；多数航空公司采用两舱布局（商务舱和经济舱），着眼于航空市场的主体；美西南航首创的低成本运营模式，对全球航空市场带来很大的冲击，低成本运营模式的基本特点是（见图6）：单一机型、单舱高密度布局、高客座率、达到高的日利用率、机票直销（无销售佣金支出）、简单的收益管理、无免费餐饮和休息间服务、托运行李收费、使用二线机场以降低起降费和缩短过站时间。

图6　低成本航空与全服务航空运行成本比较（英国统计数据）

2．1．5　油价和排放

图7给出了美国航空市场油价和燃油成本的波动和变化图线。高油价已使得燃油成本成为运行成本中最大的成本项。高油价和排放的限制引起了航空公司加速老旧机队的更新，单位油耗高的小型喷气支线机停产。高油价和排放的限制也导致了飞机制造商不断开发新的节能技术（减阻、减重和节油）和替代能源。

2．2　政策因素

包括适航法规、环保法规、产业政策和税收政策等在内的政策，对飞机运行经济性产生重要影响。

美国和欧洲拥有完整的航空制造商和供应商体系、完整的适航法规和验证体系，以及完整的航空融资和租赁体系，美国和欧洲的航空产品基本垄断了全球航空运输市场，美国和欧洲适航当局颁发的飞机适航证已经成为市场准入的“通行证”。利用技术出口限制、适航法规和环保法规（欧洲的排放交易系统）来抑制中国航空产业的发展，是欧美政府维持其企业竞争力常用的非竞争手段。在美国，导航不收费，机场服务具有“公益”性质，收费低廉（约占运行成本的2%），有利于航空运输业的发展。

图7　美国航空市场油价和燃油成本的变化

在中国，对进口使用空重低于25t的民用飞机征收17%的增值税和5%的进口税，对进口使用空重高于25t的民用飞机（对应于支线机）征收5%的增值税和1%的进口税，目的在于适度限制中国有研发能力的支线机的进口。中国机场和航站设施是经营性的，收费较高（约占运行成本的12%～15%），征收民航建设基金，不利于旅客支付能力较低的西部地区航空运输业的发展。国产民机的运行刚起步，目前的购机税费减免和国家财政补贴政策仅使得国产飞机直接运行成本降低约2．5%，更有效的国家政策支持是必要的。

2．3　机型因素

机型因素（座级、航程能力、速度、机场适应性和舒适性等）是影响经济性的关键因素。航空公司依据目标市场的需求和经营战略选定机型。

2．3．1　座级和航程

一般来说，座级越大，航程越长，单位座公里的运行成本越低（见图8）。但是，飞机座级的选择必须符合市场规模（客流量）和航线距离（见表3）。

图8　各机型平均航距和座英里成本比较（美国2009．10～2010．9统计数据）

表3　市场规模与机型的选择

实例：300座级的B777飞机在国际航线上运营有良好经济性，但在短程航线上运营远不如B737等窄体机。表4比较了B777-200与B737-800飞机在短程航线上运行的经济性，分析采用了相同的分析模型和相同的运行环境条件，平均航线距离为1 500km（模拟飞行京沪穗航线），较高的维修成本和起降费使得B777-200的座公里成本比B737-800高15．6%。

表4　B777与B737短程航线运行经济性比较（2011年中国运行经济环境）

2．3．2　客舱舒适性

客舱舒适性主要体现在客舱的横截面积、客舱布局和旅客娱乐设施配置上，高的客舱舒适性必然要付出经济性的代价，当收益足以抵消成本的增加时，航空公司将会选择高的客舱舒适性。

客舱布局可分头等舱、商务舱、豪华经济舱（economy plus）和经济舱。航空市场中各类旅客群体的支付能力、对舒适性追求和对价值观的理解有很大差异，公商务旅客群体对舒适性较为敏感但对票价不敏感，旅游休闲旅客群体则对票价较为敏感但对舒适性不敏感；航线距离和时间越长，对客舱舒适性要求将越高。因此，客舱布局和旅客娱乐设施配置的决策取决于航线距离和航空公司的目标市场和战略定位。

2．3．3　机场适应性

在不利的机场条件（高温、高原、短跑道或低PCN值跑道）下运行，飞机可能要减载，或要求增大机翼面积，或要求提高增升装置的效率，或要求安装大推力发动机，甚至限制运行。在高高原机场运行，飞机需要做氧气和增压系统改装，要求发动机满足120分钟ETOPS标准，对飞行机组的资质有严格的要求^［5］。因而机场适应性可能导致严重的经济性代价。

美国的航空基本设施先进，经验证的、能用于9座以上飞机起降的民航机场551个（2010年统计数据），高密度的机场分布使得可选择的备降机场距离较近，飞机起降几乎不受高温、高原或短跑道等条件限制，典型的高原机场是丹佛机场，标高1 655m。欧洲的机场条件类似于美国。机场适应性问题在欧美并不突出。

中国民航的通航机场有181个（2011年数据），机场分布密度低，有时使得可选择的备降机场距离很远。如图9所示，在中国现有高原机场（标高1500～2438m，包括标高1985m的地区枢纽昆明机场）14个，高高原机场（标高2 438m以上，包括标高3448m的九寨沟机场）9个，基本都在中国西部。中国西部地形复杂，修建高速铁路和公路困难，发展航空运输受到重视。高温/高原机场适应性对飞机运行经济性的影响是中国飞机设计师必须面对的严峻课题。

图9　中国民航机场统计数据

2．4　技术因素

航空基础技术的进步，使得飞机的经济性不断改善。图10表明，1960～2000年的40年间，发动机的耗油率降低了40%，飞机的每座耗油降低了70%。表5列出了影响运行成本的主要技术参数及其影响。

图10　1960～2000年新入市飞机的发动机耗油和飞机每座耗油的演变

表5　影响成本的主要技术参数

假设飞机的座位数和设计航程已经确定，技术因素对飞机经济性影响的分析可以分以下两种情况来讨论。

2．4．1　在初步设计阶段，用于设计优化

在初步设计阶段，可以利用先进技术对设计方案进行优化。例如，当采用低油耗先进发动机时，所需载油量、轮挡耗油和备份油将减小，所带来的“雪球效应”包括：机翼、机身中段、平尾和起落架重量将相应减小，需要的推力相应减小，因而飞机的使用空重、起飞重量和着陆重量相应减小。

2．4．2　先进技术用于改型设计

在改型设计中，飞机的设计重量和发动机推力要求可能维持不变。先进技术对飞机经济性的影响是独立的。

表6示例分析了先进技术对飞机经济性影响。表6中的模拟机型A为160座、设计航程5000km的窄体机。在设计优化的条件下，当模拟机型A采用巡航耗油率降低5%的先进发动机时，座公里DOC将降低2．6%；当模拟机型A采用减阻2%的先进气动设计时，座公里DOC将降低1%。但是，在先进技术用于改型设计时，结果有所差别，当模拟机型A改装巡航耗油率降低5%的先进发动机时，座公里DOC降低1．9%。除了DOC降低外，还应当注意到，在表中的计算条件（航段距离650nmile）下，低耗油率使得载油量减少208kg（包括备份油），在临界条件下，可以增加两名乘客。

表6　先进技术对飞机经济性影响分析示例

（续表）

3　民用飞机经济性设计方法讨论

3．1　民机和军机经济性设计方法比较

表7比较了民机和军机的研发要求。两者有很大不同，所采用的经济性分析方法也有所差异。民机通常按最低DOC（直接运行成本）设计产品，使得航空公司从飞机经营中获得最大经济收益。军机强调最低LCC（全寿命成本），使得军方能够把系统的总支出控制在经批准的总经费预算之内^［8］。由于LCC方法要对飞机的设计和制造成本进行分析，有助于控制研发成本和确定飞机售价，因而也受到民机制造商的重视。

表7　民用飞机和军用飞机研发要求比较

3．2　民机和军机的定价方法比较

分析飞机的运行成本，首先要知道飞机的目标价格。飞机有两种定价方法：成本定价和市场定价。军机和公务机通常采用成本定价，飞机售价为研制成本加制造商的收益；商用飞机通常采用市场定价。今天的商用飞机市场，竞争全球化、价格高度透明，飞机价格不再取决于成本，而是由其市场价值来确定。

表8　飞机定价方法

决定客机价格的第一级参数是座位数和航程（见图11），因为航空公司的收益取决于座位数和航程（见图11）。第二级参数是运行成本、速度和舒适性。第三级参数是飞机的竞争性（包括残值、共通性和品牌形象等）。利用飞机使用空重来估算飞机价格也是一种常用方法（见图12）。

图11　飞机市场价格示例

图12　飞机价格与使用空重的关系

3．3　直接运行成本（DOC）分析方法

图13给出了常见的民用飞机运行成本分类方法。从机型成本分析角度来看，飞机总运行成本可划分为直接运行成本和间接运行成本。从经营成本分析角度来看，又把直接运行成本和间接运行成本进一步划分为固定成本和变动成本。经营成本分析法适用于航空运营商，他们往往统筹优化管理各种机型的变动成本。

图13　民用飞机运行成本分类

机型成本分析法适用于飞机设计工程师，因为它是针对单一机型（或机队）的经济性分析方法。对民用飞机的直接运行成本和间接运行成本的划分，航空业内并无统一的规定。一般来说，直接运行成本由所有权成本、燃油成本、空勤成本、起降费、地面操作成本、导航费和维修成本等项目构成；间接运行成本包括机票预定和销售、广告和宣传、行政管理、地面资产和设备的租赁、维修和折旧等成本。

间接运行成本基本上取决于航空公司的经营，与具体的机型关系不大，而直接运行成本主要取决于飞机设计特性。因此，直接运行成本分析已成为现代民机设计的重要工具，通常以直接运行成本最低来优化各种设计参数，也把直接运行成本分析运用于运行优化和同类机型的竞争分析。图14给出了适合于中国运营环境的飞机直接运行成本的构成。

图14　适合于中国运营环境的飞机直接运行成本的构成

3．4　DOC分析方法应用的基本原则

在运用DOC分析方法进行飞机经济性优化设计和同类飞机竞争分析时，下述基本原则有助于获得合理的分析结果。

（1）不同的市场，不同的运行环境，不同的运行模式，应该采用不同的DOC分析模型，或采用不同的运行参数假设。

美国、欧洲和中国航空市场的DOC分析模型有较大差异；贷款购机或租赁飞机的固定成本计算模型是不同的；低成本航空公司的飞机利用率可能较高，维修模式可能不同。

（2）在统一的典型（或标准）的假设前提下进行DOC分析和竞争性比较。

在设计优化或竞争分析中，必须采用相同的平均航段距离（支线机通常为500nmile）、相同的客舱舒适性标准（采用相同的排距）、相同的年利用率、相同的上座率、相同的任务飞行剖面和备份油标准。

（3）当发动机推力或机体重量变化时，应考虑发动机和飞机价格的相应变化。

如果没有更合理的价格估算方法，下述方程可用于粗略估算。方程式中，AP和EP分别指飞机和发动机的价格，MWE指制造空重，SLST指发动机海平面静推力。下标BASE和VAR分别指“基准型”和“改进型”。

（4）DOC分析的表达形式：DOC/航段，DOC/轮挡小时，DOC/座公里。

图15示例给出了同类飞机DOC竞争分析扇形图。DOC应该在相同的航段距离条件下进行竞争比较，图线以“DOC/（元/公里）”为横轴，它表述“单位航段的成本”，值越小则一次飞行的成本越低；以“DOC/（元/座公里）”为纵轴，它表述座公里成本，飞机的座级越高，通常座公里成本越低。不同的座级不宜直接比较DOC，通常画出描述座级的射线族，沿这些射线方向比较DOC是合理的，因此，这种DOC比较图线也称作“扇形图”。

图15　同类飞机DOC竞争分析扇形图示例

参考文献

[1] Harrison G J.Challenge to the Boeing-Airbus Duopoly in Civil Aircraft:Issues for Competitiveness[R].Jul.25,2011.CRS Report for Congress,www.crs.gov.

[2] Oxford Economics[G/OL].Aviation-The Real World Wide Web,2009.

[3] Kundu A K.Aircraft Design[M].Cambridge University Press,2010.

[4] Willcox Karen.Aircraft Systems Engineering:Cost Analysis[G].MIT lecture notes,Sep.2004.

[5] 中国民航总局飞行标准司.航空承运人高原机场运行管理规定(AC-121-21)[S].2007.

[6] 唐豪.市场分析与营销策划[M].上海:上海财经大学出版社,2002.

[7] Peeters P M,Middel J,Hoolhorst A.Fuel Efficiency of Commercial Aircraft:An Overview of Historical and Future Trends[R].NLR-CR-2005-669,2005.

[8] Cost Analysis Improvement Group.Operating and Support Cost-estimating Guide[G].Office of the Secretary of Defense,USA,October 2007.