运载火箭技术经济分析初探

杨伟宏，岳晓飞，徐珊珊，孟庆丰，李 斌

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

在以往评价航天装备时，往往只着眼于常规的效能，即各种技术性能指标，对经济技术特性，如成本、价格等未给予足够的重视。在设计初期没有系统开展技术经济分析和全寿命周期费用论证，在后期发现问题时已错过了修正的最佳时机，经费使用效能不高，产品成本价格过高。

国内外都在研究如何控制和节约航天装备费用，使其先进性和采购费乃至全寿命周期费用之间能有科学的平衡，实现费用效能的最佳组合。随着高新技术的不断涌现，在现代航天装备中电子化、信息化、新材料、新工艺的选用越来越多，技术的集成度越来越高，研制过程中的技术、经济风险越来越大，超支和降低技术指标的情况时有发生，严重影响了资金的使用效能。

运载火箭从某种意义上也属于航天装备，由于采购数量相对较少，对单发火箭效能依赖越来越高，因此，也亟需开展有效地控制研制和采购经费的研究。

1 运载火箭技术经济分析的主要内涵

在对项目的分析论证中，最重要的就是技术经济分析，具体来说，即在一个工程项目尚未实施之前依据相关的分析手段和方法估算它的经济效用，并通过在不同方案之间的比较，从中优选出最经济、最有效的技术方案，从而使项目的投资决策建立在科学分析的基础上，为投资决策的科学化提供方法。

运载火箭技术经济分析主要关注具体型号技术实现过程中的经济效益和研制成本、价格等经济指标对技术发展的影响规律。分析工作主要分成[1]：全寿命周期费用的预测、成本费用估算以及技术和费用之间的关系协调与平衡。在具体工作内容上，通过对技术内容的总结、经济数据的收集、建立数学模型，并在实际工作中不断修正，科学地指导经济决策。

2 运载火箭技术经济分析的特征与指导思想

运载火箭是一类特殊的商品，同时也是全社会的公用产品，正是由于航天装备具有这种双重的属性，其技术和经济特征具有特殊性，需要正确的把握技术经济分析[2]。

2.1 技术特征

a）计划性强

航天装备研制与生产受到严格需求计划的限制，在不同的时间对不同装备的需求具有明确的计划安排，其生产经营活动不完全以经济指标为主导。当遇到重大的外部威胁和政策调整时，企业必须绝对遵照要求开展研制和生产，经费下达也是以计划为指导。

b）技术复杂，质量要求高

航天装备产品作为国家安全利益与经济利益的保障，不断要求技术创新和技术领先，并保证拥有自主的知识产权。因此航天装备对新技术应用要求高，专业领域涉及广，质量与可靠性要求苛刻。

c）研制周期长

航天装备产品研制过程中，为了确保研制的进度质量等各方面的要求，一般分为方案阶段、初样阶段、试样阶段和定型（鉴定）阶段，研制周期长，跨度大。

2.2 经济特征

a）供需双方存在信息不对称。

作为承研单位，由于无法提前获取航天装备最终的使用情况信息，在研制生产前无法得到采购的批量以及后续资金的支持情况，尤其完成初期论证和研发的项目能否立项对生产者而言都不确定。

因此，无论承研单位还是用户，在航天装备研制生产过程中都会面临不确定因素带来的大量风险，供需双方在识别、处置自身面临的各种风险的同时还要提防对方应对风险处置不当时对己方的影响。

b）产品的专用性强

航天装备产品无论是在投资还是在用途上，都具有极强的专用属性。为了保护这种专用性，国家和单位内部制定了一系列规章制度，保障研制资金专款专用，保证产品只能流通到指定的部门，不能向其它非用户部门转移，造成了产品替代性低，使得一些常规的经济学分析工具在分析航天装备时难以奏效。

c）市场调节手段有限

航天装备的商品特殊性使得市场调节的手段有限，估算十分复杂和困难。即使研究分析得出的结论对采办效果的影响并不起关键作用，没有真正进入市场环节，没有起到国防资源配置的杠杆作用。由于供需双方相对垄断的特点，即使引进竞争机制，也因国家需求有限及军工单位分工壁垒，市场调节能力有限。

2.3 技术经济特征综合影响分析

开展技术经济分析的目的是在全寿命周期内实现使用效能的最大化和使用费用的最小化，需要将技术参数和经济指标整合在一起，进行最优的决策。

在技术经济分析中，技术是引领。技术进步所引发的设计思想和理念的进步非常迅速，使得航天装备的技术含量越来越高，作战使用效能越来越高。从经济角度分析，设计、试验、验证手段的提高，极大提高了设计效率，同时也使设计更加复杂，经济与技术参数之间的配合越来越精准。

因此开展运载火箭技术经济分析，必须站在全局高度分析研究技术与经济问题，既要考虑技术引领，又要认识到新技术的采用是通过各个专业和产品之间的配合关系，经过复杂变换后才能体现出来，脱离应用环境和总体设计目标，力图简单得出某项技术的价值是不现实的。

2.4 运载火箭技术经济分析的指导思想

现阶段技术经济分析需要在明确技术经济分析需求和重要意义的前提下，捋清思路，总结方法，积累经验，按照当前运载火箭研制规律进行尝试、探索，最终形成相对固定的、可操作的分析模式。

由此在现阶段开展技术经济分析工作的指导思想为：以系统工程思想为指导，按照全寿命的范围要求，尝试建立技术与经济双向影响的关系，并能够对此关系进行合理评价，为运载火箭的技术经济决策提供依据。

3 运载火箭技术经济分析的思路与方法

通过近几年的探索，在开展航天装备技术经济工作中形成了一定的方法和经验。主要方法有类比估算法、工程估算法、参数估算法等[3]。

3.1 类比估算法

类比估算法是利用被预测的运载火箭与已完成研制任务运载火箭的特征进行类比，在已完成研制运载火箭费用的基础上得出新型运载火箭的费用数据。其主要思想是深入分析典型产品，以点带面，纵向类比分析新旧运载火箭技术特征和特性，横向类比分析新旧运载火箭选用的同类产品。这种方法应用比较广泛，要求费用分析和估算人员基本了解产品研制生产过程。通常用于对已有运载火箭改进费用估算和对已完成运载火箭继承性较大的运载火箭研制费用估算。

3.2 工程估算法

工程估算法主要思路是将运载火箭总工作量分成更小的工作单元，对每个工作单元的重复性劳动和材料等作累计并估算其费用，再把各个部分相加进而得出该项任务总的费用估算值。这种方法要求费用分析和估算人员对产品的研制生产过程具有一定的了解。如果采集的数据比较准确，就可以得出准确的结果。

层次分析法是工程估算法中使用较多的方法。其基本思路[4]是把一个复杂系统中具有共同属性的因素组成同一层次，不同类型的因素形成不同的层次；并且上层因素与其下层全部或部分因素相关联，形成按层次自上而下的逐层关联关系；通过各因素两两对比，通过层次结构逐级向上完成复杂系统分析评估。

层次分析法能统一处理决策中的定性与定量因素，把简单的表现形式与深刻的理论内容结合在一起，具有系统性强、简洁性显著、主观客观结合性好等特点，可以提高评价的准确性和科学性。

3.3 参数估算法

参数估算法是当前费用估算中应用最为广泛的方法。该方法的指导思想是以具有特殊含义，能够表达工程系统特性的参数组成费用方程或方程组，通过统计计算等方法建立费用和工程系统特征量级技术参数之间的数学关系式，也就是费用数学模型[5]。参数估算法需要对已建立的数学模型的可靠性进行检验后才能用于实际的估算工作。如果采用的是统计计算则需要基础数据的样本容量必须达到一定的计算要求，使用的样本与估算的产品或系统的时间距离越近越好，参数指标越近似越好。

随着新技术的不断发展，出现了大量新的参数估算方法，比如偏最小二乘法、神经网络法、数据包络分析法等。

3.4 技术经济分析与运载火箭研制阶段的配合关系

进行技术经济分析工作具体方法可根据实际情况，特别是掌握的数据情况确定。在有效数据充足的情况下可以选用精确计算的量化方法，如果可用数据不足或者可靠性不高可采用主观和客观相结合的方法。

由于不同阶段开展技术经济分析的重点不一样，因此选用方法也不完全一样，国内外开展类似工作成果中各种方法的具体使用情况如表1[6]所示。

表1 估算方法使用情况Tab.1 Usage of Estimation Method

4 运载火箭经济技术分析工作实践

技术经济分析要作为研制转段的必要条件，在研制之初，必须确定以总体技术为基础，逐步分解各个主要分系统的技术指标，按照性能对比、经费与效能评估、单价分析的工作思路开展技术经济分析。图1[7]是以某型号为例的技术经济分析工作模块示意。

图1 某型号技术经济分析工作模块示意Fig.1 Diagrammatic Sketch of a Certain Project’s Technical and Economic Analysis Work Module

4.1 性能对比

对该型号的主要技术指标分解情况、主要技术构成等进行分析和描述，按照主要分系统构成情况，分析分系统采用的关键技术和主要技术手段，以及具体技术指标的数值范围等，为后续进行详细的技术经济对比奠定基础。

以表2国际商业发射服务报价的发射价格、单位有效载荷发射价格、GTO运载能力为输入数据，采用基于输入的数据包络分析模型（DEA模型），对比分析了国际上主流运载火箭的投入产出效率，如表3所示[5]，表中CRS是基于投入不变的效率、S1是投入改进的效率、RTS规模效益。可以看出，效率最高的是宇宙神5重型、德尔它4H，中国的长征三号В处于第3的位置，欧空局的运载火箭位于中间靠前的位置，而俄罗斯的火箭处于中间靠后的位置，研发时间较早的运载火箭和日本的H2运载火箭整体效率较为落后。

中国新型运载火箭既要满足中国航天服务，也要参与国际商业发射服务市场的竞争。因此，必须瞄准国际先进水平，研发性能先进、可靠性高、成本底、满足产品化系列化需求的新型运载火箭。

4.2 类比分析与单价分析

在火箭单价预测中，按照结构复杂性、性能、技术水平等方面对总体关键技术指标，比如火箭直径、整流罩直径、火箭高度、起飞质量、运载能力、技术水平进行层次建模，如图2所示。

图2 运载火箭单发价格的层次分析结构Fig.2 Hierarchical Analysis Structure Diagram of Launch Vehicle Single Launch Price

然后就各指标对火箭单价的影响，按照层次分析法的要求进行两两对比，最后汇总结果如表4所示。

表4 技术指标对比Tab.4 Technical Index Comрarison

根据层次模型计算性能指标对单发价格的影响权重，见表5。

表5 计算结果Tab.5 Calculation Results

从表5可知，将得到的各性能指标的最终权重与性能增加值相乘后得到初步的评价值3.081[4]。由于参考型号的研制时间较为久远，考虑到货币的时间价值和一定的通胀率，评价值进一步修正为4.391。按照参考型号单发价格按照不同的载荷技术要求为18000～23000万元计算，新型号单发价格为 7.9038～10.0993亿元。

按照新型号GTO有效载荷为14 000 kg，人民币对美元的汇率为 7.0，发射费用为单发价格的 10%计算，新型号单位有效载荷发射价格为 8871.61～11335.95美元/kg。

4.3 研制费用的估算

从中国和国际上的数据分析，研制经费可以按照产品单价的9～15倍的数值进行预计。该型火箭具有较大的技术领先性、创新性和一定的继承性，技术性能基本处于国际水平，因此可初步按照12倍单价进行预测，也就是该型火箭研制费用在94.8 ～121.2亿元之间，均值为108亿元。

通过已有型号的经费使用规律，参考历史型号的经费使用情况，可以对主要分系统的经费使用情况进行初步的预测和分解，如表6所示。从表6看出，总体和箭体结构的所占经费比重最大，为研制经费总额的40%，其次为动力系统。

表6 运载火箭各系统经费比例关系Tab.6 Proрortion of Funds for Each System of Launch Vehicle

通过对某运载火箭的分析计算，可得出其研制经费、单发价格的估算值，完成从技术指标到经济指标的转换。由此可以看出，该型号技术性能已经接近或达到国际领先水平，研制经费投入远远小于国外同类型号，单位有效载荷发射价格接近国际水平，具有很好的经济性。

5 结 论

开展运载火箭技术经济分析，具有重要的理论和实践意义。通过技术经济分析，可以建立技术性能与经济指标的匹配关系，合理制定技术经济指标，确保运载火箭的研制生产更加符合国家和企业自身需要。同时，通过本文的运载火箭技术经济分析研究与实践，初步构建了较完整的运载火箭全系统技术经济分析架构，可为后续运载火箭研制开展技术经济提供了有益的探索和的借鉴。