货运飞船效费综合特性研究

胡海勇， 刘家川， 李甲申， 杨伟杰， 巩朝阳， 石 泳

(1. 中国空间技术研究院钱学森空间技术实验室，北京 100094；2. 中国空间技术研究院，北京 100094；3. 中国空间技术研究院总体设计部，北京 100094)

1 引言

载人航天工程一直是高先进性、高复杂度、高集成化、高信息化工程的突出代表，随着人类探索浩瀚宇宙的步伐不断迈进、现代科学技术的发展不断提速[1]，大量高新技术应用于载人航天工程的各类航天器，用以增强系统功能和性能，使航天器奔赴月球、踏上探索火星的新征程。 伴随着载人航天工程奔向更远深空的同时，其技术难度、研制经费、研制周期大幅增加，技术、经费、进度的风险也不断提高。 为此，新型载人航天器的立项论证决策越来越谨慎，在论证需求和技术可行性的基础上，还需关注经费需求能否支撑，效能是否满足要求，兼顾系统的先进性和经济型，确保载人工程各类航天器“研得起、用得起”和“好用、顶用”。

早在20 世纪60 年代，美国就开始对武器装备的系统效能和全周期费用开展了专题研究。 中国早在1992 年也制定了GJB1364-92《装备费用-效能分析》，作为中国装备寿命周期各阶段管理费用和效能的基本依据文件，并在航空领域取得了一系列研究成果。 唐长红[2]对航空武器装备的经济性与效费开展了深入研究；张恒喜[3]对现代飞机的效费分析开展了一系列研究；许哲[4]对武器装备的项目进度、费用和风险的一体化管理进行了总结研究；葛姗姗等[5]对各类商业运输飞船的研发投入和发射成本进行了分析，并提出了高性价比的概念，但尚未形成一定的研究成果和科学的实施方法。

本着“航天要向航空看齐、航空要向汽车看齐”的效费管理策略，本文选取载人航天工程中具有批产化、多型谱特征的货运飞船作为研究切入点，开展载人航天器的效费综合特性研究。

2 货运飞船研制现状分析

货运飞船作为载人航天工程的重要组成部分，具有载人航天器的显著特征。 当今世界上设计并成功飞行了多型货运飞船，主要有中国的天舟货运飞船、俄罗斯的进步号系列货运飞船、美国的天鹅座和龙货运飞船、欧空局的自动转移飞行器(Automatic Transfer of Aircraft，ATV)、日本的轨道转移飞行器(H-II Transfer Vehicle，HTV)。

2.1 天舟号系列货运飞船

天舟系列货运飞船由天宫空间实验室改造而成，由货物舱和推进舱2 个舱构成。 全长约为10.5 m、最大直径为3.35 m、货物装载容积为22 m3、发射重量约为13.5 t、最大上行能力6.5 t、推进剂补加量达2.1 t，为不可重复使用的货运飞船，可运送6.5 t 的太空垃圾并在大气层中销毁。前向配有主动对接机构，可通过程序控制或遥操作控制与空间目标进行对接，具备6.5 h 快速对接能力。 通过长征七号运载火箭在文昌发射场发射升空，起飞重量约为597 t[6]。

2.2 进步号系列货运飞船

进步号系列货运飞船由联盟号载人飞船改造而成，由货物舱、补给舱和服务舱3 个舱构成，为不可重复使用的货运飞船。 全长约为7.48 m、最大直径为2.72 m、货物装载容积为6.6 m3、发射重量为7.15～7.45 t、最大上行能力3.2 t、推进剂补加量达1.95 t，最大可运送1.6 t 的太空垃圾并在大气层中销毁，另可携带小型返回舱，运送约0.15 t 的货物返回地球。 前向配有主动对接机构，可通过程序控制或遥操作控制与空间目标进行对接，具备3 h 19 min 快速对接能力。 通过联盟号运载火箭在拜科努尔发射场发射升空，起飞重量约为312 t[7]。数据显示，一艘正样进步号系列货运飞船全周期费用(含研制和发射)约为5.2 亿人民币，每千克货物的运送成本约为16.3 万元。

2.3 天鹅座货运飞船

天鹅座货运飞船由服务舱和增压货物舱2 个舱构成，为不可重复使用的货运飞船。 最大长度约为6.34 m、最大直径约为3.07 m、货物装载容积为18.9～26.2 m3、发射重量为5.3～7.49 t、最大上行能力3.51 t、最大可运送3.51 t 的太空垃圾并在大气层中销毁。 不具备推进剂补加功能，前向配有对接机构，可通过空间机械臂抓取进行对接，但不具备快速对接能力。 通过安塔瑞斯和宇宙神5 运载火箭在卡纳维拉尔角空军基地、中大西洋地区航天港发射升空[8]。 数据显示，一艘正样天鹅座货运飞船全周期费用(含研制和发射)约为9.8 亿人民币，每千克货物的运送成本约为28 万元。

2.4 龙货运飞船

龙货运飞船由返回舱和服务舱2 个舱构成，为可重复使用的货运飞船，龙2 型货运飞船设计可重复使用5 次以上。 长度约为6.1 m、最大直径约为3.81 m、货物装载容积约为24 m3、发射重量为7.88 t、实际最大上行约为3 t、可返回地球货物最大重量约为3 t。 不具备推进剂补加功能，前向配有对接机构，可通过空间机械臂抓取进行对接，但不具备快速对接能力。 通过猎鹰9 号运载火箭在肯尼迪航天中心发射升空，最大起飞重量约为541 t[9]。 数据显示，一艘正样龙货运飞船全周期费用(含研制和发射)约为8.4 亿人民币，每千克货物的运送成本约为14 万元。

2.5 欧洲ATV

欧洲ATV 由货物舱和服务舱2 个舱构成，执行5 次国际空间站任务后，于2014 年退役，为不可重复使用的货运飞船。 长度约为10.3 m、直径约为4.5 m、货物装载容积约为22 m3、发射重量为20.75 t、最大上行约为7.67 t、推进剂补加量达5.56 t、可运送6.34 t 的太空垃圾并在大气层中销毁。 前向配有对接机构，可通过空间机械臂抓取进行对接，但不具备快速对接能力。 通过阿里安运载火箭在库鲁发射场发射升空，起飞重量约为760 t[10]。 数据显示，一艘正样ATV 货运飞船全周期费用(含研制和发射)约为29.9 亿人民币，每千克货物的运送成本约为39 万元。

2.6 日本HTV

日本HTV 由增压货物舱、非增压货物舱、仪器舱和推进舱4 个舱构成，为不可重复使用的货运飞船。 长度约为10 m、直径约为4.4 m、货物装载容积为35 m3、发射重量为16.5 t、最大上行能力为6 t、最大可运送7.3 t 的太空垃圾并在大气层中销毁。 不具备推进剂补加功能，前向配有对接机构，可通过空间机械臂抓取进行对接，但不具备快速对接能力。 通过H-II B 运载火箭在种子岛宇宙中心发射升空，起飞重量约为533 t[11]。数据显示，一艘正样HTV 货运飞船全周期费用(含研制和发射)约为18.2 亿人民币，每千克货物的运送成本约为30 万元。 以上成功飞行的货运飞船具体信息见表1。

表1 成功飞行的货运飞船汇总分析表Table 1 Summary and analysis of real flight cargo spaceships

中国、美国、俄罗斯、日本、欧空局分别研制了6 种不同类型的货运飞船，大小、发射重量、载货比、在轨寿命等重要特征均不相同，功能和性能均有差异，有的具备推进剂补加、自动交会对接和货物返回能力，有的只能运送货物，不能进行推进剂补给，而且还得靠空间站机械臂进行对接，研制和发射成本差异也很大。 为此，在目标明确的情况下，在保证可靠性的同时，以最低成本、最高效率建造货运飞船是一个非常值得研究的课题。

3 货运飞船效费综合特性研究流程设计

3.1 定义

系统效能参数E指货运飞船在特定状态下完成特定任务能力的度量，可以通过设置关键的技术指标作为效能参数αi进行测算。

全周期费用参数LCC指货运飞船在当前状态下所需投入经费的度量，可以通过设置的事件和分功能作为费用参数βi进行测算。

效费比参数ε为系统效能参数和全周期费用参数的比值。

参照天舟货运飞船研制流程，将货运飞船效费综合特性拆分为立项论证、初样研制、正样研制、定型批产4 个研制阶段，根据各阶段的研制特点，设计相应的效费综合特性计算参数。

3.2 立项论证阶段

在立项论证阶段，分析系统的任务目标和所需性能，设计效费综合特性参数计算模型；选择基准的货运飞船作为参考，计算其系统效能和全周期费用；预测当前状态货运飞船的系统效能和全周期费用，通过与基准航天器进行比较，不断迭代，选择出最优的系统设计方案。

3.3 初样研制阶段

按照立项论证阶段制定系统设计方案开展详细设计，并应用工程的技术状态管理、进度管理、费用管理等方法对项目执行过程进行控制，按照最终的设计方案计算出系统效能和全周期费用，评估系统的综合特性参数，同时验证、健全设计的货运飞船综合特性计算模型。

3.4 正样研制阶段

固化货运飞船的技术状态，进一步加强型号的成本和研制周期控制，对正样阶段的系统效能和全周期费用进行计算，总结整船的效费综合特性控制结果，并形成专题报告，进行全系统评审，同时建立定型批产阶段的技术状态基线、全周期费用和系统效能控制基线。

3.5 定型批产阶段

严格按照正样阶段评估的结论对货运飞船的技术状态、进度、费用控制基线进行控制，建立组批投产的规划，开展批次性的元器件和原材料订货，组批生产；进行全过程的产品保证控制，确保产品的可靠性、安全性等指标满足要求；同时不断优化生产模式、加强资源配置、提高生产效率、降低生产成本，获取更优的系统综合特性参数。

货运飞船效费综合特性研究流程具体详见表2 所示。

表2 货运飞船效费综合特性研究流程Table 2 Research flow of comprehensive characteristics of full cycle cost-effectiveness of cargo spaceship

4 货运飞船系统效能和费用指标设计

4.1 货运飞船系统效费参数分析

根据中国天舟货运飞船的研制和飞行经验，结合美国、俄罗斯、日本、欧空局研制的其他货运飞船公开信息，工程总体重点关注的货运飞船系统效能有上行货物能力、推进剂补加能力、可重复使用次数、在轨寿命、可靠性、安全性等指标。

货运飞船的费用由系统研制费用和火箭发射费用两部分组成，其中系统研制费用主要由总体和各分系统的关键技术攻关、研保条件建设、产品设计、产品研制、产品试验和批产数量等决定；火箭发射费用主要由货运飞船的最大发射重量、外包络和轨道高度等决定。 为此，货运飞船效费综合特性计算参数选择如图1 所示。

图1 货运飞船效费综合特性计算参数Fig.1 Calculation parameter of comprehensive cost-effectiveness characteristics of cargo spacecraft

4.2 货运飞船系统效能指标设计

系统效能从完成特点任务的能力、系统可靠性和在轨安全性3 个方面进行度量。

能力指标α1按照货运飞船主要功能设置为上行货物量、货物装载容积、载货比、下行货物量、推进剂补加量、可重复使用率、可重复使用次数、交会对接能力、在轨供电能力、在轨寿命时间共10 个指标参数，对这10 个参数求和，便可得到系统能力α1，具体如式(1)所示:

可靠性指标α2按照货运飞船在轨飞行阶段设置为发射段可靠性、交会段可靠性、停靠段可靠性、分离段可靠性、自主飞行段可靠性、离轨段可靠性共6 个指标，对这6 个参数求积，便可得到可靠性能力α2，具体如式(2)所示:

安全性指标α3按照货运飞船关键安全参数设置为供电、防火、防爆炸、火工品、推进剂补加、物资运输保障、气路泄露、有害气体、防空间碎片共9 个指标，对这9 个参数求积，便可得到安全性能力α3，具体如式(3)所示:

4.3 货运飞船系统全周期费用指标设计

货运飞船全周期费用指标设置通货膨胀率β1、立项论证设计费率β2、初样阶段研制费率β3、正样阶段研制费率β4、定型批产阶段费率β5，共5个指标。

将型号在初样、正样、定型阶段的共有属性产品研制费率设置为ρi(i＝1，2，3)，并按照整船工程和14 个分系统功能，共设置15 个费用指标，如式(4)所示:

初样研制阶段单独设置整船系统设计费率、关键技术攻关费率、研保条件建设费率、地面设备研制费率、专项试验验证费率，共5 个指标，如式(5)所示:

正样研制阶段单独设置研保条件维护费率、地面设备维护费率、火箭发射费率、在轨运营费率，共4 个指标，如式(6)所示:

定性批产阶段单独设置研保条件技改费率、地面设备升级费率、火箭发射费率、在轨运营费率，共4 个指标，如式(7)所示:

5 货运飞船效费测算模型设计及应用

5.1 货运飞船效费测算模型设计

对系统的效能数据和全周期费用参数数据进行归一化处理，使其无量纲化，数据的大小直接反映货运飞船完成既定任务的系统综合特性的好坏。 系统效能指标如式(8)所示:

系统费用指标如式(9)所示:

不同性能货运飞船的效费比如式(10)所示:

式中，x为货运飞船的性能参数。

影响系统效能和费用的参数为数众多，从宏观经济学可以认为效费比的分布服从高斯正态分布，X～N(μ，σ2) ，其概率密度函数如式(11)所示:

式中，y为货运飞船在不同性能x下，所求效费比ε(x) 的概率分布。 其分布函数图如图2 所示。 另ε′(x)＝0，便可找出系统的最优解。

图2 效费比分布图Fig.2 Distribution map of cost-effectiveness

5.2 实例分析

由于各型号在初样、正样、定型阶段的效费参数存在线性比例关系，以某型号的正样研制阶段为实例，在完成同一功能的情况下，对几个关键性能指标影响系统的效费综合特性进行分析。

根据该型号前期实践成果，系统正样可靠性指标α2取值为0.95；系统正样安全性指标α3取值为0.99；通货膨胀率＝(已发行的货币量-流通中实际所需要的货币量)/流通中实际所需要的货币量×100%，取官方公布数据；令β1值为0.073；β2、β3、β5均取值为0。

计算β4时，由于研保条件维护费率、地面设备维护费率和在轨运营费率占型号研制费的比率较低，火箭发射费率占比较高，但它主要和货运飞船的外包络、发射重量相关，而同一正样型号、不同功能的货运飞船在此方面基本无变化，在此暂不考虑这4 个计算因子，只计算正样阶段产品研制费率ρ2。 可得式(12):

5.2.1 仿真1

基于固定平台，完成短时运货作业，目标飞行器为货运飞船提供能源供电时，不带帆板型货运飞船和带帆板型货运飞船的效费比比值如式(13)所示:

分布曲线如图3 所示。

图3 固定平台效费比比值曲线Fig.3 Cost-effectiveness ratio curve of fixed platform

5.2.2 仿真2

基于固定功能，可重复10 次货运飞船和不可重复使用货运飞船的效费比比值如式(14)所示:

分布曲线如图4 所示。

图4 固定功能效费比比值曲线Fig.4 Cost-effectiveness ratio curve for fixed functions

6 结论

1)货运飞船作为空间站工程货物运输、能量补给的重要工具，效费综合特性具有先天性、综合性、相对性、继承性四大特征，引入效费综合特性这类无量纲指标，可以反映不同性能的货运飞船在完成同类任务时的好坏。

2)本文提出的效费综合特性计算参数源于工程研制实际，效费测算模型通过了国内某型号正样研制数据的验证，具有一定的推广应用价值，但效费综合特性源于工程总体研制总要求和系统性能设计结果，其中参数的选择还需结合任务实际进行相适应的修订，而且效费综合特性指标要求应在型号立项论证阶段引入，将更有益于获得高效率、高效益的型号产品。

3)通过对货运飞船效费综合特性的建模和计算可知，承研单位可根据不同的任务需求，配置不同的设备，可以得到更优的效费综合特性(如短时间不供电可减配太阳电池翼、减配人机交互设备，不开展燃料补加时可减配压气机设备等)；此外，可重复使用的货运飞船效费综合特性明显优于不可重复使用的货运飞船。