费效分析1.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,飞机总体设计流程,课程安排,一 飞机设计中与效费相关的基本概念,六 复习与考试,二 飞机寿命周期费用的概念和分析方法,三 民用飞机直接与间接运行费用分析,四 军用飞机作战效能分析,五 专题介绍（优化设计、油箱惰化、常用软件等）,一 飞机设计中与效费相关的,基本概念,1.2,效能分析模型,美国空军系统效能模型（应用最广泛）；,武器系统效能咨询委员会,(Weapon System Effectiveness Industry Advisory Committee,WSEIAC),，由空军系统司令部建立；,对系统效能定义：系统效能是系统预期达到一组专门的任务要求程度的度量；,1.1,概念的提出,重视性能到重视效能的重大突破；,重视采购费到重视寿命周期费用的重大突破；,仅重视效能或重视周期费用到着眼于二者统一,即重视效费比；,1965,年开始酝酿的,F-16,研制计划，共权衡,397,次，使寿命周期费用节省约,42,亿美圆。,效能,1.1,概念的提出,美国,JSF,（,F35,）项目四大基本特征：,生存力、杀伤性、保障性、可支付性。,-,ilities,1.3 ADC,模型与相关概念,可靠性,维修性,保障性,任务可靠性,生存力,可用性,可信性,能力,有效性,E=A*D*C,全寿命周期费用,LCC,费效分析,E/LCC,1.3,ADC模型与相关概念,-,可靠性,可靠性：系统在规定的条件下和规定的时间内无故障完成规定功能的能力，主要考虑平时的自然环境可能出现的所有故障的影响；,产品可靠性定义包括下列四要素：,(1),规定的时间；,(2),规定的环境和使用条件；,(3),规定的任务和功能；,(4),具体的可靠性指标值。,可靠度：是指产品在规定的条件下、在规定的时间内，产品完成规定功能的概率。它是时间的函数，记作,R(t,),也称为可靠度函数：,R(t,)=P(Tt),，,T,表示从开始工作到发生故障的工作时间，,t,为任一指定时间。,当,t=0,时，,R(0)=1;,当,t=,时，,R()=0,13 ADC模型与相关概念,-,可靠性,平均故障间隔时间,MTBF,：,F-4,、,F-15,和,F-22,分别为,1.0/2.6/5.0,小时。,失效率：,t,时刻尚未失效的产品在该时刻后的单位时间内发生失效的概率。,浴盆曲线,Bathtub curve,：如果取产品的失效率作为产品的可靠性特征值，它是以使用时间为横坐标，以失效率为纵坐标的一条曲线。因该曲线两头高，中间低，有些像浴盆，所以称为“浴盆曲线”。失效率随使用时间变化分为三个阶段：早期失效期,Infant Mortality,、偶然失效期,Random Failures,和耗损失效期,Wearout,。,1.3 ADC模型与相关概念维修性,维修性：系统在规定的条件下和规定的时间内，按规定的程序方法进行维修时，保持或恢复其功能状态的能力；,平均修复时间,MTTR,，,F15A,和,F18A,设计时的目标值分别为,1.95/1.98,小时。,修复率,(t,),（对应失效率）,:,定义为修理时间已达到某个时刻，但尚未修复的产品，在该时刻后的单位时间内完成修理的概率；,维修度,M(t,)=P(T=t),，,T,表示产品发生故障后修复到完好状态的时间，,t,为任一指定时间,。,1.3 ADC模型与相关概念,-,维修性,PHM,（,Prognostics and Health Management,）：故障预测与健康管理,世界上大部分装备的维护多以定期检查、事后维修为主，不仅耗费大量的人力和物力，而且效率低下；,PHM,技术是综合利用现代信息技术、人工智能技术的最新研究成果而提出的一种全新的管理健康状态的解决方案；,提前预知将要发生故障的时间和位置，预测整个系统的,RUL,（,Remain Useful Life,，剩余使用寿命），同时，,PHM,记录分析系统的健康数据，像管理人体健康一样，对系统进行健康管理。,1.3 ADC模型与相关概念,-,维修性,将维修方式从事后维修、定期维修转变为视情维修、预防性维修的问题，降低维修保障费用，缩短维修时间，提高战备完好率和任务成功率，加快武器装备维修方式向基于状态维修转变的进程。,一般而言，PHM系统主要有六个部分构成：,数据采集,信息归纳处理,状态监测,健康评估,故障预测,保障决策,1.3 ADC模型与相关概念,-,维修性,PHM是JSF实现经济承受性、保障性和生存性目标的一个关键所在。,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,战伤抢修与平时维修的区别,(,以下,3,页维修课中已学,),抢修时间,战伤修理时间一般要求在,24,小时（或,48,小时）以内，甚至,6,小时以内。,修理条件,引起维修的原因,修理技术标准,平时装备修理是为了恢复其固有可靠性和安全性而制定的。修理后的装备要能恢复其全面性能，维持其使用寿命，并一直使用到下次规定的维修期限。而战伤修理必须尽快完成，用最短时间恢复装备的基本使用功能，以便迅速投入战斗。,修理技术人员水平和备件要求不同。,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,战伤抢修,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,战伤抢修,1.3 ADC模型与相关概念,-,保障性,保障性：系统设计特性和计划保障资源满足平,/,战时使用要求的能力；,设计特性：使飞机便于操作、检测、维修、装卸、运输、消耗品补给等的设计特性；,保障资源：非设计特性，指人力和物力；例如：人员数量与技术等级、保障设备和工具类型、备件种类与数量、定货和运输时间、补给时间等。,度量指标：再次出动准备时间,TAT(,Turnaround Time,F22,为,18min,，,F15C,为,22min),是在预定的使用及维修保障条件下,连续执行任务的飞机从结束上次任务返回到再次出动执行下一次任务所需要的准备时间；,平均后勤延误时间,MLDT(,mean logistic delay time,),。,1.3 ADC模型与相关概念,-,保障性,设计特性影响,TAT,：飞机再次出动准备工作项目涉及飞机外观检查、武器弹药的装挂、油料气体的充填以及各种检查工作,.,在装备的设计时考虑如何快捷地进行这些工作,就可以在使用中缩短再次出动准备时间,.,军用飞机的设计特性影响再次出动准备工作流程,如为了保证安全工作,武器装挂必须在一系列检查工作完成之后才能进行。,F/A22,机身底部离地面只有,0.9m,几乎所有的部件或系统都在肩膀高的高度范围之内,便于地面检查人员不需要借助其它工具就能进行大部分的外观检查,飞机上有能为飞行员供氧的机载制氧系统,因此不需要地面液氧设备,还拥有,1,个辅助动力装置,因此不需要地面电瓶车,这些设计措施都能够大大缩短了飞机的再次出动准备时间,.,1.3 ADC模型与相关概念,-,任务可靠性,基本,可靠性：这里的故障是指引起引起维修工作的事件或状态。这种故障可能影响,可能不影响产品完成任务的功能。涉及维修人力，费用和后勤保障要求,。,任务可靠性定义为：产品在规定的任务剖面内完成规定功能的能力,。,基本可靠性模型是一个全串联模型。,任务可靠性是一种用来描述产品在执行任务过程中完成其规定功能的能力的模型，复杂产品的任务可靠性模型往往是一个由串联、并联及旁联构成的复杂结构。,1.3 ADC模型与相关概念,-,任务可靠性,F/A-18A飞机的基本可靠性框图,1.3 ADC模型与相关概念,-,任务可靠性,F/A-18A,飞机的,任务可靠性框图,液压泵,1,液压泵,2,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,生存力,(Survivability),The Fundamentals of Aircraft Combat Survivability Analysis and Design,Robert E.Ball,2003,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,视频,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,发动机转子爆破：,生存力,:,飞机,躲避,或者承受人为敌对威胁环境的能力。,生存力主要分为两部分：,敏感性：威胁探测、发射、跟踪、引爆、命中等；,易损性：飞机被威胁命中后的反应,生存力的量度为生存概率,P,S,P,S,=1 P,H,P,K/H,P,H,：飞机被人为敌对环境威胁命中的概率；,P,K/H,：飞机在被威胁命中后杀伤的概率。,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,作战飞机生存力的历史回顾,一战期间,飞行员尽量在高空作战，以避开地面火力的打击；,飞行员戴步兵头盔、固定于飞机座椅上的火炉盖等实现装甲防护；,机炮打击敌方飞机等。,1917,年，德国设计了一架双引擎轰炸机：,关键区域加装了重,880,磅、厚,0.2,英寸的钢制平板装甲；,英国在一些飞机上安装了钢制座椅，并用,0.5,0.625,英寸厚的镀镍铬钢板包围散热器、油箱和飞行员等。,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,作战飞机生存力的历史回顾,二战期间，根据战斗经验，添加必要部件。,许多飞机加装了电子对抗装置、比如箔条和电子噪声干扰等；,轰炸机编队飞行、自卫武器与战斗机护航等；,有的飞机装备雷达尾随告警装置座舱附近加装装甲，飞行员使用防弹服；,自封油箱、油箱惰性系统、驾驶舱和发动机舱装灭火装置等。,第一次课。,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,作战飞机生存力的历史回顾,二战之后,1948,年，第一个飞机易损性工作会议在阿伯丁器材试验场召开；,会议主题为：易损性问题与提高飞机设计水平所需要的技术；不幸的是，一种新观点（未来战争将是核战争）使生存力研究停滞；,朝鲜战争,朝鲜战争中，非核生存力重新得到人们重视：,主要生存力手段表现为装甲和自封油箱的设计、协同战术等；然而，朝鲜战争后，军用飞机设计重点又倾向于核战争的考虑。,50-60,年代，非核生存力极少得到关注。,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,作战飞机生存力的历史回顾,东南亚冲突，生存力问题引起足够重视。,Table 1:U.S.aircraft losses in SEA(Southeast Asia Conflict,69-73),Service,Fixed-wing,Rotary-wing,Total,U.S.Air Force,1679,58,1737,U.S.Navy,531,13,544,U.S.Marine Corps,194,270,464,U.S.Army,157,2246,2403,Total hostile action,2561,2587,5148,Operational mishaps,1159,2282,3441,Total,3720,4869,8589,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,作战飞机生存力的历史回顾,近年，作战飞机生存力得到足够重视。,1971,年，美国成立飞机生存力联合技术协调组,JTCG/AS,，协调三军（海陆空）开发设计新标准与技术提高生存力；,1984,年，美国成立生存力,/,易损性信息分析中心,SURVIAC,，收集、储存、传播和分析生存力技术信息、模型和数据库；,1987,年，国会通过实弹法（,Live Fire Test Law,），要求所有武器系统在生产前均要进行全尺寸实弹试验；,1989,年，美国生存力专家,Ball,教授在,AIAA,成立了生存力技术委员会；,1991,年，美国国防部于年将军用飞机的生存力作为一项高度优先的设计要求，并使其成为一个贯穿于设计始终的原则。例如,RAH-66,，,F-22,F-35,等。,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,F-22 Raptor,：,First look,first shot,first kill,Without Stealth,With Stealth,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,F/A18战斗,/,攻击机,美国,70,年代中期研制。在这种飞机研制前，美国海军刚刚颁布了海军飞机生存性大纲，要求在研或新研的美海军飞机必须在设计时考虑飞机生存性问题。麦道公司和诺斯罗普公司对设计方案进行了深入研究，最后通过权衡，提出了飞机生存性方案。,主结构采用余度以阻止结构损伤；,采用两台发动机提供动力；,配备两套电传操纵系统；,配备机械式备份操纵系统；,发动机远离油箱以避免发生火灾；,油箱填充泡沫材料；,主油箱和燃油管路采用自密封,阻燃液压油。,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,视频,1,视频,2,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,1.3 ADC模型与相关概念,-,生存力,1.3 ADC模型与相关概念,-AD,可用性,(Availability),：指系统在任一随机时刻需要和开始执行任务时，处于可工作或可使用状态的程度，即当需要的时候，系统是否可用？,度量参数：可用度,A,、出动架次率,SGR(,sortie generation rate,),；,可信性,(Dependability),：在任务开始时可用度给定的情况下,在规定的任务剖面的任一时刻,系统可工作并能够完成其规定功能的度量。,度量参数：可信度,1.3 ADC模型与相关概念,-AD,可靠性,(MTBF,升高,),、维修性,(MTTR,降低,),、保障性,(TAT,降低,),升高，出动架次率显著提高。,1.3 ADC模型与相关概念,-,能力,能力是指飞行器在自然使用环境及敌对环境下均正常连续工作时。飞行器能否完成任务,(,如摧毁目标,),，它给出的是理想任务状态下可能的结果，代表系统纯粹的作战能力。,它是受系统的机动性、武器的精度、作用距离、杀伤力及其他设备的性能影响。,国内外研究较多的作战效能实质是飞机的能力（空战格斗能力、攻击能力），可称之为狭义的效能。,1.3 ADC模型与相关概念,飞行器系统的有效性是其可用性、可信性及性能的综合反映。,E,ADC,，式中,E,为系统效能；,A,为系统可用度在任务开始时的矢量阵；,D,为系统可信度在某一时间间隔内的条件概率矩阵；,C,为性能，即系统在给定的状态下完成任务要求的概率阵。,飞行器的可用性，可信性及能力是在作战任务的不同环境及不同时期中起作用的，三者是互相依托的。如若可用性不高，则在任务初期就只有很低的出动架次率，那么成功完成任务的可能性显然就很小。可用性高但可信性不高或者可用性、可信性均高而能力不高等都会对任务的完成有很大的影响。,1.3,ADC模型与相关概念,-LCC,飞机的寿命周期费用,(life cycle cost),(1),费用,(cost),消耗资源,(,人、财、物和时间,),称为费用，通常用货币度量。,(2),飞机寿命周期费用,(life cycle cost,，,LCC),在预期的寿命周期内，为飞机的论证、研制、生产、使用、维修与保障、退役所付出的一切费用之和称为飞机的寿命周期费用。,1.3 ADC,模型与相关概念,-LCC,美国亚利桑那州戴维斯空军基地,“飞机坟场”，最大。,沙漠，,2600,英亩（,1300,个标准足球场），,4200,架军用飞机,1,英亩,=40.5,公亩,=4046.9,平方米,此外，加州的莫哈维沙漠，最重要的空军基地和航天基地,著名的爱德华空军基地就位于此处。主要是民用飞机，,1500,多架。,1.3 ADC,模型与相关概念,-LCC,