基于無人機系統使用模式的成本分析

吳軍，陳文輝，羅沐陽，張賀

95894部隊

美軍近年發展的部分無人機系統項目頻繁強調低成本、可消耗理念以及X-47B無人機項目下馬，均表明“無人機較有人機具有明顯的成本優勢”值得商榷。本文選取執行美軍情報、監視和偵察任務的三型無人機和六型有人機，分析無人機和有人機的使用模式和使用成本，比較美國空軍RQ-4無人偵察機和海軍P-8有人反潛機的單位飛行小時成本，以期對無人機系統研發、采購、使用和維修提供參考。

近20年來，無人機在局部沖突中的運用取得了較好的戰果，尤其是納卡沖突，無人機成為阿塞拜疆軍方奪取勝利的關鍵作戰裝備。美軍一直在選擇性地使用無人機系統，以替代有人機執行作戰任務。相比有人機，無人機的前期采購較低。但是，考慮到無人機在全生命周期內的經常性成本，其優勢可能沒有那么明顯。因此，我們有必要研究執行類似有人機任務的無人機使用模式及使用成本，分析并提升無人機的效費比，促進無人機系統更快更好地發展。

傳統無人機不須要配備座艙供氧設備、座艙增壓設備和彈射座椅等生命保障系統，除去部分機載設備成本的同時，也減輕了無人機的重量，進而降低了動力系統的功耗，使用成本必然低于有人機。

本 文 選 取 美 軍MQ-1“ 捕 食者”、MQ-9“死神”和RQ-4“全球鷹”三型無人機，以及E-3“望樓”、E-8“聯合星”、RC-135“聯合鉚釘”、U-2“黑寡婦”、RC-26以及P-8“波塞冬”六型有人機，分析這些機型的使用模式，比較使用成本。圖1中MQ-1和MQ-9無人機均使用單臺發動機，外形尺寸較有人機小，除U-2外，有人機均裝配了兩臺或兩臺以上發動機。

圖1 三型無人機和六型有人機的外形示意圖。

使用模式

不同特性的飛行器，其作戰使用也有所區別。無人機機上無飛行員，飛行任務無須考慮人員的生理極限，因此可執行枯燥的情報、監視和偵察（ISR）任務、危險的反介入/區域拒止環境下偵察、監視和打擊任務以及骯臟的放射性樣本收集任務。而有人機的飛行員可以高效地執行空戰所需的快速響應任務，其他機組人員對實時信息進行處理分析，產生更高價值的情報。無人機能否達到有人機的作戰能力，完全替代有人機執行作戰任務，依賴于人工智能、大數據、物聯網等技術的進步。

執行同類任務的不同機型，其使用模式主要取決于可執行任務率、年度平均飛行時間、損毀率和可用年限等因素。

可執行任務率

可執行任務率是指飛行器未處于存放或維修狀態，能執行所有指定任務的飛行器的數量占總數量的百分比。圖2列舉了多型飛行器的可執行任務率，無人機高于大多數有人機。究其原因，部隊裝備的無人機系統通常是一站多機系統，即一套地面控制站和多架無人機，但作戰通常使用單站單機，即其中一架無人機執行任務。可執行任務率計算應將系統內的其他幾架無人機的可執行任務考慮在內。根據無人機可消耗性的設計初衷，無人機安全標準略低于有人機。

圖2 2014—2018 年，多型飛行器的可執行任務率。

年度平均飛行時間

年度平均飛行時間取決于年度平均出動架次和單架次年度平均飛行時間。圖3列舉了2014—2018年多型飛行器的單機年度平均出動架次，無人機略低于有人機。在實際作戰中，受傳統作戰思維和飛行速度的影響，美軍傾向于使用有人機執行2架次共16h的飛行任務（每架次執行8h飛行任務），而不是使用無人機執行1架次16h的飛行任務。圖4是多型飛行器的單架次年度平均飛行時間，無人機幾乎是有人機的3倍，圖中無人機的最大續航時間主要取決于載油量和油耗率，而且均超過20h；而有人機受飛行員生理極限的限制，續航時間均不超過12h。圖5顯示，受年度平均出動架次和單架次年度平均飛行時間的影響，無人機的單機年度平均飛行時間約為有人機的2倍。

圖3 2014—2018 年，單機年度平均出動架次。

圖4 2014—2018 年，單架次年度平均飛行時間。

圖5 2014—2018 年，單機年度平均飛行時間。

損毀率

損毀率在很大程度上影響著飛行器持續執行任務的能力。圖6列舉了多型飛行器的損毀率即百萬飛行小時的損毀數量，即使不考慮損毀率過高的MQ-1無人機（因為該機沒有完全達到安全指標就倉促投入戰場），無人機的損毀率也遠高于有人機。究其原因，一是無人機設計與研發考慮了可消耗性，降低了安全標準，而有人機技術較成熟，安全標準較高；二是本文提及的兩型無人機采用單臺發動機，空中停車后很難安全返航和降落，而有人機使用多臺發動機，單發空中停車后，通常能安全飛行、返航和降落；三是無人機通過無線電數據鏈路傳輸的態勢感知信息和接收的操控指令均有時延，降低了操控員對空中突發情況的處置效率，特別是鏈路中斷，可能導致更大的損毀風險；四是無人機主要在對抗環境中執行任務，而有人機主要在敵方防區外飛行，且日常訓練占用較多時間。須要指出的是，在高危對抗環境中執行任務，U-2的損毀率同樣很高。

圖6 1994—2019 年，多型飛行器的損毀率即百萬飛行小時的損毀數量。

可用年限

飛行器的可用年限主要取決于設計壽命及是否延壽，并決定服役時間（以年為單位計量）的上限。鑒于本文提及的機型尚在服役，難以確定是否延壽。圖7統計了多型飛行器截至2019年12月31日的服役時間，無人機均在2000年前后列裝部隊，最長服役時間只有20年左右，鑒于MQ-1無人機已經退役，本文近似認為無人機的可用年限為20年；RC-135有人機的最長服役時間達59年，平均服役年限為55年。考慮到有人機的平均服役年限主要受列裝起始時間的影響，且損毀率很低，本文認為有人機的可用年限為50年。

圖7 截至2019 年12月31日，多型飛行器的服役時間。

總之，無人機的作戰使用率遠高于有人機，但損毀率過高、可用年限較短，不利于保持持續作戰能力。為保持持續和穩定的作戰能力，無人機系統須要提高可靠性、安全標準，因此使用成本必然會增加。

使用成本

使用成本包括前期采購成本和全生命周期內的經常性成本。

采購成本

相比有人機，無人機具有可消耗特性，系統可靠性要求低，有些機型使用單臺發動機，且機上沒有飛行員，不須要配備座艙供氧設備、座艙增壓設備和彈射座椅等生命保障系統，成本相應降低。圖8列舉了多型飛行器的采購成本，其 中RC-26、RC-135和U-2等 有 人機的研制和列裝時間久遠，采購成本無法有效地估算。

圖8 多型飛行器的采購成本。

圖9 2014—2018 年，多型飛行器的經常性成本。

經常性成本

經常性成本即年度使用和維修總成本除以年度總飛行小時數，以單位飛行小時的使用和維修成本進行計量。值得一提的是，RC-26偵察機由小型商用渦輪螺旋槳飛機改裝而成，經常性成本較低。

飛行小時成本

基于類似的任務使命和技術背景，本文比較RQ-4無人偵察機和P-8有人反潛機的飛行小時成本。雖然P-8有人反潛機的任務包括反潛和反水面艦艇作戰，但主要執行類似于RQ-4無人機的長航時情監偵任務。RQ-4和P-8具有類似的任務使命，分別于2007年、2010年開始服役，服役時間詳見圖7，研制時間頗為相近，被認為具有同時代的研制技術背景。

比較方法

對于有人機，AM表示前期采購成本，LM表示預期壽命，HM表示單機年度飛行小時數，RM表示單位飛行小時的使用與維修成本。在預期壽命內，有人機每年產生的費用為RM×HM美元，損毀率DM=0架/百萬飛行小時。按通貨膨脹率，并考慮貼現率i，不同年代的幣值均折算成2020年的幣值。CostM表示貼現成本總和，FlyingM表示貼現飛行小時總和，則

其中，t為有人機列裝部隊的年數（或以年為單位的列裝時間）。

其中，t為無人機列裝部隊的年數（或以年為單位的列裝時間）。

單位飛行小時成本

表1顯示，RQ-4和P-8的單機年度飛行時間分別為945h、589h。盡管近幾年P-8的年度飛行時間有所增加，但還是比RQ-4少了近40%。對于損毀數量，1994—2019年，RQ-4每百萬飛行小時的損毀數量為23架，而P-8未曾損毀；RQ-4前期采購成本為2.39億 美 元，P-8為3.07億 美 元；RQ-4經常性成本約為18,700美元，P-8約29,900美元，RQ-4的經常性成本是P-8的62%；對于可用年限，RQ-4參考了MQ-1系列無人機，設定為20年，P-8參考RC-135和U-2的可用年限，設定為50年。

表1 RQ-4 與P-8 的數據統計表。

上述計算方法得出，RQ-4的單位飛行小時成本是35,245美元，P-8為42,272美元，RQ-4的單位飛行小時成本是P-8的83%，而經常性成本卻是P-8的62%，說明前期采購成本和可用年限對單位飛行小時成本產生很大影響。

影響因素分析

前期采購成本降低、平均可用年限延長和經常性成本減少可降低多型飛行器的單位飛行小時成本。RQ-4和P-8兩型飛行器已列裝部隊，前期采購成本已經確定，經常性成本也不可能發生較大波動。因此，單位飛行小時成本的顯著降低只能考慮平均可用年限的延長。

平均可用年限受設計壽命和損毀率的影響。如果RQ-4的現有損毀率繼續增加，會提高該機的飛行小時成本。如果P-8的損毀數量繼續保持為零，而RQ-4的損毀率超過MQ-1，達到每百萬飛行小時70架（是當前損毀率的3倍），兩者的單位飛行小時成本相同。但這種極端情況幾乎不會發生。現實情況是，P-8的設計壽命只有25年，可用年限延長至50年，損毀率勢必提高；隨著部隊不斷積累使用與維修經驗，無人機的損毀率將呈現穩步下降的趨勢。

如果RQ-4的平均可用年限超過20年，單位飛行小時成本也可能發生變化。RQ-4平均可用年限延長會略微降低單位飛行小時成本。如果RQ-4的平均可用年限延長至50年，且不須要額外投入來保證無人機的完好狀態，經常性成本保持不變，單位飛行小時成本將減少20%，約為28,200美元。雖然平均可用年限延長須要更換大量老化的機載設備，飛行小時成本進而增加，但P-8的設計壽命也只有25年，存在類似的問題。

結論

綜上所述，無人機執行類似任務，其單位飛行小時成本約為有人機的80%，具有一定成本優勢。但現役無人機的戰場生存能力較弱，在現代防空體系的對抗環境中開展作戰，損毀率會大幅提升，無人機成本優勢會降低。

此外，無人機與有人機之間的利弊權衡，成本只是考慮因素之一。相比有人機，無人機具有隱身性能好、續航時間長、機動性高、研制周期短、作戰能力生成快、作戰使用彈性大、作戰補充快等特點。因此，無人機在保持成本優勢的同時，應充分挖掘作戰潛力，實現技術與戰術的融合，提升系統作戰效能。

圖10 本文的計算結果顯示，RQ-4無人機的單位飛行小時成本為35,245美元。