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导弹武器既是战略威慑的主要力量,又是高技术战争的基本毁伤手段。因此,导弹武器的低成本化成为各国普遍关注的问题。关于导弹武器低成本化的含义,国内外还没有统一,明确的界定。在本文中,导弹武器的低成本化是指降低导弹武器的全寿命周期费用,包括论证、研制、生产和使用保障等费用。 美国在近年的高技术局部战争中大量消耗包括导弹在内的各种精确制导武器,因此对实现导弹武器的低成本化尤为重视,在战略、管理和实施三个层面积极度探索降低导弹武器成本的途径和措施,研究、应用能够降低导弹武器成本的新技术、新概念,并取得了显著的成果,走在了世界前列。 本文主要研究美国实现导弹武器低成本化的途径与方式,对我国导弹武器的发展当有裨益。文中提及的低成本化研究方法及一些结论,对于优化其他武器装备的全寿命管理也会有所启迪。
高技术武器的经济可承受性 高技术武器成本高、研制周期长的问题一直困扰着各国军方,也为各国财政带来了沉重的负担。近几场局部战争表明,导弹武器是现代高技术局部战争中消耗最多的高技术武器,导弹攻防对抗将成为未来高技术战争的主要作战样式,因此导弹武器的低成本化具有特别重要的意义。 低成本化的目标是降低全寿命费用 导弹武器的全寿命周期包括采购和使用2个过程,分为方案探索与确定、研制(包括项目定义和风险降低、工程研制与制造过程确定)、生产和使用保障4个阶段。导弹武器的全寿命费用分布在以上各个阶段,包括论证、研制、生产和使用保障的费用。大量研究表明,典型导弹武器项目的论证费、研制费、生产费、使用与保障费分别占全寿命周期费用的3%、12%、35%和50%。也就是说,在通常情况下,导弹武器的使用保障成本与采购成本不相上下,约各占50%,而且导弹的可靠性和可维修性越差,使用保障费所占的比例越高。因此,若要降低导弹武器的全寿命费用,重点依次为保障费、生产费和研制费。
前期论证和决策对降低成本尤为重要 虽然导弹武器项目在早期所需要的费用较少,但早期活动却决定了武器系统的绝大部分全寿命费用。导弹武器系统项目论证阶段所需费用通常只占导弹武器全寿命周期费用的3%,但对导弹武器全寿命周期费用的影响却高达70%,极大地影响使用保障费的多少(图3)。也就是说,导弹武器在经过主要指标及可行性论证、方案论证,确定了技术途径之后,很难再引进新思路。方案订得不好则后患无穷:轻则计划失调、互相牵扯;重则半路搁浅、进退失据,不得不改变方案、重新设计。项目研制阶段对导弹全寿命费用的影响占18%。在此阶段,尽管武器系统的基本设计已大体完成,主要成本已基本定局,但仍然可以寻求一些低成本化的途径与方式,如采用先进的制造工艺、选择费用较低的零部件、尽可能采用商业规范与民品等做法。生产阶段和使用保障阶段对全寿命费用的影响只占10%和2%,已不构成较大影响。 影响导弹武器成本的因素 更改设计的幅度与时机 导弹武器的成本通常与更改设计的幅度和时机有关。更改设计的原因,一般是由于最初过度追求高性能指标和先进技术,导致设计与研制和生产脱节,遇到障碍后不得不修改设计指标。研究表明,更改设计所引发的成本随更改幅度的增大呈指数增长。在项目早期更改设计较为容易、投入也较少,随着时间的推移,更改设计会越来越难,引发的成本也会成倍增长。例如,在生产和使用保障阶段更改设计所需要的资源,是研究阶段更改设计所需资源的10倍以上。 导弹武器的性能 为了提高导弹武器的性能,通常要采用新型复杂的电子元器件、电子设备和系统;为了设计、试验这些分系统,并把它们综合成一个完整的武器系统去完成规定的任务就要提高研制费用;为了生产这些复杂的高技术系统和设备,不仅要采用高性能、高可靠、精密的元器件和先进材料,而且要求先进的工装测试设备和熟练的技术人员和工人。这些都会导致武器系统生产成本的增加。在性能达到一定程度、接近极限时,导弹武器的成本将随性能的提高呈指数增长。因此,必须在性能与费用之间进行权衡,如无特殊需要,就不必为最后提高5%～10%的性能而增加30%～50%的费用。 可靠性和可维修性 导弹武器系统的可靠性和可维修性(R&M)是影响全寿命费用的关键因素。但是这种影响在研制和生产过程中不能立即显现出来,其巨额回报要在若干年后通过后勤核算才能显现出来。因而在采办过程中,人们往往对武器性能更感兴趣,而可靠性和可维修性得不到重视。
导弹武器可靠性、可维修性与费用的关系如下图所示。随着对可靠性和可维修性要求的提高,对设计、工艺、材料选择、制造精度、地面试验与飞行试验的要求也将相应提高,会增加武器系统研制与生产费用;但另一方面,随着武器系统故障的减少、平均无故障时间的延长,又使得使用费与保障费大大降低。由此可见,若可靠性和可维修性指标选择得当,将使导弹武器的全寿命费用大大降低。因此,根据导弹武器系统的特点、使用条件、用户对象等综合因素,在性能参数确定的前提下,合理权衡可靠性、可维修性的指标与费用使之达到总体最优,是导弹武器低成本化需要考虑的重要因素。
导弹的采购数量 导弹的采购数量对采购成本高低有显著影响,加大导弹的批量有利于降低单价成本。若采购数量在1000枚以上,导弹的采购成本将会显著降低。 例1.美国海军采购570枚“三叉戟-1”潜地弹道导弹,首批48枚的单价为2015万美元,而其他各批次的平均单价为1065万美元。与此类似,“三叉戟-2”潜地弹道导弹1987年首批21枚的单价为6414万美元,1988～1989年132枚的平均单价为3393万美元,而1990年的单价则降到2840万美元。 例2.美国海军在1997年估算,“战术战斧”在批产量1350枚时单价为57.5万美元,仅为“战斧-2”导弹120万美元单价的一半。但是这一价格一方面依赖于承包商对导弹价格的担保,另一方面也依赖于美国海军对导弹采购数量的承诺。 例3.1999年采购ASRAAM导弹,若批产量为180枚时,单价为68.47美元;批产量为780枚时,单价为51.2万美元。虽然,ASRAAM导弹的采购数量增加了3倍多,但由于总的采购数量有限,单价成本仅下降25%。 例4.美军在采购AGM-130空地导弹时,采购数量为711枚,单价为83.2万美元;但如果采购4000枚,单价可下降到30万美元。也就是说,总成本增加1倍,而导弹的采购数量可以增加4倍多。 在战略层面降低成本的途径 美国降低导弹武器全寿命周期费用的主要措施可以分为战略、管理和实施三个层面:战略层面侧重的是武器装备的采办战略和发展思路,以降低采办费为目标;管理层面偏重于流程的管理和控制,以降低全寿命费用为目标,实施层面侧重于在主要指技术上体现低成本的观念和要求,以降低导弹武器研制费、生产费为目标。 在战略层面,如何根据国家安全目标、军事战略、作战需求和资源条件等制约因素,低成本、短周期地研制出先进的武器系统,是各国采办界面临的首要问题。美国调整采办战略和指导思想,使需求与技术基础密切结合,建立便于及时吸纳新技术和用户反馈意见的灵活机制;按“四化思想”发展导弹武器,减少重复建设、提高效率。它们的导弹武器低成本化之路是有启发意义的。 调整采办战略 实践证明,在武器系统采办过程中,需求与技术基础契合得越好,则采办效率越高、武器系统的经济可承受性越好。多年来,针对复杂武器系统采办周期过长、采办成本过高的难题,美国一直在进行采办改革。从最初的一步到位采办战略,到美苏军备竞赛时期的预先计划产品改进战略,再到2001年美国官方文件首次提出的渐进式采办战略,美国一直在寻求可兼顾近远期军事需求,既能以最低成本、最短周期形成初步作战能力,又能及时吸纳最新技术使武器系统实战能力持续提高的高效采办战略。 (1)一步到位采办战略。从采办开始时就确定全部需求,缺点是在研制过程中不便于及时吸纳用户的前期反馈和最新技术,获得初步作战能力所需的时间较长。届时作战能力已落后于技术基础,即使改进后作战能力的提高也有限。 (2)预先计划产品改进战略(P3I)。先利用成熟技术形成初始系统,同时考虑武器全寿命期间逐步改进的方案,并做好技术、经费和采办管理等方面的准备,待条件成熟后按预订方案更换部件,使系统日臻完善,提高其战备水平和使用效能。与一步到位采办战略相比,预先计划产品改进战略更易于吸纳最新技术,需求与技术基础契合得更好。 (3)渐进式采办战略。这是一种有计划、分步骤实施的采办方式。第一步,根据对威胁的分析预测,利用成熟技术和经过验证的制造方法,确定、研制、生产武器装备,快速部署并形成初始战斗力;第二步,进行后续研制、生产和部署,使战斗力不断加强。渐进式采办不是一开始就追求大、新、全,而是从最基本的能力着手,先建立合理的基本系统,然后逐步升级、更新技术,并保证更新过程不影响其现实战斗力,使前沿技术以阶段性工程和阶段性投产的方式更快装备部队,有利于新技术迅速转化为战斗力。 渐进式采办与预先计划产品改进法相似,不同的是,为了尽快形成战斗力、降低成本和风险,渐进式采办最初交付的能力可能比需求的能力低,如只交付最终需求能力的60%～80%,但是在渐进式采办的过程中,用户、试验和研制部门不断进行沟通,前期反馈可以迅速用于确定最终需求。因此,这种办法可以缩短装备实现初步战斗力的时间,便于及时吸纳最新技术,有利于能力、需求、技术基础的更好契合,经济可承受性好、技术风险低。 按“四化”思想发展 所谓的“四化”是指:系列化——导弹型号按作战任务的不同,或射程、战斗部、制导系统等技术特征,合理分档、分组发展,标准化——在质量、品种规格、零部件通用等方面,运用统一的技术标准;通用化——“一弹多用”或同一型号用于不同发射平台,及元部件的通用化;模块化——把导弹分系统按预定接口关系,设计成积木式模块。 实践证明,“四化”可以减少重复研制,节约大量研制费,有助于批量生产,降低生产成本,可以满足各军种的作战需要,简化操作使用与后勤保障,从而减少使用维护费。世界上的技术先进国家都把“四化”视为发展军工产品的基本原则,以及实现高新技术武器整体式跨越的最佳途径。美国制定有多项采办政策、法规,要求在研制和采购导弹时,尽可能考虑军种内部、三军之间、北约内部的武器系统标准化和通用性要求。美国还成立了促进导弹“四化”的管理机构,如巡航导弹联合计划局。该局的一项重要任务就是抓海、空射巡航导弹主要部件的通用,确定了通用部件占70%的目标。 国外按“四化”思想发展的导弹相当多。如美国的“战斧”巡航导弹、AGM-86C“空射巡航导弹”、SLAM-ER防区外对陆攻击导弹、法国“中程空地导弹”(ASMP)等等,美国“战斧”巡航导弹是其中的典范。为了满足不同的作战需求、尽可能降低全寿命成本,“战斧”巡航导弹在设计中采用了制导系统/战斗部大模块结构。在导弹的气动外形上选择了以BGM-109A核战斗部型为基型、以尾段为通用模块、以燃油箱为中介过渡模块、以制导和战斗部舱段为特殊模块的模块化设计方法。该系列均采用APN-194雷达高度表;陆射与海射型使用同一种助推器:早期型号(除BGM-109B)均采用TERCOM地形匹配系统,后继型号均采用TERCOM+DSMAC制导方案;海射型均与舰面发射箱、垂直发射系统及533毫米鱼雷管兼容;陆射型与海射型均采用相同的武器控制系统与任务规划系统。通过模块化、通用化发展,“战斧”巡航导弹族以较低的成本形成5种系列,既能作为战略武器对敌后方实施攻击,又可以作为战术武器实施战术火力支援;既能摧毁地下加固点目标和地面目标,又能攻击水面舰船等慢速运动目标;既能从飞机、潜艇和水面舰艇发射,也能从陆上机动车辆发射。 在管理层面降低成本的途径 重视全寿命费用管理 在采办一开始就对研制、采购和维修费用进行全面考虑,制定综合后勤保障计划,研究如何做到少维修、易维修,以保证武器系统能以可承受的全寿命费用实现系统效能目标。美国国防部有全寿命费用管理的特设机构——“费用分析改进组”,由国防部负责计划分析与鉴定工作的助理部长直接领导。其职能是,在对国防采办计划进行阶段审定之前估算项目的全寿命费用。在项目的每一阶段,军方都要求承包商反复进行费用、进度、性能之间的全面权衡,从而选择出最佳的费用、进度、性能权衡方案。 重视前期论证和早期决策 控制导弹武器系统成本的最佳时期是项目开展的早期。重视前期论证和早期决策,在设计阶段尽早考虑工艺原理并在生产之前验证制造工艺,可以大大降低更改设计和返工引发的费用。美国空军的一项研究表明:重视与不重视前期决策,在费用方面有很大的不同:重视前期决策的运作模式前期投入较多,在工程与制造发展阶段后期之前,这种模式的投入一直高于后者;重视前期决 策的运作模式后期投入较少,从项目工程与制造发展阶段后期开始,其投入开始低于后者:重视前期决策的运作模式总投入较少,其前期多投入的经费远远低于后期节省的经费。 美国等发达国家十分重视重大工程项目的前期论证和早期决策。一个新的重大工程项目立项,要经过反复的任务需求分析、论证、审查和严格的批准手续。并专门设立联合需求监督委员会对任务需求和使用要求进行不断的审查,提交采办管理系统。在大量投入资金,正式进行全面研制之前,要花几年时间进行多方案的研究比较,制造试验样机进行演示。在前两个阶段进行方案的反复权衡研究、试验的基础上,在主要研制风险已基本排除之后,经过2次正式技术审查和3次里程碑决策,工程项目才能进入全面研制阶段。 引入竞争机制 竞争是提高导弹武器性能、降低成本的有效手段,也是激发创新精神、提高产品质量、降低成本、加快采办进程的利器。美国国防采办一贯采用竞争政策,如“百舌鸟”反辐射导弹在独家供应时单价为19500美元;在两家竞争后,报价分别降为4480美元和3850美元。 美国采取了设计竞争和生产竞争的办法。设计竞争旨在降低技术风险、寻求最佳设计途径。作法是在研制过程的早期,从多家竞争者提供的设计方案中选择几个方案,在演示验证阶段,再从中选择两家提供试验用的样机,到工程研制阶段,一般选定一家公司研制样机。生产竞争是在设计竞争结束后,由两家以上公司对生产项目进行投标,竞争部分乃至全部生产合同。 在实施层面降低成本的途径 在方案探索与确定阶段 方案探索与确定阶段是决定导弹武器成本的关键阶段。此阶段要搞好前期与后期工作的衔接,避免日后扯皮、减少返工损失;在设计时统筹考虑成本与性能,以免出现“镀金”现象(即设计阶段将武器性能指标定得过高,在实际研制中无法达到,或性能指标超出实战需要),重视可靠性和可维修性设计,即便对寿命费用的影响不能“立竿见影”,在设计之初就考虑到未来的改进工作。 (1)重视“并行工程” “并行工程”(COncurrent Engineering)是一种系统工程模式,指对产品的制造和保障过程进行并行的一体化设计。在产品设计初期,就由与产品全寿命周期有关的所有人员(包括技术人员、用户等)组成并行设计小组。该小组参与产品开发的全过程,就产品全寿命周期中的所有问题(如质量、成本、进度、用户需求等)进行交流,并最终做出决策。例如,设计小组根据军方用户的需求提供总体设计,工艺小组则提出工艺要求,或在工艺水平无法满足制造要求时建议修改设计。这种工作模式的最大好处,是可以搞好前期工作与后期工作的衔接,减少日后研制生产过程中的“扯皮”和差错,避免返工造成的浪费。美国各主要航空航天公司采用此模式收效很大,如波音公司就使产品成本降低了30%。 (2)合理平衡性能与费用 费用、性能、进度与风险是导弹武器相互依存又是互相对立的指标,片面强调性能与进度将会导致导弹武器费用和风险的增加。从70年代开始的“限费设计”,到90年代开始的“将成本作为独立变量”设计,美国一直在探索平衡费用、性能、进度与风险的最佳措施。从美国走过的历程看,将全寿命费用作为与性能、进度和风险同等重要的指标,是解决四者矛盾的重要途径。 限费设计 所谓“限费设计”(DTC),就是在研制阶段及早确定费用目标,按估计的平均采购单价进行设计。设计时强调性能与费用的折衷,求得研制费、生产费和使用保障费之间的适当平衡,确保在预定费用指标范围内达到产品性能标准。“限费设计”追求的目标既不是最大可能的性能也不是最低的费用,而是在费用指标范围内实现导弹多种参数的最佳组合,使性能和费用达到最佳平衡。 美国国防部于1975年5月正式颁布关于限费设计的DODD5000.28号指令,规定在武器系统采办过程中,必须把费用作为与性能和进度同等重要的设计参数,应在阶段决策点I之前确立限费目标,确立后不能随意变更。美国导弹系统采办由4个阶段和4次阶段审定组成,如表4所示。在导弹武器项目进行的过程中,从全寿命费用估算到系统级、分系统级以及零部件级的费用、性能的权衡研究,逐层深入细化。80年代后,限费设计策略已在美、英、法等国普遍推广,并取得了较好的效果。 “战斧”巡航导弹是美国应用限费设计研究最好的例子。美国进行“战斧”巡航导弹设计时,将零部件作为成本控制点,将系统依次分解为系统级、分系统级、零部件级,分别进行了10次、30次、300次权衡研究,得出了最优化组合。美国应用限费设计控制“战斧”导弹的成本取得了明显的效果:“战斧”导弹用了大约9年时间,仅花费了13.59亿美元的研制费(1983年美元值)。随着限费设计应用的深入,人们逐渐意识到:由于限费设计的费用限制标准是平均采购单价,对于控制研制、生产费效果较好,但在控制导弹武器全寿命费用方面却存在局限性。到20世纪90年代中期,限费设计逐渐被“将成本作为独立的变量”(CAIV)所取代。
“将费用作为独立变量”(CAIV)是一种帮助用户实现费用和性能双重目标的采办策略。简单地讲,CAIV就是为待采购系统制定全寿命周期的费用目标,用以限定系统的设计决策,力求实现性能、费用的最佳平衡。其基本做法是,武器系统供应商根据用户需求、系统最低费用需求和用户最高费用限额,确定系统性能参数、建立权衡空间,找出系统成本和风险的驱动因素,拿出导弹武器的最佳方案。 “将费用作为独立变量”与“限费设计”均用于控制成本、在费用与性能之间进行权衡。不同之处是,后者的重点是控制武器系统的采购费,全寿命周期费用次之,而前者强调的是全寿命周期费用。CAIV与DTC之间的不同对武器系统的成本模式影响很大,如适当提高系统的可靠性和维修性将增加武器系统的研制费,对于DTC来说,这是不可取的,但从长远来看,却可以降低武器系统的全寿命费用。目前,DTC已逐渐被CAIV所取代。美国1995年正式把“将费用作为独立变量”的方法作为官方采办政策确定下来。美国国防部5000-2R号文件规定,研发费用在3.65亿美元以上或总成本超过21.9亿美元的重大国防采办计划,必须应用“将费用作为独立变量”的方法。预计一年花费在3200万美元以上的,或预计项目总费用超过1.26亿美元的,或预计全寿命费用超过3.28亿美元的重大信息系统采办项目必须应用CAIV的方法。 已应用CAIV策略的项目包括一次性运载火箭、AIM—9X空空导弹、陆军战术导弹系统、多功 能信息分发系统、联合空对地防区外导弹、联合攻击战斗机、天基红外系统等。其中,AIM—9X导弹被美国海军评为采用CAIV方法控制成本最成功的案例。美国海军估计,AIM-9X导弹仅研发和采购阶段就已节约了12亿美元的费用。主承包商还开发出RACOST软件,可快速估算出不同设计方案的成本,以及各分系统成本增加的风险。
(3)重视可靠性和可维修性 大量研究表明,在设计阶段重视可靠性和维修性的导弹武器项目与早期没有重视可靠性和维修性的类似项目相比,出现的保障问题要远远低于后者,全寿命成本也远低于后者。早在70年代,美国国防部就建立了统一的可靠性管理机构和数据交换网络,提出较完善的可靠性设计、试验与管理方法。1980年颁布了有关可靠性和可维修性综合管理的指令性文件。1985年,美国空军颁布R&M2000大纲,规定新武器系统的可靠性必须比现有系统提高一倍、维修需求减少一半。美国陆军也颁布类似大纲,提出到2000年,新系统的使用与维修费要减少50%。 (4)在设计时就考虑到将来的改进 在设计导弹时先应用经过验证的技术、拿出小风险的方案并留有改进余地,待新技术成熟后再改进导弹、逐步提高其性能,是解决先进性与可行性之间矛盾、规避技术风险、缩短研制周期、降低成本的有效措施。前面已经谈及的预先计划产品改进战略(p3I),就是一个具体的办法。实践证明,p4I法不但有助于导弹武器的性能随威胁的变化而提高,而且可以降低技术风险、延长武器使用寿命、简化后勤保障工作、节约大量费用。 在研制阶段 尽管此前导弹武器系统的基本设计已大体完成、主要研制费用已基本确定,但仍然可以寻求一些降低成本的途径,如选择较便宜的零部件、采用新技术等,进一步降低研制与生产成本。例如,焦平面阵列的成本可能降低20%;武器级GPS接收机的成本已从上世纪80年代的10万美元,降到现在的几千美元;惯性测量器件的成本已从上世纪80年代的2万美元,降到现在的1200美元。 导弹武器的制导控制、推进、再入飞行器、战斗部、弹体等分系统的成本,对其整体成本有重要影响,尤其是制导控制系统的成本对全弹成本的影响显著(见表6)。因此,降低制导分系统(特别是导引头)和推进分系统的成本,是导弹武器低成本化的重要途径。
(1)降低制导分系统的成本 制导分系统的成本占导弹成本的比例,随导弹类型和制导功能技术含量的不同而异,而且有逐渐增加的趋势。如导弹防御系统的动能拦截弹中,导引头和控制系统由于技术先进、结构复杂,占整个拦截弹成本的40%以上,战区高空区域防御系统拦截弹的制导控制系统、“爱国者先进能力3”拦截弹的导引头、AGM-130空地导弹的制导系统、先进中程空空导弹的制导控制系统的成本,分别占全弹成本的43%、47%、41%、77%。因此,降低导弹制导分系统的成本是实现导弹低成本化的重要途径。 降低成本的具体办法是:采用低成本的惯性测量装置、应用GPS/惯性或星光/惯性组合制导技术,以及采用低成本的导引头。在反导拦截弹、空地导弹和空空导弹的制导控制分系统中,导引头的成本一般占制导系统成本的一半以上。如THAAD系统拦截弹的导引头成本高达30万美元,占整个拦截弹成本的23%、制导分系统成本的53.5%:AGM-130空地导弹导引头的成本占制导分系统成本的51.2%。所以,降低导引头的成本尤为重要。 美国为反导拦截弹研制的低成本导引头最为典型,它通过大幅度减少零部件来显著降低成本。与常平架式导引头和捷联式导引头相比,电子扫描导引头的部件数量减少1～2个数量级,使成本降低12～30倍。传统的常平架安装的导引头,质量约8～10千克、零部件多于300个、成本高于30万美元,捷联安装的导引头,质量小于5千克、零部件不到100个、成奉低于12.5万美元:而电子扫描导引头,质量不到0.5千克、零部件少于3个、成本可能低于1万美元。这种导引头可能使反导拦截弹制导系统及全弹的成本分别降低96%和22%。 又如,美国在“低成本巡航导弹防御”(LCCMD)计划中,由于拦截器系统关键部件——导引头子系统占总成本的70%,同时也是整个拦截器系统技术难点之所在,因此成为低成本巡航导弹防御计划研究的重点。美国预先研究项目自1996年开始,先后对噪声雷达导引头、长波红外导引头、特高频导引头、微光机电系统(MEMS)电子扫描阵列导引头、雷达导引头、脉冲激光雷达导引头6种导引头概念进行了有限研究,1999年筛选出噪声雷达导引头、微光机电系统电子扫描阵列导引头、脉冲激光雷达导引头方案。经过反复试验和逐层筛选,DARPA于2001年下半年最终选定成本较低的MEMS电子扫描阵列导引头。这种导引头无需万向支架且应用廉价的相位转换器,因此成本较低,批产量3000个时的单价只有40000美元。 国外战术导弹和精确制导弹药已普遍应用GPS/惯性制导技术,如美国的陆军战术导弹系统、“战斧-3”和联合直接攻击弹药等。俄罗斯“伊斯坎德尔”战术弹道导弹也采用“全球导航卫星系统”进行中制导修正。采用GPS/惯性制导技术可以提高导弹的制导精度、显著降低用于制导的成本。如激光制导炸弹的单价约为5～15万美元;而在常规炸弹上加装GPS/惯性制导装置构成精确制导炸弹,成本仅为1.2～1.5万美元。 (2)降低推进系统的成本 推进系统成本占导弹武器总成本的比例较高的是弹道导弹(尤其是战略弹道导弹),使用最多的是固体火箭发动机。从80年代开始,降低固体发动机成本的应用研究取得较大进展,效果较明显的是低成本的壳体、固体推进剂和喷管,低成本发动机制造技术也有一定进展。 美国空军和ATK锡奥科尔公司从1996年开始实施整体高性能火箭推进技术(IHPRPT)计划,导弹武器是主要的应用领域之一。计划分3个阶段,将于2010年完成。在2000年11月进行的第一阶段验证试验中,在发动机质量比提高17.1%、比冲增加2%、可靠性增长25.3%的同时,成本降低了15.2%。这意味着导弹武器的成本可以降低约4%。
此外,新型的固液火箭发动机被认为是降低导弹推进系统成本的新途径。与固体火箭发动机相比,这种发动机能量更高、推力可以控制,而且可以多次停止和再启动:与液体火箭发动机相比,其结构简单、使用范围广,而且危险性很小。目前,固液发动机技术已经进入应用研究阶段。 可降低成本的先进制造模式和技术 先进制造模式 20世纪90年代以来,以美国为首的发达国家推行一系列提升国防工业信息化的计划,显著地降低了生产成本、缩短了产品开发和生产周期、改进了质量并减少浪费、显著增强了企业的竞争能力。美国空军推行的“精益航空航天计划”(LAI)、美国海军推行的“最佳制造实践”(BMP)计划、集成制造控制系统(IMACS)计划等,被认为是未来30年以工业基础能力增强美国军事实力的重大行动计划。目前国际上重点发展的现代制造模式有精益制造和敏捷制造等。 (1)精益制造 精益制造(Lean Manufacture)是美国麻省理工学院根据日本企业的成功实践,于1992年归纳和总结出来的一种新概念。它旨在采用多种手段(如一体化产品小组)形成灵活的生产模式,力求以最低的投入获得最大的产出和完美的产品。美国国防工业推广精益制造技术已初见成效。2004年是实施该计划的第11个年头,美国排名前50的国防供应商中有90%以上参与了精益制造计划,应用精益制造生产流程来提高导弹、飞机等装备的产品质量,降低成本并增加业务量。例如洛克希德·马丁公司、波音公司等,都通过这些计划的实施明显地降低了生产成本,缩短了产品开发和生产的周期。 (2)敏捷制造 为了重新夺回制造业优势,美国政府在大量调查研究的基础上,于1991年发表了具有划时代意义的《21世纪制造企业战略》报告,首次提出敏捷制造(Agile Manufacturing)的概念。敏捷制造是指制造企业采用现代通信手段,把企业内部和分布在全球的合作企业的资金、设备、柔性制造技术及高素质人员进行全面集成、优化利用,以有效和协调的方式响应用户需求,达成制造的敏捷性。敏捷制造的实现途径就是通过网络建立信息高速公路,建立“虚拟企业”。不同合作伙伴之间共同组建动态公司,协同制造、共担风险、共同获利。 在敏捷制造中,产品的批量和产品的生产效率及成本已经没有必然联系,单件和小批量产品在设计制造部门可能会汇聚成大批量生产,通过多个企业的动态联合、共同协作,可以降低对每个企业生产能力的要求,一个企业可以只负责产品开发中的一小部分,实现了整个社会资源的最佳配置,产生更显著的效益。实施敏捷制造的核心是动态联盟组织,它采用高度灵活的动态组织结构突破企业的有形界限,使企业提高了应变能力。美国、欧洲、日本等发达国家和地区高度重视敏捷制造,投入巨额资金加以研究和实施。敏捷制造已成为美国政府和制造业在二战后的最大投资项目,仅1995年搜集到的成功案例就已达数百项。预计到2006年,美国制造业将基本完成这一战略性的社会变革。 在航天制造中,敏捷制造主要用于快速响应战场需求,充分利用企业资源以达到降低成本、提高生产效率的目的。在导弹领域,美国预先研究项目局早在1995年,就与陆、海、空三军合作研究和实施敏捷制造计划,启动了为期5年、历经3个阶段的“经济可承受的多导弹制造”(AM3)计划。AM3计划的目的是验证可降低战术导弹、智能炸弹的开发和生产成本、缩短生产周期的先进导弹设计与制造概念;目标是将现有导弹的生产成本降低25%、新型导弹的开发与生产成本降低50%。 AM3计划在洛克希德·马丁公司和雷声导弹系统公司的应用取得了一定的效果:洛·马公司及其合作伙伴运用因特网和商业软件,将5个公司的企业资源规划系统集成起来,实现贯穿整个供应链的业务流程同步化和最优化。据估计,因此节约资金约1亿美元、首次交付时间缩短13%、产量增加17%、制造周期缩短14%。1995年,雷声导弹系统公司的“拉姆”和“小牛”导弹项目是独立实施的,分别拥有各自的人员、试验设备和辅助工具。在面临预算削减的情况下,为更好地满足用户需求,雷声导弹系统公司将多个导弹项目结合起来,提高了试验设备、工具和人员的运用效率。该公司建立2个多导弹制造设施,一个用于生产、组装和测试“拉姆”、“小牛”和AIM-9X导弹的制导和控制部分:另一个用于总装和向用户交付产品。这种一体化联合的多项目设施,对于小批量或断续生产的导弹项目特别有益。 有利于降低成本的新制造技术 采用先进制造技术,可以在确保产品质量的前提下,以最少的消耗、最低的成本、最高的效率,研制和生产出最适合用户需要的产品。目前国外重点实施以下新制造技术: (1)快速成型制造 快速成型(Rapid Prototyping)制造是80年代中后期发展起来的一种新技术,已成为制造科学的前沿和焦点,与虚拟制造技术一起陂称作未来制造业的两大支柱技术。快速成型制造技术是基于离散/堆积成型原理,综合利用计算机辅助设计(CAD)、数控、激光加工等技术,实现从零件设计到三维实体原型制造一体化的系统技术。具体流程是:先用CAD软件设计出零件的三维曲面或实体模型;再根据工艺要求,对生成的CAD模型进行切面分层,生成各个棱面的二维平面信息;然后对层面信息进行工艺处理,选择加工参数,自动生成刀具移动轨迹和数控加工代码,再对加工过程进行仿真,确认数控代码的正确性,然后利用数控装置精确控制激光束或其他工具的运动,加工出适当的界面形状;再铺上一层新的成形材料,进行下一次加工,直至整个零件加工完毕。 快速成型技术可以形成便于生产的设计方案,省去耗时费力的机械加工、绘图等工序,降低制造成本、缩短设计和制造时间,具有更好的需求响应能力,对于缩短产品开发周期、降低开发费用具有极其重要的意义。近年来,快速成型制造技术在精度、可靠性、生产率和产品尺寸等方面不断提高,研究重点集中在工艺方法和造型材料两个方面。 美国雷声导弹系统公司运用快速成型技术取得了较好的效果。其实例,一个是“战斧”导弹尾锥整体铸件的生产——比最初设计的尾锥更精确,重量也轻4磅;另一个是运用快速成型技术测试AIM-9X导弹的控制作动系统组件,早期发现了潜在的问题,使雷声导弹系统公司节约了大量资金、避免了后续的麻烦。 (2)计算机模拟与虚拟制造
计算机模拟与仿真技术的应用,可以为导弹武器的设计、制造和试验带来明显效益。通过模拟仿真,在方案设计中,可以对多个方案同时进行综合性能的模拟预测,以便迅速确定最佳方案;在图样设计阶段,可以验证结构、参数是否适合产品综合性能要求,可以代替或部分代替样机制作、工艺验证,可以 及早预测加工制造以及装配过程中可能发生的工艺问题;可以部分代替样机和实体模型试验,降低真实试验次数和消耗。美国的“爱国者”、“罗兰特”和“尾刺”地空导弹,由于在研制过程中采用仿真技术,大幅度降低了靶试次数,节省研制经费10%～40%、缩短研制时间30%～40%(表8)。 “虚拟制造”技术是在产品设计、制造的物理实现之前,利用计算机科学技术、仿真技术、虚拟现实技术,使人体会、感觉到未来产品的性能,从而做出前瞻性的决策与优化实施方案。利用虚拟制造技术,可以在计算机上完成导弹武器的设计、试验、测试及试装配,从而大大缩短研制周期、降低成本。 (3)新材料、新工艺 材料与工艺是导弹研制、生产的基础,对提高导弹武器的性能、降低其成本起着重要作用,当前的研究重点是高性能合金、复合材料、隐身材料及特殊结构和功能材料。其中,复合材料及其制造工艺特别重要。用高性能纤维及其编织物、采用增强基体,可以批量生产强度大、比重小的高级复合材料,而且应用部位已由次承力部件发展到主承力部件。战略导弹的固体发动机、仪器舱、弹头防热与突防结构、机动发射筒、各类战术导弹的防热结构等,都是典型的复合材料构件。 (4)微机电系统技术
微机电系统(MEMS)是集微小尺寸的传感器、执行器、信号处理和控制电路、接口、通信系统甚至电源等微型分系统于一体,可批量制造的微型器件或微型系统。MEMS具有体积小、重量轻、功耗低、性能优异、可大批量生产等特点,在导弹武器领域的应用主要包括:微机电指令控制系统、微型惯性制导系统、微型空间姿态测定和控制系统、微型动力和微推进系统、微型热控系统、微型通信系统等。目前,美国“先进的精确杀伤武器系统”(APKWS)的制导火箭、紧凑型动能导弹(CKEM)、陆军通用模块化导弹、低成本巡航导弹防御拦截弹等导弹武器系统,都采用了MEMS技术。 利用MEMS技术,很容易将陀螺、加速度计和电子控制组件,集成为厚度薄、成本低、尺寸小、适合导弹和弹药制导及其他应用的高性能惯性测量部件(IMU),从而克服基于环形激光和光线陀螺的传统IMU系统的体积大、成本高、不能大量生产等缺点,满足战术导弹、制导炸弹在精度、成本和体积方面的需求。如前面表7所给出的3种可用于导弹的典型惯性测量器件,可以发现,MEMS惯性测量器件的成本不到激光陀螺和干涉式光纤陀螺的1/8。目前,美国陆军和海军正在实施“低成本、高加速、高精度微机电惯性测量装置计划”,利用微机电技术发展一种通用于各种导航和控制系统、能满足90%战术制导武器需要的IMU。如表9所示,该计划的首要目标是设计、研制和生产一种能够承受20000g以上发射加速度、精度高于0.5°/小时、体积小于12.9厘米3、价格低于1200美元的IMU5第二个目标是设计、研制和生产具有抗干扰能力、与全球定位系统接收机高度结合或深度集成的IMU。 MEMS相位变换器的成本较低,可以取代成本较高的万向支架,显著降低导弹导引头和火控雷达的成本。与砷化镓微波/毫米波单片集成电路、铁汰氧变换器、二极管相比,MEMS相位变换器具有功耗小、损耗小、成本低等优点,可以使火控雷达和导弹导引头的电扫描天线的成本降低5～10倍。美国陆军2004年8月开始实施经济可承受的相控阵天线相位变换器计划,开发相控阵天线使用的铁电相位变换器和MEMS相位变换器。目的是使相控阵天线的信号强度和吞吐量更大,尺寸、重量、功耗更小,抗干扰能力更强,可用于超视距导弹和陆军通用模块化导弹,以及指战员信息网络-战术系统、未来战斗系统。
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