基于无人机系统使用模式的成本分析

吴军，陈文辉，罗沐阳，张贺

95894部队

美军近年发展的部分无人机系统项目频繁强调低成本、可消耗理念以及X-47B无人机项目下马，均表明“无人机较有人机具有明显的成本优势”值得商榷。本文选取执行美军情报、监视和侦察任务的三型无人机和六型有人机，分析无人机和有人机的使用模式和使用成本，比较美国空军RQ-4无人侦察机和海军P-8有人反潜机的单位飞行小时成本，以期对无人机系统研发、采购、使用和维修提供参考。

近20年来，无人机在局部冲突中的运用取得了较好的战果，尤其是纳卡冲突，无人机成为阿塞拜疆军方夺取胜利的关键作战装备。美军一直在选择性地使用无人机系统，以替代有人机执行作战任务。相比有人机，无人机的前期采购较低。但是，考虑到无人机在全生命周期内的经常性成本，其优势可能没有那么明显。因此，我们有必要研究执行类似有人机任务的无人机使用模式及使用成本，分析并提升无人机的效费比，促进无人机系统更快更好地发展。

传统无人机不须要配备座舱供氧设备、座舱增压设备和弹射座椅等生命保障系统，除去部分机载设备成本的同时，也减轻了无人机的重量，进而降低了动力系统的功耗，使用成本必然低于有人机。

本 文 选 取 美 军MQ-1“ 捕 食者”、MQ-9“死神”和RQ-4“全球鹰”三型无人机，以及E-3“望楼”、E-8“联合星”、RC-135“联合铆钉”、U-2“黑寡妇”、RC-26以及P-8“波塞冬”六型有人机，分析这些机型的使用模式，比较使用成本。图1中MQ-1和MQ-9无人机均使用单台发动机，外形尺寸较有人机小，除U-2外，有人机均装配了两台或两台以上发动机。

图1 三型无人机和六型有人机的外形示意图。

使用模式

不同特性的飞行器，其作战使用也有所区别。无人机机上无飞行员，飞行任务无须考虑人员的生理极限，因此可执行枯燥的情报、监视和侦察（ISR）任务、危险的反介入/区域拒止环境下侦察、监视和打击任务以及肮脏的放射性样本收集任务。而有人机的飞行员可以高效地执行空战所需的快速响应任务，其他机组人员对实时信息进行处理分析，产生更高价值的情报。无人机能否达到有人机的作战能力，完全替代有人机执行作战任务，依赖于人工智能、大数据、物联网等技术的进步。

执行同类任务的不同机型，其使用模式主要取决于可执行任务率、年度平均飞行时间、损毁率和可用年限等因素。

可执行任务率

可执行任务率是指飞行器未处于存放或维修状态，能执行所有指定任务的飞行器的数量占总数量的百分比。图2列举了多型飞行器的可执行任务率，无人机高于大多数有人机。究其原因，部队装备的无人机系统通常是一站多机系统，即一套地面控制站和多架无人机，但作战通常使用单站单机，即其中一架无人机执行任务。可执行任务率计算应将系统内的其他几架无人机的可执行任务考虑在内。根据无人机可消耗性的设计初衷，无人机安全标准略低于有人机。

图2 2014—2018 年，多型飞行器的可执行任务率。

年度平均飞行时间

年度平均飞行时间取决于年度平均出动架次和单架次年度平均飞行时间。图3列举了2014—2018年多型飞行器的单机年度平均出动架次，无人机略低于有人机。在实际作战中，受传统作战思维和飞行速度的影响，美军倾向于使用有人机执行2架次共16h的飞行任务（每架次执行8h飞行任务），而不是使用无人机执行1架次16h的飞行任务。图4是多型飞行器的单架次年度平均飞行时间，无人机几乎是有人机的3倍，图中无人机的最大续航时间主要取决于载油量和油耗率，而且均超过20h；而有人机受飞行员生理极限的限制，续航时间均不超过12h。图5显示，受年度平均出动架次和单架次年度平均飞行时间的影响，无人机的单机年度平均飞行时间约为有人机的2倍。

图3 2014—2018 年，单机年度平均出动架次。

图4 2014—2018 年，单架次年度平均飞行时间。

图5 2014—2018 年，单机年度平均飞行时间。

损毁率

损毁率在很大程度上影响着飞行器持续执行任务的能力。图6列举了多型飞行器的损毁率即百万飞行小时的损毁数量，即使不考虑损毁率过高的MQ-1无人机（因为该机没有完全达到安全指标就仓促投入战场），无人机的损毁率也远高于有人机。究其原因，一是无人机设计与研发考虑了可消耗性，降低了安全标准，而有人机技术较成熟，安全标准较高；二是本文提及的两型无人机采用单台发动机，空中停车后很难安全返航和降落，而有人机使用多台发动机，单发空中停车后，通常能安全飞行、返航和降落；三是无人机通过无线电数据链路传输的态势感知信息和接收的操控指令均有时延，降低了操控员对空中突发情况的处置效率，特别是链路中断，可能导致更大的损毁风险；四是无人机主要在对抗环境中执行任务，而有人机主要在敌方防区外飞行，且日常训练占用较多时间。须要指出的是，在高危对抗环境中执行任务，U-2的损毁率同样很高。

图6 1994—2019 年，多型飞行器的损毁率即百万飞行小时的损毁数量。

可用年限

飞行器的可用年限主要取决于设计寿命及是否延寿，并决定服役时间（以年为单位计量）的上限。鉴于本文提及的机型尚在服役，难以确定是否延寿。图7统计了多型飞行器截至2019年12月31日的服役时间，无人机均在2000年前后列装部队，最长服役时间只有20年左右，鉴于MQ-1无人机已经退役，本文近似认为无人机的可用年限为20年；RC-135有人机的最长服役时间达59年，平均服役年限为55年。考虑到有人机的平均服役年限主要受列装起始时间的影响，且损毁率很低，本文认为有人机的可用年限为50年。

图7 截至2019 年12月31日，多型飞行器的服役时间。

总之，无人机的作战使用率远高于有人机，但损毁率过高、可用年限较短，不利于保持持续作战能力。为保持持续和稳定的作战能力，无人机系统须要提高可靠性、安全标准，因此使用成本必然会增加。

使用成本

使用成本包括前期采购成本和全生命周期内的经常性成本。

采购成本

相比有人机，无人机具有可消耗特性，系统可靠性要求低，有些机型使用单台发动机，且机上没有飞行员，不须要配备座舱供氧设备、座舱增压设备和弹射座椅等生命保障系统，成本相应降低。图8列举了多型飞行器的采购成本，其 中RC-26、RC-135和U-2等 有 人机的研制和列装时间久远，采购成本无法有效地估算。

图8 多型飞行器的采购成本。

图9 2014—2018 年，多型飞行器的经常性成本。

经常性成本

经常性成本即年度使用和维修总成本除以年度总飞行小时数，以单位飞行小时的使用和维修成本进行计量。值得一提的是，RC-26侦察机由小型商用涡轮螺旋桨飞机改装而成，经常性成本较低。

飞行小时成本

基于类似的任务使命和技术背景，本文比较RQ-4无人侦察机和P-8有人反潜机的飞行小时成本。虽然P-8有人反潜机的任务包括反潜和反水面舰艇作战，但主要执行类似于RQ-4无人机的长航时情监侦任务。RQ-4和P-8具有类似的任务使命，分别于2007年、2010年开始服役，服役时间详见图7，研制时间颇为相近，被认为具有同时代的研制技术背景。

比较方法

对于有人机，AM表示前期采购成本，LM表示预期寿命，HM表示单机年度飞行小时数，RM表示单位飞行小时的使用与维修成本。在预期寿命内，有人机每年产生的费用为RM×HM美元，损毁率DM=0架/百万飞行小时。按通货膨胀率，并考虑贴现率i，不同年代的币值均折算成2020年的币值。CostM表示贴现成本总和，FlyingM表示贴现飞行小时总和，则

其中，t为有人机列装部队的年数（或以年为单位的列装时间）。

其中，t为无人机列装部队的年数（或以年为单位的列装时间）。

单位飞行小时成本

表1显示，RQ-4和P-8的单机年度飞行时间分别为945h、589h。尽管近几年P-8的年度飞行时间有所增加，但还是比RQ-4少了近40%。对于损毁数量，1994—2019年，RQ-4每百万飞行小时的损毁数量为23架，而P-8未曾损毁；RQ-4前期采购成本为2.39亿 美 元，P-8为3.07亿 美 元；RQ-4经常性成本约为18,700美元，P-8约29,900美元，RQ-4的经常性成本是P-8的62%；对于可用年限，RQ-4参考了MQ-1系列无人机，设定为20年，P-8参考RC-135和U-2的可用年限，设定为50年。

表1 RQ-4 与P-8 的数据统计表。

上述计算方法得出，RQ-4的单位飞行小时成本是35,245美元，P-8为42,272美元，RQ-4的单位飞行小时成本是P-8的83%，而经常性成本却是P-8的62%，说明前期采购成本和可用年限对单位飞行小时成本产生很大影响。

影响因素分析

前期采购成本降低、平均可用年限延长和经常性成本减少可降低多型飞行器的单位飞行小时成本。RQ-4和P-8两型飞行器已列装部队，前期采购成本已经确定，经常性成本也不可能发生较大波动。因此，单位飞行小时成本的显著降低只能考虑平均可用年限的延长。

平均可用年限受设计寿命和损毁率的影响。如果RQ-4的现有损毁率继续增加，会提高该机的飞行小时成本。如果P-8的损毁数量继续保持为零，而RQ-4的损毁率超过MQ-1，达到每百万飞行小时70架（是当前损毁率的3倍），两者的单位飞行小时成本相同。但这种极端情况几乎不会发生。现实情况是，P-8的设计寿命只有25年，可用年限延长至50年，损毁率势必提高；随着部队不断积累使用与维修经验，无人机的损毁率将呈现稳步下降的趋势。

如果RQ-4的平均可用年限超过20年，单位飞行小时成本也可能发生变化。RQ-4平均可用年限延长会略微降低单位飞行小时成本。如果RQ-4的平均可用年限延长至50年，且不须要额外投入来保证无人机的完好状态，经常性成本保持不变，单位飞行小时成本将减少20%，约为28,200美元。虽然平均可用年限延长须要更换大量老化的机载设备，飞行小时成本进而增加，但P-8的设计寿命也只有25年，存在类似的问题。

结论

综上所述，无人机执行类似任务，其单位飞行小时成本约为有人机的80%，具有一定成本优势。但现役无人机的战场生存能力较弱，在现代防空体系的对抗环境中开展作战，损毁率会大幅提升，无人机成本优势会降低。

此外，无人机与有人机之间的利弊权衡，成本只是考虑因素之一。相比有人机，无人机具有隐身性能好、续航时间长、机动性高、研制周期短、作战能力生成快、作战使用弹性大、作战补充快等特点。因此，无人机在保持成本优势的同时，应充分挖掘作战潜力，实现技术与战术的融合，提升系统作战效能。

图10 本文的计算结果显示，RQ-4无人机的单位飞行小时成本为35,245美元。