基金项目:国家重点项目
作者简介:陈雪娇(1993—),女,博士,高级工程师,研究领域为液体推进剂研发。
1.北京航天试验技术研究所,北京 100074; 2.航天绿色推进剂研究与应用北京市重点实验室,北京 100074; 3.中国人民解放军军事科学院 系统工程研究院,北京 100071
1.Beijing Institute of Aerospace Testing Technology, Beijing 100074, China; 2.Beijing Key Laboratory of Research and Application forAerospace Green Propellants, Beijing 100074, China; 3.Systems Engineering Institute, Academy of Military Sciences, Beijing 100071, China
endothermic hydrocarbon fuel; evaluation index system; analytic hierarchy process; judgment matrix; weight value
DOI: 10.3969/j.issn.1672-9374.2024.05.004
吸热碳氢燃料经过数十年的发展,评估方法可分类为基本理化性能评价方法和使用性能评价方法。基本理化性能评价方法主要由各种成熟燃料的标准规范构成,如《3号喷气燃料》[1]、《高闪点喷气燃料规范》[2]、“Turbine fuel, low volatility, JP-7”[3]等,主要内容是采用成熟的测试方法规定燃料的基本理化性能,应用于油品生产、使用、贮存等各个环节,以直观地判断燃料是否合格。在吸热碳氢燃料的使用性能方面,虽然目前大部分性能还未形成测试规范,但是业内已经形成了一套固定的评价流程,针对具体的应用场景,有相对确切的广泛受到认可的评价条件和评价基准,保障了使用性能评估方法的科学性和准确性。
然而由于吸热碳氢燃料分子结构的特点,导致燃料某些性能变好的同时必然导致某几种性能变差,一些指标是互相矛盾的,比如密度增大的燃料黏度通常会更高、杂质元素含量少的燃料润滑性会变差等,因此不存在一种“十全十美”的吸热碳氢燃料,这种优劣共存的特性使新型吸热碳氢燃料综合性能的评价变得较为困难。现有的评价方法针对的是某种产品是否合格或者某项指标是否满足工程应用需求,明显难以满足从多角度多维度对吸热碳氢燃料进行综合评估的需求。因此,亟需将吸热碳氢燃料在设计、生产、研制、使用、贮存等过程中涉及的多项评价指标“点”汇聚整合成为一套完整的评估体系“面”,形成一套综合的吸热碳氢燃料评估体系。
调研发现国内关于吸热碳氢燃料评估体系的研究尚属空白,国外也未见相关文献资料。而建筑、武器装备、防空体系等领域的评估体系已经有几十年的研究历史,尤其是建筑领域,早在21世纪初期英国、德国[4-5]、日本[6]等国家就已经颁布了绿色建筑评估体系标准。国内从2015年起也陆续颁布了关于绿色建筑的评估体系标准/手册/准则,并且已经大范围推广至实际工程应用中。此外,随着复杂研究系统综合性能评价的需求愈发迫切,武器装备[7-10]、安全科学[11]、环境科学[12-13]等领域也陆续开展了评估体系的探索,构建了多套面向不同应用场景的评估体系。
通过对不同领域的评估体系构建方法进行分析,发现都遵循一套固定的构建流程:构建分级评估指标体系模型→指标权重系数计算→构建认证分析方法。构建过程中最为核心的是权重系数计算。权重表示该项指标在评估体系中的重要程度。权重赋值方法包括主观赋值法和客观赋值法两类。主观赋值法能充分运用评估专家的知识和经验,不容易出现实际重要程度与权重相悖的情况; 客观赋值法需要建立在大量样本数据的基础上,在样本量不足的情况下,易产生权重值与实际重要程度相违背的情况,且对历史数据的依赖较强,不适用于与样本性质偏差较大的体系的权重计算[14]。通常采用层次分析法对主观赋值法获得的定性数据进行定量分析。层次分析法将复杂的多目标决策问题作为一个系统,通过定性指标模糊量化方法计算得到各层次权重,是一种应用广泛的定性与定量结合的综合性系统分析方法[15-17]。
本文将成熟的评估体系构建方法首次引入吸热碳氢燃料领域,采用主观赋值法+层次分析法整合吸热碳氢燃料基本理化性能评价方法、使用性能评价方法、经济性、风险性等方面的指标,完成了吸热碳氢燃料评估指标体系的构建,初步实现了吸热碳氢燃料综合性能定性评估到半定量评估的跨越。
吸热碳氢燃料评估指标体系的构建流程为:确立评估指标项→初步构建评估指标分级模型→反复迭代优化评估指标分级模型→指标权重系数计算→形成评估指标体系。由于关于吸热碳氢燃料评估指标体系的数据样本量较小,且新型碳氢燃料的性能数据与历史样本存在差异,因此适宜采用主观赋值法确定权重。
为了将主观赋值法中专家的打分转化为权重数据,引入层次分析法进行计算。层次分析法不仅能够获得比较接近实际的相对重要性排序,而且可以利用一致性检验方法对专家打分结果进行逻辑性判断,剔除不符合逻辑规律的样本,保证评价结果的科学可靠。运用主观赋值法+层次分析法确定权重的步骤如下。
权重系数的主要计算方法包括方根法和求和法,两种计算方法得到的权重数值虽然略有差异,但是各个指标的重要性排序完全一致。因此计算方式不影响权重计算结果,只要全套指标体系均采用一种方式计算,即可以保证各个指标的权重具有可对比性。
从吸热碳氢燃料全寿命周期的角度考虑,评估指标体系应包括研制、生产、使用、测试、贮存等环节的各项指标。综合考量吸热碳氢燃料的理化性能评价指标、使用性能评价指标和经济成本等相关指标[22-32],通过专家调查法经过两轮迭代优化,构建了由7个一级指标(包括燃料技术指标、燃料环境适用性、燃料勤务适用性、燃料发动机子系统部件测试指标、燃料动力飞行测试指标、燃料经济性、燃料风险性)、25个二级指标、75个三级指标组成的吸热碳氢燃料指标分级模型。
根据层次分析法的思想,将吸热碳氢燃料指标分级模型中各层级的指标利用1~9标度法进行两两比较,形成专家调研问卷,本研究共统计分析有效调研问卷33份,调研问卷中专家构成如图1所示。高级职称(包括正高级职称和副高级职称)人员占比达64%,从业5 a以上人员占比达60%,表明参与调研的专家成员具有较为丰富的从业经验和专业知识,问卷调研结果具有代表性和科学性。
以其中一份调研问卷的一级指标权重计算过程为例说明计算过程。调研问卷中专家选择的答案为燃料技术指标比燃料环境适用性更重要,重要程度为明显重要,因此判断矩阵的X12为5,以此类推将该调研问卷中的问答结果转换得到一级指标的8×8判断矩阵,如表3所示。分别采用方根法和求和法计算了权重,结果见表4。结果表明两种计算方法得到的权重数值虽然略有差异,但是各个指标的重要性排序完全一致。且方根法和求和法计算得到的一致性比率分别为0.076和0.081,均小于0.1,均符合一致性检验。验证了计算方式不影响权重计算结果,本研究中采用求和法进行权重的计算。
按照上述方法对全部调研问卷的数据进行分析,将CR>0.1的调研问卷视为不符合逻辑样本,从总样本中剔除。以一级指标的一致性比率分布为例,如图2所示,有3份样本的一致性比率不符合要求,对其余样本的权重值进行求解,得到一级指标权重值分布。以此类推计算得到的各级指标权重值如表5所示。
各级指标的重要程度由高到低排序如下。
各级指标重要程度排序为:燃料动力飞行测试指标、燃料发动机子系统部件测试指标、燃料技术指标、燃料环境适用性、燃料风险性、燃料勤务适用性、燃料经济性。
1)燃料技术指标:安定性、燃料计量和飞行航程、热性质、燃烧雾化和低温性、腐蚀性、挥发性、化学组成、清洁性、润滑性、导电性、颜色。
2)燃料环境适用性:高温高压热物性、材料相容性、贮存稳定性。
3)燃料勤务适用性:安全性、储运系统相容性、毒性。
4)燃料发动机子系统部件测试指标:换热性能、燃烧室性能试验、系统部件组件试验。
5)燃料动力飞行测试指标:飞行试验、发动机试验。
6)燃料经济性:研制成本投入、获利能力。
1)化学组成:烃族组成、添加剂、芳烃和烯烃含量、萘系烃含量、总硫含量、硫醇硫含量、总酸值、痕量元素。
2)燃料计量和飞行航程:燃烧净热值、密度。
3)燃料雾化和低温性:运动黏度、冰点、表面张力。
4)安定性:动态热安定性、静态热安定性。
5)挥发性:闪点、饱和蒸气压、馏程或沸点。
6)热性质:比热容、临界参数、导热系数。
7)导电性:介电常数、电导率。
8)清洁性:实际胶质、固体颗粒污染物含量、水反应、水分离指数。
9)腐蚀性:铜片腐蚀、银片腐蚀。
10)贮存稳定性:自然贮存稳定性、加速贮存稳定性。
11)材料相容性:金属材料相容性、非金属材料相容性。
12)高温高压热物性:比热容(高温高压)、密度(高温高压)、黏度(高温高压)、导热系数(高温高压)。
13)安全性:可燃浓度/温度极限、最小点火能、自燃点。
14)储运系统相容性:混油特性、油泵相容性、过滤器相容性。
15)毒性:急性毒性、诱变性/致癌性、生殖/遗传毒性。
16)系统部件组件试验:喷嘴适用性、油泵适用性、过滤器流阻特性、控制系统兼容性、测量系统兼容性。
17)燃烧室性能试验:积碳、燃烧效率、启动性能、点熄火边界、燃烧排放特性。
18)换热性能:换热安全性、总热沉。
19)发动机试验:持久试车、高空模拟试验、地面试验。
20)飞行试验:飞行里程、飞行速度、命中指数、飞行高度。
21)研制成本投入:产品合格率、单位产品成本、研制成本利润率。
22)获利能力:市场需求、收入利润率。
23)生产风险:工艺放大能力、工艺稳定性、原料来源稳定性。
基于模糊理论的方法,将吸热碳氢燃料的评价等级划定为5级,各等级对应的量化关系如表6所示。根据量化准则,针对待评价吸热碳氢燃料的各项性能指标数据,对评估指标体系中的各三级指标进行打分,具体分值的确定需参考燃料规范要求、应用场景需求等,吸热碳氢燃料综合得分X的计算见式(4)~式(5)。由此即可对吸热碳氢燃料的综合性能进行评价或直观地对比新型吸热碳氢燃料与传统吸热碳氢燃料的综合性能优劣。
X=∑xiwi(4)
wi=wmwnwo(5)
式中:xi为各指标评分; wi为各指标组合权重; wm为指标i的一级指标权重值; wn为指标i的二级指标权重值; wo为指标i的三级指标权重值。
针对吸热碳氢燃料综合性能评价方法缺失的问题,本研究创新性地基于层次分析法建立了吸热碳氢燃料评估指标体系,将吸热碳氢燃料在研制、生产、使用、测试、贮存等各个环节中涉及的百余项评价指标“点”汇聚整合成为一套完整的评估体系“面”,科学合理地确定了各项指标的权重值和重要程度,基于模糊理论的方法建立了指标体系的应用方法,从而可以直观地对比新型吸热碳氢燃料与传统吸热碳氢燃料的整体性能的优劣。本研究建立的吸热碳氢燃料评估体系填补了国内空白,初步实现了吸热碳氢燃料综合性能定性评估到半定量评估的跨越,对新型吸热碳氢燃料的评价和发展具有重要应用价值。