無人機(jī)電磁彈射器效能分析*

暴 宇，吳 峻，趙宏濤（.國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，長沙 40073；.空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 43009）

無人機(jī)電磁彈射器效能分析*

暴 宇1，吳 峻1，趙宏濤2
（1.國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院，長沙 410073；2.空軍預(yù)警學(xué)院，武漢 430019）

無人機(jī)電磁彈射器是一個由多子系統(tǒng)構(gòu)成的裝備，且各部分之間聯(lián)系緊密，并不同程度的影響著整體效能。為了確定各組成部分與電磁彈射器效能的影響關(guān)系，對其進(jìn)行系統(tǒng)評價，將系統(tǒng)的整體效能分解為幾種典型的效能指標(biāo)，并采用關(guān)聯(lián)矩陣法（RMA）對由彈射器子系統(tǒng)和效能指標(biāo)構(gòu)成的評價體系進(jìn)行分析。明確了電磁彈射器各部分對系統(tǒng)效能的影響程度，并給出了提高電磁彈射器效能指標(biāo)的幾點建議。

無人機(jī)，電磁彈射器，系統(tǒng)評價，效能指標(biāo)，影響程度

0 引言

電磁彈射器是新型的無人機(jī)發(fā)射裝備，其原理與航母用的艦載機(jī)電磁彈射系統(tǒng)原理類似，是一種利用電磁推力使無人機(jī)在短距離內(nèi)實現(xiàn)全程可控加速的設(shè)備［1］。它可以分為直線彈射電機(jī)、儲能設(shè)備、電力變換設(shè)備和控制與檢測設(shè)備4大部分［2］，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊密，易于維護(hù)，機(jī)動性強(qiáng)。電磁彈射器各部分聯(lián)系密切，由子系統(tǒng)之間相互配合完成彈射任務(wù)。

文獻(xiàn)［3］建立了由效能指標(biāo)構(gòu)建的無人機(jī)發(fā)射裝置方案評價模型，利用綜合評價技術(shù)對幾種傳統(tǒng)的發(fā)射方案進(jìn)行評估，為無人機(jī)發(fā)射方式的選擇提供了科學(xué)依據(jù)。文獻(xiàn)［4］基于層次分析法建立了艦載無人機(jī)電磁彈射器應(yīng)用能力的冪指數(shù)模型，為確定研制重點和關(guān)鍵部件選型提供參考。為了更好地發(fā)揮電磁彈射器的作用、優(yōu)化系統(tǒng)組成、升級系統(tǒng)部件，本文從系統(tǒng)整體角度作出分析評估，結(jié)合兩參考文獻(xiàn)對系統(tǒng)分析建立的評價結(jié)構(gòu)，將電磁彈射器的4個組成部分和效能指標(biāo)構(gòu)成評價體系，以確定彈射器各部分對效能的影響，同時為提高效能指標(biāo)給出了幾點參考性的結(jié)論。

在分析方法上，對于電磁彈射器這樣的綜合系統(tǒng)，需要將系統(tǒng)分解為多個目標(biāo)，建立多目標(biāo)的評價體系。常用的多目標(biāo)體系分析法有很多，如關(guān)聯(lián)矩陣法、關(guān)聯(lián)樹法、可能-滿意度法、層次分析法等。針對本系統(tǒng)具有的多目標(biāo)性，評價指標(biāo)不唯一，衡量各個評價指標(biāo)的評價尺度不同的特點，對電磁彈射器整體效能的分析采用步驟簡單且行之有效的關(guān)聯(lián)矩陣法。利用關(guān)聯(lián)矩陣法對復(fù)雜系統(tǒng)問題的評價思維過程數(shù)學(xué)化，將復(fù)雜系統(tǒng)各部分的重要度依據(jù)效能指標(biāo)的不同量化，進(jìn)而確定部分對整體效能的影響。

1 電磁彈射器效能

電磁彈射器的任務(wù)是對不同型號無人機(jī)在不同環(huán)境條件下完成穩(wěn)定可靠的發(fā)射。由于電磁彈射器的整體應(yīng)用能力綜合性強(qiáng)，所以利用軍事運籌學(xué)中作戰(zhàn)效能的概念對系統(tǒng)進(jìn)行評價。作戰(zhàn)效能是指武器或武器系統(tǒng)在作戰(zhàn)中發(fā)揮作用的有效程度［5］，用來描述武器在特定作戰(zhàn)環(huán)境下完成預(yù)期目標(biāo)的能力［6］。武器的整體效能與其不同方面的應(yīng)用能力關(guān)聯(lián)緊密，故可以將整體效能分解為多個效能指標(biāo)，以便對系統(tǒng)分析。

無人偵察機(jī)電磁彈射器作為一種武器裝備，具有高效率、高安全性、高可靠性、低維護(hù)成本、寬適用范圍等諸多優(yōu)勢，基于作戰(zhàn)情況的復(fù)雜性和作戰(zhàn)要求的多重性，其效能的影響因素需要從適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境、提高作戰(zhàn)能力、提升部隊?wèi)?zhàn)斗力等多方面進(jìn)行考慮，得到效能指標(biāo)主要有彈射能力、機(jī)動性、通用性、可靠性以及可控性能力。

彈射能力主要指電磁彈射器的功率屬性，與能夠承受的載荷、推力大小以及彈射效果等影響系統(tǒng)完成彈射任務(wù)的直接因素相關(guān)；機(jī)動性是指電磁彈射器在作戰(zhàn)任務(wù)中運輸、裝卸等的便捷能力；通用性是指電磁彈射器對于不同型號無人機(jī)以及不同環(huán)境下的兼容能力；可靠性是保障完成作戰(zhàn)任務(wù)能力，主要包括設(shè)備運行的可靠性以及維護(hù)的難易程度；可控性能力是指對發(fā)射過程控制以及系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)。這5種效能指標(biāo)能夠從不同方面反應(yīng)電磁彈射器的整體效能。

2 基于關(guān)聯(lián)矩陣法的系統(tǒng)分析

對一個復(fù)雜的系統(tǒng)進(jìn)行分析評價時，通常希望能夠把指標(biāo)量化，從而可以根據(jù)特定的評判標(biāo)準(zhǔn)說明問題。在系統(tǒng)工程中，關(guān)聯(lián)矩陣法是多目標(biāo)系統(tǒng)評價常用的一種方法［7］，通過將多目標(biāo)問題分解為指標(biāo)之間的重要度對比，使評價過程簡化、清晰。它的應(yīng)用過程是:從不同的考慮角度，確定不同的指標(biāo)模塊（又稱一級指標(biāo)），然后將指標(biāo)模塊分解獲得二級指標(biāo)（有些復(fù)雜的量表還包括三級指標(biāo)），建立起具有層次結(jié)構(gòu)的評估體系。關(guān)聯(lián)矩陣法的特點是操作性強(qiáng)、步驟簡單，在指標(biāo)確定的同時賦予權(quán)重，即對其各評估要素從不同角度區(qū)別對待，從而使得定性指標(biāo)的量化更科學(xué)可靠。

2.1 電磁彈射器效能分析體系的建立

將無人機(jī)電磁彈射器整體效能分解為彈射能力、機(jī)動性、通用性、可靠性、可控性能力等5個效能指標(biāo)，每一個效能指標(biāo)都與電磁彈射器各組成部分有關(guān)，以此建立電磁彈射器效能的分析體系，其層次結(jié)構(gòu)分3層，頂層為系統(tǒng)整體的效能，第2層為分解的5個效能指標(biāo)，底層為電磁彈射器的4個組成部分，結(jié)構(gòu)關(guān)系表示如圖1所示。

2.2 確定權(quán)重體系

建立了分析體系后，需要對各指標(biāo)量化，確定每個評價指標(biāo)的相對重要度（即權(quán)重）以及關(guān)于不同評價指標(biāo)的價值評定量，這也是應(yīng)用關(guān)聯(lián)矩陣法的關(guān)鍵。目前確定權(quán)重和評價尺度較為常用的有逐項比較法和A·古林法（KLEE法），前者較為簡便，后者在對各評價目標(biāo)間的重要性要作出定量估計時顯得更為有效。根據(jù)對電磁彈射器的分析需求，采用KLEE法，其關(guān)聯(lián)矩陣構(gòu)成的基本思路是:

1）把評價指標(biāo)以任意順序排列起來，正向依次比較相鄰指標(biāo)間的重要性，并確定重要性比例（即ri），比例越高則相對重要性越高；

2）以最后一項指標(biāo)為基準(zhǔn)，值設(shè)為1，逆向計算各指標(biāo)重要度（即ki）；

3）將重要度歸一化，即為權(quán)值（即Wi、Sij）。

建立的關(guān)聯(lián)矩陣結(jié)果如下頁表1、表2所示。

底層電磁彈射器的4個組成部分對頂層效能的綜合評定值按下式計算，

表2 不同效能指標(biāo)下各部分關(guān)聯(lián)矩陣

根據(jù)表1、表2的結(jié)果，利用式（1）計算電磁彈射器每一部分在每種效能指標(biāo)下相對整體效能的綜合評定值，得到表3。

表3中的每個評定值都是相對于系統(tǒng)整體的，無論是橫向還是縱向都具有可比性，且橫向和縱向的權(quán)值加和為1，計算出的各效能指標(biāo)相對整體效能重要度的合計值與表1建立的關(guān)聯(lián)矩陣數(shù)值一致，表明所建立的評價體系具有合理性。

2.3 分析結(jié)果

對表3從橫向和縱向兩個角度分別進(jìn)行分析，可以得到電磁彈射器各部分與整體效能的關(guān)系。其中每一項比重是針對系統(tǒng)全局的權(quán)值。

橫向分析可以得到不同效能指標(biāo)下各部分的貢獻(xiàn)程度，有助于在提升系統(tǒng)性能時確定研究重點。不同指標(biāo)的分析結(jié)果如下:

1）彈射能力指標(biāo):直線電機(jī)和儲能設(shè)備所占比重最大，都為0.126 021；

2）機(jī)動性:直線電機(jī)影響最大占0.035 5；

3）通用性:直線電機(jī)比重為0.045 045，儲能設(shè)備和電力變換設(shè)備其次，為0.030 173；

4）可靠性:4部分影響程度相同為0.071 5；

5）可控性能力:控制與檢測設(shè)備占0.066 209，為4部分影響最大項。

縱向分析可以得到同一部分對不同效能指標(biāo)的貢獻(xiàn)程度。例如對于直線彈射電機(jī)這一部分，在彈射能力指標(biāo)上評定值為0.126 021，相比該部分貢獻(xiàn)其他效能指標(biāo)的程度值最大。如果將同一組成部分對不同效能指標(biāo)貢獻(xiàn)量相加可得到“和”權(quán)重，即其對整體效能的影響程度，直線彈射電機(jī)、儲能設(shè)備、電力變換設(shè)備和控制與檢測設(shè)備四大部分所占“和”權(quán)重依次為0.301 947，0.265 321，0.206 413和0.226 319。

比較5種效能指標(biāo)權(quán)值合計可以看出，將分解的彈射能力、機(jī)動性、通用性、可靠性、可控性能力量化后得到對電磁彈射器整體效能的重要程度分別為0.357，0.071，0.143，0.286，0.143。

表3 各因素綜合評定值

2.4 仿真驗證

將電磁彈射器按照4級10分制，即評分集合R={［0，5），［5，6），［6，8），［8，10）}對應(yīng)評價等級{較差，一般，良好，優(yōu)秀}的方式進(jìn)行評估。假設(shè)對一電磁彈射器的評價結(jié)果為5分，記作一般，以圖1所建立的指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，單獨改變某一組成部分的指標(biāo)值，并保持其他指標(biāo)不變，觀察其整體作戰(zhàn)效能的變化。將不同組成部分的指標(biāo)性能提高1倍時，對整體效能評價影響進(jìn)行仿真結(jié)果如圖所示。

圖2 各部分性能改變對效能影響

圖中，“初始設(shè)備”為指標(biāo)提升前的電磁彈射器，從左至右分別為不同組成部分指標(biāo)提升后的整體效能評價。從結(jié)果可以看出，性能提升后，均使得電磁彈射器整體評價結(jié)果達(dá)到了6分即良好以上，其中，直線彈射電機(jī)改變使整體效能評分上升最高，而電力變換設(shè)備影響較小，與所得結(jié)論相符。

3 結(jié)論

將電磁彈射器的整體效能分解為彈射能力、機(jī)動性、通用性、可靠性、可控性能力5個效能指標(biāo)，建立整體效能的系統(tǒng)分析體系，利用系統(tǒng)工程中對系統(tǒng)進(jìn)行評價的關(guān)聯(lián)矩陣法進(jìn)行分析，以此為基礎(chǔ)分析了各部分對整體效能的影響，結(jié)論如下:

1）電磁彈射器彈射能力的強(qiáng)化應(yīng)重點考慮直線電機(jī)和儲能設(shè)備性能的提升；

2）機(jī)動性能力的提高需要重點考慮直線電機(jī)的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量等設(shè)計；

3）通用性的提高需要從直線電機(jī)的設(shè)計、儲能設(shè)備的選型和電力變換設(shè)備考慮；

4）在可控性能力方面，控制與檢測設(shè)備相對比較重要，故應(yīng)作為研究重點；

5）從對整體效能影響程度考慮，無人機(jī)電磁彈射器研究重點應(yīng)依次為:直線彈射電機(jī)、儲能設(shè)備、控制與檢測設(shè)備和電力變換設(shè)備；

6）5個效能指標(biāo)中，彈射能力的強(qiáng)弱對整體應(yīng)用影響最大，可靠性的重要度其次，機(jī)動性對電磁彈射器整體應(yīng)用能力影響相對最小。

所得結(jié)論突出了研制重點，明確各部分關(guān)系，同時也為電磁彈射器效能的提升給出了參考。

［1］張明元，馬偉明，汪光森，等.飛機(jī)電磁彈射系統(tǒng)發(fā)展綜述［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2013，35（10）:1-5.

［2］Richard R B.Electromagnetic aircraft launch system development considerations［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2001，37（1）:52-54.

［3］王永剛，裴錦華，梁德旺.綜合評價技術(shù)在無人機(jī)發(fā)射裝置方案設(shè)計中的應(yīng)用［J］.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù)，2005（5）: 24-27.

［4］趙宏濤，吳峻.艦載無人機(jī)電磁彈射器應(yīng)用能力分析［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2010，32（3）:78-80.

［5］總參謀部，總政治部，總后勤部，等.中國人民解放軍軍語［M］.北京:軍事科學(xué)出版社，1997.

［6］付東，方程，王震雷.作戰(zhàn)能力與作戰(zhàn)效能評估方法研究［J］.軍事運籌與系統(tǒng)工程，2006，20（4）:35-39.

［7］白思俊.系統(tǒng)工程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

Effectiveness Analysis of UAV Electromagnetic Catapult

BAO Yu1，WU Jun1，ZHAO Hong-tao2
（1.School of Mechatronics Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China；2.Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China）

UAV electromagnetic catapult is a device consists of multiple subsystems which are closely related，and affect the overall effectiveness in different degree.In order to determine the effect between each part and UAV electromagnetic catapult，the system needs to be evaluated，the overall effectiveness of the system is decomposed into several typical effectiveness indexes，using the relational matrix analysis（RMA）to analyze the evaluation system composed of the catapult subsystems and effectiveness indexes.The various parts of the electromagnetic catapult system effect to overall effectiveness and each effectiveness index is defined，and severalproposals ofimproving electromagnetic launcher effectiveness index are put forward.

UAV，electromagnetic catapult，systematic review，effectiveness index，effect

TM359.4；TJ413

A

1002-0640（2017）03-0032-04

2016-01-21

2016-03-12

國家科技支撐計劃基金資助項目（2012BAG07B01）

暴 宇（1992- ），男，河北邯鄲人，碩士。研究方向：電磁發(fā)射技術(shù)。