新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證

張 菁, 何 友, 彭應寧, 李 剛

(1. 清華大學電子工程系, 北京 100084; 2. 復雜航空系統(tǒng)仿真重點實驗室, 北京 100076; 3. 海軍航空大學信息融合研究所, 山東 煙臺 264001)

0 引 言

新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證,是指當戰(zhàn)斗機技術發(fā)展將要跨入新一代時,根據(jù)自身戰(zhàn)略戰(zhàn)術需求和科技水平,分析研究下一代裝備應具備哪些技術特征。其中“新一代”是指論證的對象是一代(而非單一型號)裝備,是接下來開展某單一型號裝備論證的基礎和前奏;“技術特征”是指新一代裝備區(qū)別與老一代的核心新技術特點,是技術投入和發(fā)展方向的風向標。新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證是在作戰(zhàn)性能、研發(fā)生產(chǎn)代價和體系效能之間權衡的系統(tǒng)工程,對提升裝備體系效能和指導技術發(fā)展方向具有重要意義。隨著F-22、F-35、殲-20、T-50等第五代戰(zhàn)斗機日益成熟,新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證已成為航空科技界的重要課題。

傳統(tǒng)的新一代武器裝備論證通常采用逆向歸納的方法,例如以往的幾代戰(zhàn)斗機技術特征論證,通常是在美、俄等領先國家最先出現(xiàn)的幾型新一代戰(zhàn)斗機基礎上,逆向分析歸納其采用了哪些當前一代飛機沒有的重要技術特征[1],然后以此指導下一步技術發(fā)展。這種方式簡單可行,但隨著技術的進步其缺點也日益明顯:第一,需要在新一代武器裝備出現(xiàn)后才能開展,時效性差,適合“跟跑”但不適合“齊頭并進”;第二,世界多極化造成各軍事集團新一代武器裝備任務能力需求差異化,例如美國空軍的六代機基于“絕對制空優(yōu)勢”而需要具備全方位寬頻段隱身能力[2],美國海軍的六代機基于“艦隊防空和戰(zhàn)術打擊”而需要具備較強的電子壓制能力[3],這使得從領先集團逆向得到的技術特征不一定適應己方的應用需求;第三,隨著科技進步的提速,各國的技術發(fā)展路線和優(yōu)勢領域不同,例如六代機相關技術領域,美國的雷達隱身技術領先,而俄羅斯則注重發(fā)展光電系統(tǒng)來探測隱身目標、發(fā)揮擅長的機動性能在近距格斗中打敗對手,因此逆向得到的技術特征也不一定符合己方的技術水平和優(yōu)勢領域。

本文運用數(shù)據(jù)科學的思想對傳統(tǒng)的逆向歸納方法展開進一步分析,通過抽象建模后與機器學習類比,從原理上分析其內(nèi)在特點和缺陷。數(shù)據(jù)科學的本質就是從數(shù)據(jù)中獲得知識,近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)挖掘、機器學習、神經(jīng)網(wǎng)絡等數(shù)據(jù)科學新興技術突飛猛進,廣泛應用于國防軍事[4]中的態(tài)勢評估、行為預測[5]、仿真等諸多領域。

在對傳統(tǒng)的逆向歸納方法的分析基礎上,本文提出一種基于數(shù)學規(guī)劃的新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證方法。第一步,提出基于能力的新一代戰(zhàn)斗機定義,定義新一代戰(zhàn)斗機應具備任務能力、環(huán)境能力和對抗能力;然后將這三類能力作為約束,以成本最低為目標,以技術特征為決策變量,建模為數(shù)學規(guī)劃問題,通過技術特征-能力/成本矩陣定義目標和約束函數(shù),求解可得新一代戰(zhàn)斗機應具備哪些技術特征。

最后,本文以美國海軍和俄羅斯空軍第六代戰(zhàn)斗機能力與技術特征論證為例,驗證了方法的可行性,分析了其對比傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢。在方法驗證過程中,本文還對六代機能力和激光武器、智能輔助等幾項熱門技術特征進行了分析,為基于數(shù)學規(guī)劃的新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證方法應用打下基礎,為技術發(fā)展方向的把握提供參考。

1 傳統(tǒng)方法內(nèi)在缺陷分析

戰(zhàn)斗機進入噴氣式時代后,隨著新技術和新設計理念的不斷應用,已經(jīng)歷了五代的發(fā)展。科學的論證思路應從應用需求出發(fā),先說清“新一代”戰(zhàn)斗機的技術特征,再研究新一代中“某一型號”戰(zhàn)斗機的技術指標;而目前使用的傳統(tǒng)的逆向歸納論證方法,往往是先有一系列新戰(zhàn)斗機型號的研發(fā)出現(xiàn),然后業(yè)界認識到其普遍具備了某些當前一代飛機沒有的重要技術特征,造成了戰(zhàn)斗機綜合能力的階躍式提升,遂認為戰(zhàn)斗機步入了新一代,而這些新技術特征即為新一代戰(zhàn)斗機技術特征。圖1所示為逆向與正向論證的對比。

圖1 逆向與正向論證Fig.1 Backward and Frontward Analysis

為了更好地分析傳統(tǒng)的逆向歸納論證方法的不足,運用數(shù)據(jù)科學的思想對其進行抽象和建立數(shù)學模型,其內(nèi)涵可以看作是運用了機器學習的思想。機器學習的本質就是從樣本數(shù)據(jù)中總結歸納出內(nèi)在模型,例如“好西瓜”問題,現(xiàn)有一定量的西瓜樣本數(shù)據(jù),每條樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)容包括西瓜的顏色、紋理、形狀等特征和該西瓜是否為好西瓜的標記,通過對樣本進行學習可以獲得“具有什么樣特征的西瓜是好西瓜”這個模型,同時也得到了“好西瓜具備什么樣的特征”的知識[6]。

在逆向歸納論證方法中,每一型飛機都是一個樣本,是否為新一代戰(zhàn)斗機是該樣本的標記,各項技術特征也就是屬性特征,特征提取與選擇來自先驗知識,通過學習得到的模型就是新一代飛機具備的各項技術特征及每項技術特征的重要程度。更進一步,這屬于機器學習中的布爾概念學習,學習得到的結果即新一代戰(zhàn)斗機的概念定義,也就是回答了“新一代戰(zhàn)斗機應具有哪些技術特征”的問題。該方法思路如圖2所示。

圖2 將逆向歸納論證方法與機器學習類比Fig.2 Comparison of backward induction with machine learning

例如,美國空軍官方刊物《空軍》采用逆向歸納論證方法提出的各代戰(zhàn)斗機技術特征如表1所示[3]。

表1 《空軍》提出的各代戰(zhàn)斗機技術特征

逆向歸納論證方法具備機器學習的固有難點和瓶頸。第一,依賴于樣本的數(shù)量和質量,數(shù)量充分、標記準確的高質量樣本集是機器學習效果的重要保證,而戰(zhàn)斗機型號本來就較少,隨著冷戰(zhàn)過后國際軍備競賽放緩和戰(zhàn)斗機研發(fā)成本提高,未來的戰(zhàn)斗機型號將進一步精簡,嚴重影響學習的效果;另外,該方法需要等新一代戰(zhàn)斗機樣本出現(xiàn)后才能開始使用,時效性差,適用于“跟跑”,不適用于“齊頭并進”。第二,可解釋性差,機器學習就像把黑盒內(nèi)的模型直接還原出來,卻很難解釋模型中參數(shù)的物理意義和特征間的關系。每型戰(zhàn)斗機根據(jù)用戶使用、技術實力和成本等的不同而具備各自的能力需求,能力需求進一步分解為技術特征,然而逆向歸納的方法直接得到了技術特征,跳過了飛機能力,無法解釋用戶使用、技術實力和成本等與飛機能力和技術特征的邏輯關系。第三,泛化性是衡量機器學習效果好壞的重要指標,好的泛化性是指從樣本集中學習得到的模型可以廣泛適用于新的樣本,過擬合是指得到的模型過于針對樣本集,而對樣本集以外的樣本不能很好適用。前幾代戰(zhàn)斗機的技術特征相對集中,但隨著政治和科技的多元化發(fā)展,未來幾代戰(zhàn)斗機的技術特征可能更加個性化,增加了逆向歸納過擬合的危險性。通過以上幾點可以看出,逆向歸納論證方法已經(jīng)越來越不適用于未來的新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證。

2 基于數(shù)學規(guī)劃的新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證方法

未來新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證應從各軍事集團應用場景和任務需求出發(fā),綜合考慮各方優(yōu)勢技術、成本等因素,確定能力和技術特征。

首先,定義新一代戰(zhàn)斗機需具備哪些能力。如體系作戰(zhàn)下的任務能力、環(huán)境能力和對抗能力,其中任務能力是指完成制空、情報監(jiān)視偵察、遠程突防精確打擊等用戶體系特定任務的能力,環(huán)境能力是指滿足前沿部署境外保障、本土部署遠程奔襲、作為航母艦載機等用戶體系特定環(huán)境下使用的能力,對抗能力是指在對抗前幾代飛機時應占據(jù)絕對優(yōu)勢、在對抗同一代其他型號飛機時不落入絕對劣勢。

然后,對新一代戰(zhàn)斗機技術特征的論證可以轉化為對其定義能力的技術特征及程度論證,這是一個從系統(tǒng)總體角度出發(fā),綜合考慮多方面約束求最優(yōu)解的問題,可以視為運籌學中的數(shù)學規(guī)劃問題。于是,提出基于數(shù)學規(guī)劃的新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證方法,將定義能力作為約束,以成本最低為目標,以技術特征為決策變量,建模為數(shù)學規(guī)劃問題。

式(1)為決策變量空間,技術特征向量X包含了技術特征空間中的W個技術特征,例如新一代戰(zhàn)斗機的隱身、超音速巡航、激光自衛(wèi)干擾等。

X=(x1,x2,…xW)T

(1)

式(2)為目標函數(shù),目標是成本最小,此處的成本為全壽命周期成本,包括技術研發(fā)、批量生產(chǎn)和使用維護成本,這些成本主要受其技術特征影響,因此C(X)為技術特征向量X的函數(shù)。

min[C(X)]

(2)

式(3)～式(5)為約束條件,下面結合新一代戰(zhàn)斗機論證說明。

(3)

(4)

(5)

式(3)為任務能力約束,戰(zhàn)斗機通常要能夠執(zhí)行制空、對地精確打擊等多項不同任務,且有主次之分,技術特征直接決定其完成任務的能力,因此對第i項任務的完成能力為技術特征向量X的函數(shù)Mi(X);Kmi為任務偏好,表示第i項任務在戰(zhàn)斗機所有任務中的重要程度,例如美國空軍F-22的首要任務是制空而F-35的首要任務是對地打擊,取值可來自該戰(zhàn)斗機用于不同任務的架次或小時數(shù)比例;每項任務能力與任務偏好的乘積應達到設定的閾值Tm。

式(4)為環(huán)境能力約束,戰(zhàn)斗機可能需要適應前沿部署、縱深部署、艦上部署、高原部署等中的一種或多種環(huán)境,技術特征對其環(huán)境適應性有很大影響,因此對第j種環(huán)境的適應性為技術特征向量X的函數(shù)Ej(X);Kei為環(huán)境偏好,表示第j種環(huán)境在戰(zhàn)斗機所有應用環(huán)境中的重要程度,每種環(huán)境適應性與環(huán)境偏好的乘積應達到設定的閾值Te。

式(5)為對抗能力約束,最新一代戰(zhàn)斗機為第N代,技術特征之間的相生相克將直接左右戰(zhàn)斗機對抗結果,因此第N代與第n代戰(zhàn)斗機對抗的交換比為技術特征向量X的函數(shù)V(X,N,n)。R為勢均力敵的交換比閾值,可根據(jù)經(jīng)驗設定,例如公認同屬第四代戰(zhàn)斗機的米格23與F-16在中東戰(zhàn)爭貝卡谷地空戰(zhàn)中的交換比為4∶5[7],而F-35在2017年紅旗軍演中對抗四代機的交換比達到20∶1[8]。

3 基于技術特征矩陣的目標和約束函數(shù)

在使用基于數(shù)學規(guī)劃的新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證方法時,目標和約束函數(shù)的確定十分關鍵,其都是技術特征向量X的函數(shù),可以說目標和約束函數(shù)就是技術特征如何影響武器裝備成本和能力的表現(xiàn)。目標和約束函數(shù)的具體確定需要結合每次的應用場景,例如戰(zhàn)斗機采用仿真空戰(zhàn)成績作為交換比函數(shù)V(X,N,n)等。

本文進一步提出一種簡單直觀的基于技術特征矩陣的目標和約束函數(shù)確定方法。用技術特征-能力矩陣A作為約束函數(shù),其中Am、Ae、Av分別表示任務、環(huán)境、對抗能力,Aij表示第i項技術特征對第j項子能力的貢獻度。同時使用偏好向量Kmi表示對第i項子任務能力的偏好,sumKmi=1,Ke和Kv同理。目標函數(shù)由技術特征-成本矩陣C表示,其中Cij表示第i項技術特征對第j項子成本的貢獻度。則數(shù)學規(guī)劃問題可進一步表示為

opt min[sum (-CT·X)]

(6)

4 驗 證

為了驗證提出方法的可行性和優(yōu)勢,本文對美國海軍和俄羅斯空軍第六代戰(zhàn)斗機能力與技術特征進行論證,圖3所示為方法的矩陣化與參數(shù)對應關系,其中式(2)～式(5)為形式化的方法原理公式,式(6)為矩陣化的計算公式。

圖3 方法的矩陣化與參數(shù)對應Fig.3 Matrixing and parameter mapping

4.1 能力與偏好分析

根據(jù)美國海軍和俄羅斯空軍的情況論證其六代機需要具備的3類能力及偏好,即設置Km、Ke和Kv。美國海軍六代機將作為航母艦載機,應具備艦載機的多任務能力,而俄羅斯空軍的六代機應以制空任務為主,且多部署于俄羅斯境內(nèi)縱深,因此設置能力項及偏好如表2所示。

表2 能力項及偏好

4.2 技術特征分析

根據(jù)美國海軍和俄羅斯空軍的情況分析當前幾項熱門技術特征對六代機各項能力和成本的影響,生成技術特征-能力/成本矩陣,即設置Am、Ae、Av和C。如表3所示,其中，正值表示有貢獻；0表示無貢獻；負值表示有損害,例如A43=1表示雷達隱身技術對情報監(jiān)視偵查能力的貢獻度為1,后面將對各取值進行具體分析。

表3 技術特征-能力/成本矩陣

4.2.1 變循環(huán)發(fā)動機

變循環(huán)發(fā)動機是戰(zhàn)斗機同時具備超音速巡航和大航程的關鍵技術。傳統(tǒng)發(fā)動機技術不能同時在低速和高速兩種狀態(tài)下均保持較好的性能,很難同時保證超音速巡航和大航程。變循環(huán)發(fā)動機通過動態(tài)改變發(fā)動機某些部件的幾何形狀、尺寸或位置來改變其熱力循環(huán),使得發(fā)動機在各種速度包線范圍內(nèi),均具有較好的推力和油耗。變循環(huán)發(fā)動機提升了戰(zhàn)斗機作戰(zhàn)半徑、巡航速度和留空時間,對環(huán)境能力中的縱深部署遠程快速奔襲具有重要意義,對制空任務能力和對抗能力也有一定幫助。

4.2.2 定向能武器

定向能武器利用沿一定方向發(fā)射與傳播的高能射束攻擊目標,具有高速、高方向性、威力可控的特點。其威力在控制下可用于干擾、致盲敵方傳感器甚至直接造成物理破壞。其高速和高方向性對戰(zhàn)斗機制空任務能力和對抗能力有重大意義。目前的空中作戰(zhàn)火控與戰(zhàn)術都是基于速度和時間的,空空導彈等武器彈藥在空中飛行需要時間,目標利用這個時間通過電子對抗和機動進行規(guī)避。而定向能武器一旦瞄準則可以瞬間精確命中,攻防的關鍵因素變成了目標跟蹤瞄準和光電隱身?？梢姸ㄏ蚰芪淦鲗氐赘淖兛罩凶鲬?zhàn)規(guī)則。

目前技術成熟度最高、剩余研發(fā)成本最低的定向能武器是激光武器,預期先后在戰(zhàn)斗機上實現(xiàn)激光干擾、激光自衛(wèi)打擊和激光對空打擊。2013年12月,美國空軍實驗室為六代機使用的激光武器發(fā)布信息征詢書,包括用于干擾敵方傳感器的低功率激光干擾武器、用于摧毀來襲導彈的中功率激光自衛(wèi)武器,以及用于打擊敵方空中和地面目標的高功率激光打擊武器等[9]。諾斯羅普·格魯曼公司提出的六代機概念方案中展示了激光擊毀來襲導彈的想法,并對波束控制和系統(tǒng)小型化進行了深入研究,美國空軍實驗室希望在2019年將其設備搭載在戰(zhàn)斗機上進行超音速飛行下的測試[10]。洛克希德·馬丁公司也通過研究實現(xiàn)了波束的360°全覆蓋[11]。對于激光對空打擊武器,面向不同目標和搭載平臺的技術各有發(fā)展,用于助推段反導已經(jīng)比較成熟,美軍機載激光(airborne laser，ABL)項目將高能激光武器裝載在B747-400F飛機上,對剛剛發(fā)射處于助推段的彈道導彈進行打擊[12]。然而激光武器對機動飛機目標的瞄準跟蹤,比對運動軌跡穩(wěn)定可預測的助推段彈道導彈要難得多;保證激光毀傷能量所需的武器設備和能源燃料體積也較大,搭載平臺從B747-400F換到戰(zhàn)斗機,小型化技術也是一個難點。

但問題是，這樣的多重迭加存在為什么也會發(fā)生坍縮呢？里奇認為這個答案的根源在于人們喜歡用文字說明照片的內(nèi)容和用標題強調意義所指的明晰性。

4.2.3 隱身

第五代戰(zhàn)斗機已經(jīng)具備了對火控雷達頻段的隱身,這對制空和對地打擊任務能力有重要意義,但其嚴苛的保障條件也影響了前沿部署和艦上部署能力,使用維護成本也很高。未來的雷達隱身技術重點在于降低隱身對載機傳感器使用、氣動、載荷的影響及研發(fā)、生產(chǎn)、使用、維護的成本。其中一項重要技術是智能蒙皮,其將傳感器與集體外形更好地融合,減少了隱身外形與傳感器性能的沖突和內(nèi)耗。另一項重要技術是等離子隱身,其將飛機周圍空氣電離形成等離子層,對照射過來的雷達波一部分吸收、一部分沿機體向后方導流。將等離子隱身與傳統(tǒng)隱身配合使用,可以降低隱身對機體外形的苛刻要求。通過對等離子選頻,還可以靈活調整隱身頻段。

考慮到激光武器的快速發(fā)展,對激光武器的隱身也將成為提升戰(zhàn)斗機對抗能力的重要方面,主要是對抗激光武器的高精度跟蹤瞄準系統(tǒng),包括光學和紅外隱身等技術。

4.2.4 智能輔助

智能輔助技術是指由機器智能輔助和替代飛行員操作,例如自動起飛降落、自動空中加油等,可以減少人為失誤和相應的飛行員訓練,極大降低時間和經(jīng)濟成本,是未來無人化作戰(zhàn)的必備技術。智能輔助技術對艦載機能力提升貢獻最大,主要有以下幾個原因:一是艦載機飛行員培養(yǎng)和維持成本高,例如需要花費大量時間和金錢進行著艦訓練以保持技術;二是飛行員駕機著艦難度大,難免出現(xiàn)復飛甚至事故,一旦復飛將延遲后續(xù)友機,甚至不得不增加空中加油,而著艦事故引發(fā)的損失更大。美國DARPA的聯(lián)合無人空戰(zhàn)系統(tǒng)計劃中由諾斯羅普·格魯曼公司研發(fā)的X-47B艦載無人戰(zhàn)斗機已經(jīng)具備了在航母上起降、空中加油等能力[13]。美國海軍2017年將裝備首型艦載無人加油機MQ-25黃貂魚以把F/A-18E/F從伙伴加油任務中解放出來[14]。智能技術的基礎是綜合式航電系統(tǒng)提供的資源共享和多傳感器數(shù)據(jù)融合提供的信息共享,相關技術已受到行業(yè)廣泛關注[15]。雖然智能技術的水平短期內(nèi)還不能勝任制空作戰(zhàn)等復雜任務,但在六代機上運用智能輔助著艦和空中加油等技術可以大大減輕飛行員負擔、降低成本和事故率。

4.3 驗證結果分析

基于以上分析數(shù)據(jù),按照式(6)進行計算,對美國海軍和俄羅斯空軍第六代戰(zhàn)斗機能力與技術特征論證結果如圖4所示,其中雙方在各項技術特征上體現(xiàn)出差異,值越高說明該項技術特征對該方六代機越重要。

圖4 美國海軍和俄羅斯空軍第六代戰(zhàn)斗機技術特征Fig.4 Technical feature of sixth-generation fighters of US Navy and Russian Air Force

本文提出的方法克服了傳統(tǒng)方法的一系列缺點。首先,時效性更好,不依賴于樣本,無需等到新一代戰(zhàn)斗機出現(xiàn)后再借鑒學習其技術特征;第二,可解釋性強,例如論證方法驗證結果顯示智能輔助加油和著艦技術特征對美國海軍六代機很重要,這可由艦上部署的環(huán)境能力需求和技術優(yōu)勢(美軍MQ-25已具備該技術)來解釋。第三,泛化性強,論證結果顯示針對不同的對象可以得到相應的結果,不會過擬合到同一個結果,例如美國海軍六代機偏向于智能輔助艦上起降和加油,而俄羅斯空軍則偏向于激光自衛(wèi)與打擊,各有偏重。

5 結 論

(1) 運用數(shù)據(jù)科學的思想對傳統(tǒng)的基于逆向歸納的論證方法進行分析,通過將其抽象建模后與機器學習方法類比,指出其應用于新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證時將存在樣本依賴度高、時效性差、不可解釋、易過擬合等缺陷。

(2) 針對傳統(tǒng)方法的以上問題,本文提出的基于數(shù)學規(guī)劃的新一代戰(zhàn)斗機技術特征論證方法,以任務、環(huán)境和對抗能力為約束,以成本為目標,通過數(shù)學規(guī)劃求解技術特征,可以較好地適用于下一代戰(zhàn)斗機能力和技術特征論證。

(3) 變循環(huán)發(fā)動機、激光自衛(wèi)和打擊武器、低成本雷達隱身、光電隱身、智能輔助艦上起降和加油等技術對第六代戰(zhàn)斗機任務、環(huán)境和對抗能力意義重大,是重點技術發(fā)展方向。