基于任務(wù)的艦載無人直升機作戰(zhàn)效能分析

李 淯，徐玉貌

(中國直升機設(shè)計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

隨著航空科技的發(fā)展和軍事需求的推動，使用艦載無人直升機進行常規(guī)或非常規(guī)作戰(zhàn)成為一個重要趨勢。而且隨著其智能化程度的提升，艦載無人直升機對未來陸?？兆鲬?zhàn)體系的影響將日益增大。因此，研究艦載無人直升機作戰(zhàn)效能對未來艦載無人直升機的論證和研制有著重要意義。

首先，研究作戰(zhàn)效能需構(gòu)建一整套作戰(zhàn)效能評估體系?？紤]到艦載無人直升機與有人直升機相比不考慮人的因素，從而可以挖掘出更大的作戰(zhàn)潛能。且其智能化水平、數(shù)據(jù)鏈能力和態(tài)勢感知能力對于作戰(zhàn)效能更為重要。因此，需要針對這些不同點，建立艦載無人直升機作戰(zhàn)效能評估體系。由于艦載無人直升機在不同的作戰(zhàn)環(huán)境下執(zhí)行不同類型任務(wù)所能發(fā)揮出的作戰(zhàn)效能不同，故評估艦載無人直升機的作戰(zhàn)效能要基于任務(wù)，根據(jù)作戰(zhàn)使命分配不同任務(wù)權(quán)重來綜合評估作戰(zhàn)效能。

本文采用ADC模型構(gòu)建效能體系，并用TOPSISI法(客觀賦權(quán)法)和層次分析法(主觀賦權(quán)法)確定權(quán)重，靈活使用線性加權(quán)法和非線性加權(quán)法進行信息聚合，將某有人直升機改裝為艦載無人直升機的方案,與美軍MQ-8B數(shù)據(jù)代入基于任務(wù)構(gòu)建的作戰(zhàn)效能評估體系進行計算。通過計算對比某艦載無人直升機設(shè)計方案與美軍MQ-8B無人直升機的作戰(zhàn)效能，再進行參數(shù)敏感性分析，以指導該方案的優(yōu)化改進。

1 艦載無人直升機作戰(zhàn)效能指標體系

效能體系采用業(yè)界公認的由美國工業(yè)武器系統(tǒng)效能咨詢委員會提出的ADC模型。艦載無人直升機作戰(zhàn)效能主要包含任務(wù)能力C、可用度A和可靠性D三個指標[2]。

作戰(zhàn)效能E可以表達為：

E=A×D×C

(1)

1.1 可用度

可用度是用來描述艦載無人直升機在開始執(zhí)行任務(wù)時的狀態(tài)，可以理解為艦載無人直升機總數(shù)量中隨時可以執(zhí)行任務(wù)的數(shù)量與總數(shù)的比值?？捎枚韧ㄟ^理論計算難以獲得準確數(shù)值，故參考統(tǒng)計數(shù)據(jù)[2],2009-2010年期間，UH-60機隊在美國陸軍中的可用度為0.743，而在保障能力略遜的美國國民警衛(wèi)隊中的可用度為0.450。充分考慮艦載無人直升機的維護保障能力和環(huán)境適應(yīng)性距成熟機型有差距，因此本文對可用度取值為A=0.6。

1.2 可靠性

可靠性是艦載無人直升機在任務(wù)開始時，在規(guī)定的任務(wù)剖面中的任一隨機時刻，能夠完成規(guī)定任務(wù)的能力?？煽啃灾饕c平均故障間隔時間(MTBF)和任務(wù)飛行時間有關(guān)。艦載無人直升機執(zhí)行任務(wù)主要以航線巡航飛行為主，可靠性可以表達為[2]:

(2)

式中，MTBF是平均無故障時間；tc為續(xù)航時間；tt為出航時間，即艦載無人直升機從起飛到開始執(zhí)行任務(wù)所需時間。

1.3 任務(wù)能力

任務(wù)能力是艦載無人直升機在執(zhí)行對海探測、對岸探測、雷達偵察、通信偵察、毀傷評估、通信中繼、對面攻擊等任務(wù)的時候，自身攜帶任務(wù)載荷完成任務(wù)的能力。

執(zhí)行這些任務(wù)需要評估艦載無人直升機的任務(wù)載荷能力、飛行能力、突防能力、探測能力、信息傳輸能力、導航能力、環(huán)境適應(yīng)能力、火力打擊能力中的部分或全部，具體見表1。因此需要對這些能力指標做出較為全面的分析。任務(wù)能力評估指標體系如圖1所示。

表1 需求關(guān)系

任務(wù)能力C計算模型利用線性加權(quán)法，其計算公式為：

(3)

式中，wi為各子任務(wù)能力的權(quán)重，Ci為各子任務(wù)能力數(shù)值。

各子任務(wù)能力計算模型利用非線性的模型進行綜合評價，其計算公式為：

(4)

Nj為表1中完成某任務(wù)所需考量的艦載無人直升機能力，如任務(wù)載荷能力、飛行能力和突防能力，δj為某項能力的權(quán)重。

圖1 任務(wù)能力評估指標體系

2 權(quán)重確定方法

本文分別采用客觀賦權(quán)法(逼近理想點法)和主觀賦權(quán)法(層次分析法)得到指標權(quán)重，再根據(jù)主客觀實際占比，獲取指標綜合權(quán)重。評估模型技術(shù)路線如圖2所示。

圖2 評估模型技術(shù)路線圖

3 主要能力計算公式

3.1 任務(wù)載荷能力

任務(wù)載荷能力可以理解為艦載無人直升機為了執(zhí)行特定任務(wù)攜帶必須載荷的平臺飛行能力。為了簡化，選取輕任務(wù)載荷和重任務(wù)載荷兩種狀態(tài)來進行進一步計算評估。

(5)

式中，N1指某任務(wù)載荷遠載能力；w1j為該能力項的權(quán)重；N11，N12，N13計算公式如下：

1)遠載能力[5]

N11=M·R

(6)

式中，N11指某任務(wù)載荷遠載能力，M指任務(wù)載荷重量，R為最大飛行半徑。

2)久載能力[5]

N12=M·T

(7)

式中，N12指某任務(wù)載荷久載能力，M指任務(wù)載荷重量，T為對應(yīng)的最大航時。

3) 速載能力[5]

N13=M·V

(8)

式中，N13指某任務(wù)載荷速載能力，M指任務(wù)載荷重量，V為對應(yīng)的最大巡航速度。

4)載荷效率[5]

(9)

式中，N14指某任務(wù)載荷效率，Pmc為最大連續(xù)功率。

3.2 探測能力計算方法

艦載無人直升機的探測能力計算模型如下式：

(10)

(11)

式中，最大探測距離Rm；同時探測跟蹤目標批次數(shù)n；掃描方位角度范圍θs(度)和掃描俯仰角度范圍θF；雷達分辨率系數(shù)la(取0～1)；K為雷達體質(zhì)系數(shù)(圓錐掃描雷達取0.6，單脈沖雷達取0.7，脈沖多普勒雷達取0.8～1.0，合成孔徑雷達取0.9～1.0)。

(12)

式中，成像距離Rm；掃描方位角度范圍θS(度)和掃描俯仰角度范圍θF；成像面積系數(shù)ASAR(取0～1)；成像分辨率系數(shù)la(取0～1)。

(13)

式中，RIR為最大探測距離；PIR為探測設(shè)備分辨率系數(shù)(360P以下取0.3，480P取0.5～0.8，720P取0.7～0.9，1080P取0.9～1)；n為最大探測跟蹤目標批次；掃描方位角度范圍θS(度)；掃描俯仰角度范圍θF(度)。

(14)

式中，REO為最大探測距離；PEO為探測設(shè)備分辨率系數(shù)(360P以下取0.3，480P取0.5～0.8，720P取0.8～0.9，1080P取0.9～1)；n為最大探測跟蹤目標批次；掃描方位角度范圍θS(度)；掃描俯仰角度范圍θF(度)。

3.3 信息傳輸能力

數(shù)據(jù)鏈實現(xiàn)地面(艦面)控制站與艦載無人直升機之間的數(shù)據(jù)收發(fā)和跟蹤定位。信息傳輸能力計算模型如下式：

N3=0.5Nu+0.5Nd

(15)

數(shù)據(jù)上行與下行傳輸性能計算公式如下：

(16)

(17)

式中，L為(視距傳輸，km)作用距離，Ru(kbps)為數(shù)據(jù)上行傳輸速率，Rd(Mbps)為數(shù)據(jù)下行傳輸速率，Td(ms)為傳輸延遲，β為抗干擾能力，10dB以內(nèi)取0.5，10～20dB取0.5～0.7，20dB以上取0.7～1。

3.4 火力打擊能力

火力打擊能力計算模型如下：

N4=η1·N重導+η2·N輕導+η3·N火箭

(18)

其中，η1、η2、η3是權(quán)重系數(shù)，N重導是重型空面導彈的能力，N輕導是輕型空面導彈的能力，N火箭是機載制導火箭彈的能力。

重型/輕型空面導彈能力計算公式[6]：

(19)

式中，DS為射程，Mmax為導彈速度馬赫數(shù)，K為制導方式，按其對導彈制導的有效程度取值。有線指令為0.70，無線指令為0.80，波束制導為0.9，全自動尋的為1.00，GD為戰(zhàn)斗部重量，n為導彈數(shù)量。

機載制導火箭彈能力計算公式為[6]：

(20)

式中，Df為有效射程，Mmax為火箭速度，AS為精度，GD為戰(zhàn)斗部重量，n為火箭彈數(shù)量。

4 算例及分析

4.1 作戰(zhàn)效能計算

將某艦載無人直升機方案與美軍MQ-8B艦載無人直升機的數(shù)據(jù)進行標準化處理后通過本文建立的作戰(zhàn)效能評估體系及方法進行計算，得出任務(wù)能力如表2所示。再根據(jù)表2繪制出柱狀圖，對比兩型機任務(wù)能力，如圖3所示。

表2 任務(wù)能力計算結(jié)果

圖3 任務(wù)能力對比

通過本文確定權(quán)重方法可得出各任務(wù)能力在綜合評估任務(wù)能力時所占的權(quán)重，如表3所示。

表3 任務(wù)能力權(quán)重

計算出任務(wù)能力后結(jié)合可用度與可靠性計算出作戰(zhàn)效能，如表4。

表4 作戰(zhàn)效能計算

對該任務(wù)內(nèi)各任務(wù)能力進行敏感性分析得出如圖4結(jié)果。

圖4 任務(wù)能力敏感性圖

將圖4中對任務(wù)能力影響最大的前四個能力進一步做敏感性分析得出如圖5結(jié)果。

圖5 任務(wù)指標敏感性圖

4.2 效能影響因素分析

1)在對海探測、對岸探測、毀傷評估、通信中繼和對面攻擊這五個任務(wù)上，對海探測和對面攻擊任務(wù)所占權(quán)重較大，二者合計占任務(wù)能力結(jié)果的60.7%。

2)隨著指標值增大，突防能力和任務(wù)載荷能力對任務(wù)能力影響更大，因此應(yīng)著重提高此兩項能力。分析此兩項指標計算公式，進一步可得出圖5的結(jié)果。可以看出，對作戰(zhàn)效能影響最大的因素是RCS、紅外特征和巡航速度。故應(yīng)著重降低該型機RCS和紅外特征，進一步提高巡航速度。

3)某方案作戰(zhàn)效能比MQ-8B高約1%，其中可靠性高9.64%，任務(wù)效能低8.03%，較高的可靠性彌補了任務(wù)能力欠佳的弱點。

5 結(jié)論

本文建立了一套基于任務(wù)的艦載無人直升機作戰(zhàn)效能的評估方法，計算了某方案和MQ-8B無人直升機的作戰(zhàn)效能，分析了作戰(zhàn)效能的影響因素，并得出以下結(jié)論：

1)眾多任務(wù)中，執(zhí)行對海探測和對面攻擊這兩個任務(wù)的能力的重要性占比過半，應(yīng)著重提高此兩項任務(wù)相關(guān)的平臺能力和任務(wù)設(shè)備能力。

2)可靠性對作戰(zhàn)效能的影響至關(guān)重要，某方案采取在有人直升機上進行改裝，并較多使用其它型號的成熟部件，對比新研，保證了較高的可靠性，作戰(zhàn)效能更佳。

3)除了提高可靠性，增強艦載無人直升機的作戰(zhàn)效能首先應(yīng)提高其雷達和紅外隱身能力，其次提高最大巡航速度。