面向多任務(wù)場景的民用高速旋翼機(jī)方案綜合評估方法

李雨軒，肖洋洋，崔 驍，李 書，牟曉偉，呂樂豐

（1. 北京航空航天大學(xué) 航空科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100191；2. 中國航空研究院 民用飛機(jī)技術(shù)研究部， 北京 100029）

直升機(jī)的發(fā)展大致分為4 個(gè)代際：第一代直升機(jī)，其最大飛行速度在200 km/h 以下（如貝爾-47 等）；第二代直升機(jī)，其最大飛行速度為200 ～250 km/h（如貝爾-206等），少數(shù)能達(dá)到300 km/h；第三代直升機(jī)，其最大飛行速度為250 ～300 km/h（如UH-60 等）；第四代直升機(jī)，最大飛行速度為280 ～310 km/h（如RAH-66等），極少數(shù)能達(dá)到350 km/h。

通過以上數(shù)據(jù)可以看出，常規(guī)直升機(jī)的性能通過4個(gè)代際的發(fā)展得到了大幅提升。但是常規(guī)尾槳直升機(jī)因其固有局限，即在大速度平飛時(shí)，前行尾槳處接近聲速，致使旋翼升力降低、阻力和功率需求激增［1］，從而限制飛行速度進(jìn)一步上升。

隨著新的構(gòu)型設(shè)計(jì)理念被提出，以高飛行速度（≥400 km/h）、高氣動(dòng)效率、高機(jī)動(dòng)能力為特征的高速旋翼機(jī)方案越來越受到各國的研究者與研究機(jī)構(gòu)的重視［2］。

高速旋翼機(jī)在軍用與民用領(lǐng)域均有較高的應(yīng)用價(jià)值。軍用領(lǐng)域方面，高速旋翼機(jī)在執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)通用、武裝攻擊、偵察等任務(wù)領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢，能很好適應(yīng)我國未來軍事戰(zhàn)略需求；民用領(lǐng)域方面，由于高速旋翼機(jī)的巡航效率、經(jīng)濟(jì)性、巡航高度、航程等參數(shù)指標(biāo)相對較優(yōu)，可以很好地完成包括緊急醫(yī)療救援、通用運(yùn)輸及高級商務(wù)客運(yùn)等民用任務(wù)，能有效地促進(jìn)我國民航及通用航空領(lǐng)域的發(fā)展［3］。

目前，面向多任務(wù)場景的民用高速旋翼機(jī)方案綜合評估的相關(guān)研究不多，本文借鑒其他飛行器總體方案的評估經(jīng)驗(yàn)［4-5］，提出面向多任務(wù)場景的民用高速旋翼機(jī)方案綜合評估方法。在建立民用高速旋翼機(jī)方案指標(biāo)體系時(shí)，由于方案評估要考慮型號(hào)的不同用途和不同技術(shù)指標(biāo)要求，涉及到多學(xué)科、多系統(tǒng)。另外，指標(biāo)體系的建立還要依靠評估專家的經(jīng)驗(yàn)，因此，建立的民用高速旋翼機(jī)指標(biāo)體系具有很強(qiáng)的針對性。本文針對民用高速旋翼機(jī)初步總體設(shè)計(jì)方案，依據(jù)研究對象高速、傾轉(zhuǎn)及多用途等特點(diǎn)，建立專門用于民用高速旋翼機(jī)方案評估的技術(shù)指標(biāo)體系、判斷矩陣、因素權(quán)重，并結(jié)合具體的算例進(jìn)行計(jì)算，充分驗(yàn)證了綜合評估體系的科學(xué)性及合理性。

1 經(jīng)典任務(wù)場景

高速旋翼機(jī)用于通航、緊急救援及公務(wù)運(yùn)輸?shù)让裼妙I(lǐng)域是一種新的探索，這就需要在民用高速旋翼機(jī)總體方案評估中更加關(guān)注安全性、環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性。本文面向科研勘探、緊急救援、公務(wù)運(yùn)輸這3種典型任務(wù)場景建立了評估指標(biāo)體系。

1.1 科研勘探任務(wù)場景

載有勘探設(shè)備及勘探人員的科考旋翼機(jī)從機(jī)場起飛后約60 min 到達(dá)作業(yè)區(qū)域，投下勘探設(shè)備及信標(biāo)，作業(yè)過程要求耗時(shí)約15 min，測試勘探設(shè)備正常工作后返回機(jī)場。該任務(wù)場景具體指標(biāo)如表1所示。

1.2 緊急救援任務(wù)場景

為快速轉(zhuǎn)運(yùn)病人，高速旋翼機(jī)搭載患者、醫(yī)護(hù)人員及醫(yī)療設(shè)備緊急起飛至醫(yī)院，該任務(wù)場景具體指標(biāo)如表2所示。

表2 緊急救援任務(wù)具體指標(biāo)

1.3 公務(wù)運(yùn)輸任務(wù)場景

高速旋翼機(jī)用于公務(wù)運(yùn)輸，對飛行速度提出了很高的要求，核載15 人，能夠使用普通直升機(jī)停機(jī)坪進(jìn)行起降。要求該旋翼機(jī)能滿足大城市2 h 30 min 內(nèi)完成任意點(diǎn)對點(diǎn)公務(wù)運(yùn)輸，該任務(wù)場景具體指標(biāo)如表3所示。

表3 公務(wù)運(yùn)輸任務(wù)具體指標(biāo)

2 基于層次分析法的高速旋翼機(jī)指標(biāo)體系

2.1 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是美國匹茲堡大學(xué)運(yùn)籌學(xué)專家Saaty 于20 世紀(jì)70 年代提出的一種系統(tǒng)分析方法。1982 年天津大學(xué)的許樹柏等將該方法引入我國，隨后AHP 的研究得到迅速發(fā)展。此方法［6］是一種使用多準(zhǔn)則的決策方法，該方法以定性與定量相結(jié)合的方式處理各種決策因素，具有系統(tǒng)、靈活、簡潔的特點(diǎn)，在系統(tǒng)效能評估［7-8］、建筑［9］、醫(yī)療［10］、電力產(chǎn)業(yè)［11-12］等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

層次分析法在執(zhí)行時(shí)需遵循以下步驟：

首先，分析系統(tǒng)中各因素之間的關(guān)系，將研究的系統(tǒng)化分為不同層次，如目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層、方案層、措施層等。

其次，對同一層次中各因素相對于其上一層因素的重要性進(jìn)行兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣。

再次，對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，并計(jì)算得到各個(gè)指標(biāo)的權(quán)重。

最后，計(jì)算各層元素對系統(tǒng)目標(biāo)的合成權(quán)重，并進(jìn)行排序。

2.2 指標(biāo)體系構(gòu)建

根據(jù)典型任務(wù)剖面提出的任務(wù)、指標(biāo)要求及初步方案設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本文參考國內(nèi)外成熟飛行器評估指標(biāo)體系、直升機(jī)設(shè)計(jì)、民用飛機(jī)經(jīng)濟(jì)性等資料和成果，構(gòu)建了包含目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、指標(biāo)層、子指標(biāo)層的指標(biāo)體系。

2.3 體系指標(biāo)選取原則

為了確保本文構(gòu)建的綜合評估方法能準(zhǔn)確、客觀地評估各方案布局的效能，各層級指標(biāo)的選取均需遵循以下原則：

（1）科學(xué)性和先進(jìn)性原則。其應(yīng)當(dāng)能夠有效地反映出評估對象的所有特征。

（2）系統(tǒng)性原則。指標(biāo)體系必須層次合理、協(xié)調(diào)統(tǒng)一，能夠比較全面地反映評估對象技術(shù)的基本狀態(tài)，在保證評價(jià)系統(tǒng)目的可實(shí)現(xiàn)的條件下，盡量簡化指標(biāo)。

（3）定性分析與定量分析相結(jié)合原則。必須將部分反映評估對象基本特點(diǎn)的定性指標(biāo)定量化、規(guī)范化，為進(jìn)行定量評估奠定基礎(chǔ)。

（4）可行性原則。設(shè)計(jì)的指標(biāo)應(yīng)具有可采集性和可量化的特點(diǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)能夠有效地測度或統(tǒng)計(jì)。

2.4 指標(biāo)體系

經(jīng)過與專家的多輪商討與體系的修改迭代，本文提出最終技術(shù)指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 民用高速旋翼機(jī)綜合評估技術(shù)指標(biāo)體系

根據(jù)民用高速旋翼機(jī)的技術(shù)要求、體系指標(biāo)的選取原則和現(xiàn)階段我國直升機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀等多方面建立起來的綜合評估技術(shù)指標(biāo)體系包括以下幾個(gè)層次：一級指標(biāo)為民用高速旋翼機(jī)技術(shù)指標(biāo)；二級指標(biāo)為飛行性能、安全性、環(huán)境適應(yīng)性等9 個(gè)指標(biāo)；三級指標(biāo)為構(gòu)成二級指標(biāo)的分指標(biāo)總共31 個(gè)小指標(biāo)。由于篇幅有限，下文僅列舉與高速旋翼機(jī)特性相關(guān)的部分典型指標(biāo)。

2.4.1 飛行性能

飛行性能是描述飛行器質(zhì)心運(yùn)動(dòng)規(guī)律的諸多參數(shù)的集合，飛機(jī)飛行性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到所給出的設(shè)計(jì)方案能否按照預(yù)設(shè)的任務(wù)剖面圓滿完成任務(wù)，對飛行器總體設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。綜合考慮任務(wù)剖面的指標(biāo)要求、高速旋翼機(jī)技術(shù)特點(diǎn)及文獻(xiàn)［13］中給出的直升機(jī)基本性能參數(shù)，選取外載、內(nèi)載、空重比、實(shí)用升限、地效懸停升限、懸停效率、航程、巡航速度和最大飛行速度共9個(gè)子指標(biāo)進(jìn)行評估。

2.4.2 內(nèi)載與外載

由于在典型任務(wù)剖面中特別強(qiáng)調(diào)了此高速旋翼機(jī)需要搭載勘探設(shè)備、醫(yī)療支持設(shè)備、服務(wù)設(shè)施、人員等重要任務(wù)載荷，只有當(dāng)旋翼機(jī)的裝載空間、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足相關(guān)要求時(shí)，才認(rèn)為旋翼機(jī)具有完成此類任務(wù)的基本能力，一般在初步設(shè)計(jì)階段選取內(nèi)載與外載能力作為以上指標(biāo)的綜合考量標(biāo)準(zhǔn)。

2.4.3 航程與遠(yuǎn)航巡航速度

航程指飛行器的續(xù)航距離，直接關(guān)乎高速旋翼機(jī)能否按照預(yù)定航線完成既定任務(wù)的同時(shí)，并能擁有足夠的能力應(yīng)對航路上存在的突發(fā)狀況。

遠(yuǎn)航速度與航程直接相關(guān)，為飛行器的千米耗油率最低時(shí)的飛行速度。一般來說，在執(zhí)行典型飛行任務(wù)時(shí)，飛行器會(huì)選擇在燃油經(jīng)濟(jì)性相對更高的經(jīng)濟(jì)巡航速度下進(jìn)行飛行，以延長續(xù)航里程與發(fā)動(dòng)機(jī)工作壽命。同時(shí)，考慮到民用高速旋翼機(jī)的遠(yuǎn)航巡航速度顯著高于現(xiàn)有直升機(jī)方案，因此對高速旋翼機(jī)方案性能水平的評估具有極為重要的作用。

以上指標(biāo)綜合體現(xiàn)了高速旋翼機(jī)燃油載荷、發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)型、氣動(dòng)外形效率等指標(biāo)，在初步設(shè)計(jì)階段對民用高速旋翼機(jī)性能進(jìn)行衡量具有重要作用。

2.4.4 最大平飛速度

根據(jù)學(xué)界觀點(diǎn)，高速旋翼機(jī)的最大平飛速度一般在400 km/h 以上，在這種情況下，槳葉產(chǎn)生的升力有所降低，由于的阻力激增，對發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出要求較高。在長時(shí)間、高功率的工況下，發(fā)動(dòng)機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)熱衰減、部件可靠性降低等情況。因此，考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)性能對高速旋翼機(jī)的重要性，選取最大平飛速度作為飛行性能的重要評估指標(biāo)。

2.4.5 可靠性

可靠性指飛行器在規(guī)定的使用條件和時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。旋翼機(jī)可靠性應(yīng)包括各部件、子系統(tǒng)及最終總系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

但考慮到上述提到元素的可靠性大多需要通過實(shí)際時(shí)間進(jìn)行測試，在初步設(shè)計(jì)階段無法給出具體數(shù)據(jù)，本文選擇將可靠性分為平臺(tái)可靠性及動(dòng)力裝置可靠性指標(biāo)。同時(shí)，由于動(dòng)力裝置的可靠性已經(jīng)有相對成熟的預(yù)測方法，故進(jìn)一步選取子指標(biāo)層，通過其故障率以及平均故障時(shí)間進(jìn)行評估。

2.4.6 經(jīng)濟(jì)性

由于本方案的對象飛行器具有較強(qiáng)的民用屬性，因此需要對飛行器經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行著重考慮，以判定該飛行器的市場競爭力。參考文獻(xiàn)［14］中對民用飛行器經(jīng)濟(jì)性的分析，本文將經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)一步細(xì)分為直接成本和間接成本。雖然直接成本和間接成本能夠細(xì)化為更為精確的二級指標(biāo)，但是考慮到現(xiàn)有算法大多是直接給出直接成本和間接成本的數(shù)值，而不是相應(yīng)的下一級指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果，為了防止權(quán)重矩陣的傳遞結(jié)果與通用成本算法結(jié)果出現(xiàn)差異，因此在此階段直接對直接成本和間接成本進(jìn)行評估。

2.4.7 技術(shù)成熟度

技術(shù)成熟度指科技成果的技術(shù)水平、工藝流程配套資源、技術(shù)生命周期等方面所具有的產(chǎn)業(yè)化實(shí)用程度。根據(jù)美國航空運(yùn)輸協(xié)會(huì)ATA100 規(guī)范，參考國內(nèi)外技術(shù)成熟度的理論基礎(chǔ)［15-16］，本文將技術(shù)成熟度分為平臺(tái)技術(shù)成熟度和動(dòng)力裝置成熟度兩個(gè)指標(biāo)層，兩個(gè)指標(biāo)層又繼續(xù)分別劃分為結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度、系統(tǒng)技術(shù)成熟度、結(jié)構(gòu)技術(shù)成熟度與傳動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)成熟度與發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)成熟度等子指標(biāo)。

2.5 各層級判斷矩陣及對應(yīng)權(quán)重

本文采用專家打分形式，邀請14位航空領(lǐng)域?qū)＜医M成專家組，對各層次元素之間進(jìn)行標(biāo)度判斷，判斷標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

表4 隨機(jī)一致性指標(biāo)

收到專家打分后，對專家給出的矩陣元素的每一項(xiàng)作平均化處理，并利用層次分析方法求出相對權(quán)重，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。若檢驗(yàn)不通過，則邀請專家再次討論，進(jìn)行標(biāo)度判斷。重復(fù)上述流程，直至一致性檢驗(yàn)通過為止。

由于篇幅限制，本文給出如表5 所示的飛行性能。其中一個(gè)指標(biāo)對應(yīng)的判斷矩陣與對應(yīng)因素權(quán)重來說明本文判斷矩陣與因素權(quán)重計(jì)算的合理性。

表5 飛行性能判斷矩陣及權(quán)重

表6 不同任務(wù)場景下的權(quán)重分析

高速旋翼機(jī)的3種任務(wù)場景共用一套指標(biāo)體系，通過每層指標(biāo)與指標(biāo)之間的權(quán)重反映不同任務(wù)場景的特點(diǎn)。本文基于不同任務(wù)場景去對指標(biāo)體系的權(quán)重進(jìn)行分析，如表7所示。

通過表7 可知，執(zhí)行科研勘探的高速旋翼機(jī)相較于另外兩個(gè)任務(wù)場景更關(guān)注高速旋翼機(jī)的安全性?？蒲锌碧酵ǔＪ歉哳l次作業(yè)，安全性會(huì)直接影響到高速旋翼機(jī)科研勘探作業(yè)的出勤率。應(yīng)急救援任務(wù)相較于其他兩個(gè)任務(wù)場景，更注重高速旋翼機(jī)的飛行速度和環(huán)境適應(yīng)性。應(yīng)急救援高速旋翼機(jī)作業(yè)任務(wù)通常時(shí)間緊迫，任務(wù)場景通常為極端天氣、高原、海面等復(fù)雜環(huán)境，對環(huán)境適應(yīng)性和飛行性能要求較高。公務(wù)運(yùn)輸則較為關(guān)注直升機(jī)的安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、舒適性。

通過指標(biāo)之間權(quán)重的對比也可知：高速旋翼機(jī)不同任務(wù)場景下的指標(biāo)權(quán)重大小有一些差異，反映出不同用途高速旋翼機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)重要性上的差異。

3 算例驗(yàn)算

本節(jié)中對給出的5種民用高速旋翼機(jī)針對提到的3 種任務(wù)場景進(jìn)行評估，其分別為四傾轉(zhuǎn)構(gòu)型、雙傾轉(zhuǎn)構(gòu)型1、雙傾轉(zhuǎn)構(gòu)型2、共軸雙旋翼構(gòu)型、復(fù)合式旋翼構(gòu)型。由于篇幅限制，本文從科研勘探、緊急轉(zhuǎn)運(yùn)及公務(wù)運(yùn)輸3 個(gè)典型場景對各個(gè)方案進(jìn)行分析，各方案在對應(yīng)任務(wù)場景的總體效能如圖2～4所示。

圖2 科研勘探場景下各方案綜合評分

圖3 應(yīng)急救援場景下各方案綜合評分

根據(jù)評估結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，給出的5 種民用高速旋翼機(jī)構(gòu)型評分等級均位于中等以上的等級區(qū)間，較好地實(shí)現(xiàn)了既定設(shè)計(jì)目標(biāo)。各個(gè)方案各方面性能評估結(jié)果如圖2～4 所示。其中，共軸雙旋翼構(gòu)型與復(fù)合式旋翼構(gòu)型的總體性能相對較差，在3種典型任務(wù)場景下，其性能始終被認(rèn)定為中等等級。

而旋翼機(jī)構(gòu)型方案則相對復(fù)雜，雖然兩種方案表現(xiàn)均處于或接近良，但是方案在各個(gè)典型任務(wù)場景下的表現(xiàn)差異較為明顯。其中雙傾轉(zhuǎn)構(gòu)型1在應(yīng)急轉(zhuǎn)運(yùn)場景下的效能明顯優(yōu)于雙傾轉(zhuǎn)構(gòu)型2，而其在另外兩種任務(wù)場景下的效能則劣于后者。根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出，該部分差距主要來源于應(yīng)急救援的安全性，尤其是功能危險(xiǎn)性評分顯著高于后者。

由綜合評分結(jié)果可知，四傾轉(zhuǎn)構(gòu)型在3 種典型任務(wù)場景下的表現(xiàn)均為最優(yōu)且相對于其他構(gòu)型優(yōu)勢明顯。因此，四傾轉(zhuǎn)構(gòu)型方案是初步階段最值得發(fā)展的民用高速旋翼機(jī)方案。

4 結(jié)論

本文建立了面向多任務(wù)場景的民用高速旋翼機(jī)的綜合評估指標(biāo)體系，并使用該體系對相應(yīng)民用高速旋翼機(jī)方案進(jìn)行評估，得到以下主要結(jié)論：

（1）本文所構(gòu)建的綜合評估體系能夠用于面向多任務(wù)場景的民用高速旋翼機(jī)構(gòu)型綜合評估，既可以給出每個(gè)任務(wù)場景中的方案總體評價(jià)，又可以給出每個(gè)方案的單項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)，為選型決策提供了有效的工具。

（2）本文所構(gòu)建的綜合評估指標(biāo)體系是在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上形成的，并邀請我國在該領(lǐng)域的多位權(quán)威專家圍繞綜合評估指標(biāo)體系進(jìn)行了多輪深入討論，咨詢意見廣泛，為綜合評估指標(biāo)體系構(gòu)建奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（3）本文提出的綜合評估體系具有相當(dāng)強(qiáng)的擴(kuò)展能力，只需要將評價(jià)集按照其他種類旋翼機(jī)指定的特性進(jìn)行相應(yīng)的修訂，可用于該方面旋翼機(jī)設(shè)計(jì)方案的初步評估，同樣能給出較為準(zhǔn)確與客觀的評估結(jié)果。