直升機(jī)航電系統(tǒng)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估

袁大天，于芳芳，李太平

（中國飛行試驗(yàn)研究院，西安 710089）

高原地區(qū)海拔高，空氣稀薄，氣候干燥，晝夜溫差大，晝夜最大溫差可達(dá)30 ℃。高寒地區(qū)一般是指由于海拔高或因?yàn)榫暥雀叨纬傻奶貏e寒冷的氣候區(qū)，其最低氣溫可降至零下40 ℃以下。海拔在3000 m以上的高原地區(qū)通常也伴隨著高寒，例如我國的青藏高原一個(gè)最顯著的自然地理特征就是高寒。為滿足在高原高寒等極端環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)的需求，直升機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)增加或換裝必要的機(jī)載航電設(shè)備。例如，加裝防除冰系統(tǒng)，改進(jìn)航電和電氣系統(tǒng)。

國內(nèi)在裝備環(huán)境適應(yīng)性方面開展了一定的研究，總結(jié)出了一些高原環(huán)境對武器裝備性能的影響[1-5]，研究了高原和低壓環(huán)境對軍工電子產(chǎn)品影響[6-7]。龐志兵[8]等從理論層面分析了武器裝備論證、研制、設(shè)計(jì)定型和使用全壽命周期，提出了提高武器裝備環(huán)境適應(yīng)性水平的對策。鄒小玲[9]從設(shè)計(jì)角度，提出對高原直升機(jī)電氣系統(tǒng)改進(jìn)的辦法和措施，開展了高原高寒地區(qū)的戰(zhàn)場環(huán)境以及裝備保障方法研究[10-11]。在飛行試驗(yàn)領(lǐng)域，主要針對渦軸發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了高寒試驗(yàn)[12-13]，開展了裝備的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)與效能評(píng)估研究[14-16]，取得了一定的成果。可以看出，以上研究多集中在理論研究與設(shè)計(jì)分析，實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型相結(jié)合的研究相對較少，尤其是對于直升機(jī)航電系統(tǒng)在高原高寒環(huán)境下的適應(yīng)性評(píng)估較少。美國在1919 年就開始將簡單的溫度、振動(dòng)試驗(yàn)納入到裝備的驗(yàn)收試驗(yàn)中，隨后西方各國和前蘇聯(lián)相繼效仿，開展了裝備環(huán)境適應(yīng)性的研究和試驗(yàn)，取得了相當(dāng)?shù)某晒纬闪梭w系和標(biāo)準(zhǔn)。在試驗(yàn)方面，開展了高原環(huán)境特點(diǎn)下的試驗(yàn)研究[17]；在設(shè)計(jì)方面，為適應(yīng)高寒地區(qū)防除冰系統(tǒng)的用電需求，給出槳葉加熱面積的估算規(guī)則；在人才培養(yǎng)方面，其強(qiáng)調(diào)為充分發(fā)揮武器裝備的作戰(zhàn)效能，必須加強(qiáng)環(huán)境工程專家隊(duì)伍建設(shè)[18]。

文中通過對高原高寒環(huán)境的分析，得出影響直升機(jī)航電系統(tǒng)在這類環(huán)境下試驗(yàn)和使用的關(guān)鍵因素，建立了環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。有針對性地設(shè)計(jì)重點(diǎn)試飛科目，開展實(shí)地試飛，獲取相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論模型有機(jī)結(jié)合，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)方法對某直升機(jī)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)，達(dá)到規(guī)范試驗(yàn)科目，提高試驗(yàn)效率。總結(jié)試驗(yàn)方法的目的，以期使這類直升機(jī)能夠盡快投入使用，盡早發(fā)揮效用。

1 直升機(jī)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的必要性

高原高寒環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)是指檢驗(yàn)直升機(jī)在規(guī)定的高原和高寒等極端環(huán)境下實(shí)現(xiàn)其預(yù)定全套功能的能力，是裝備的一個(gè)重要質(zhì)量特性。近幾年，我國對直升機(jī)環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的要求不斷提高，一方面，CCAR29 部《運(yùn)輸類旋翼航空器適航規(guī)定》中，對直升機(jī)高原高寒環(huán)境下的飛行和使用提出了適航要求；另一方面，試驗(yàn)體系也在根據(jù)用戶的需求和裝備的發(fā)展不斷完善，由過去的重點(diǎn)考核指標(biāo)符合性逐步轉(zhuǎn)變到指標(biāo)符合加使用能力綜合試驗(yàn)。這些都要求在試驗(yàn)設(shè)計(jì)之初和試驗(yàn)過程中給予裝備環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)與評(píng)估足夠的重視，通過環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)不但可以檢驗(yàn)直升機(jī)在高原高寒地區(qū)的功能、性能，還可以總結(jié)出一套在高原高寒地區(qū)執(zhí)行不同任務(wù)的使用和保障方法，以便為今后在這類特殊地區(qū)執(zhí)行任務(wù)打下基礎(chǔ)。

科學(xué)高效地開展環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)的重要環(huán)節(jié)之一就是對試驗(yàn)環(huán)境對被試設(shè)備的影響進(jìn)行分析。高原高寒特殊地區(qū)的試驗(yàn)不同于平原內(nèi)陸地區(qū)的試驗(yàn)，由于其自然條件惡劣，試驗(yàn)窗口期短，如果對試驗(yàn)環(huán)境的影響不進(jìn)行分析，對試驗(yàn)科目的設(shè)置不進(jìn)行研究，勢必導(dǎo)致試驗(yàn)難點(diǎn)和重點(diǎn)不明晰，科目設(shè)置隨意，費(fèi)效比低等問題。因此，在試驗(yàn)開展之前，應(yīng)先對試驗(yàn)環(huán)境給直升機(jī)航電系統(tǒng)帶來的影響開展分析，以便有針對性、有重點(diǎn)地設(shè)置試驗(yàn)和評(píng)估內(nèi)容，提高試驗(yàn)效率，使直升機(jī)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)逐步規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、系統(tǒng)化。

2 高原高寒環(huán)境影響因素及試驗(yàn)

2.1 高原環(huán)境

2.1.1 高原環(huán)境影響分析及試驗(yàn)科目

高原環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)主要是針對高原野外機(jī)場砂塵大、起降環(huán)境惡劣、氧濃度較平原地區(qū)低、氣候變化快等特點(diǎn)，檢查直升機(jī)航電系統(tǒng)是否能有效使用。在試驗(yàn)之初，應(yīng)針對高原環(huán)境特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)改進(jìn)的具體情況，有重點(diǎn)、有針對性地設(shè)計(jì)試驗(yàn)科目。高原環(huán)境對直升機(jī)航電系統(tǒng)的典型影響分析及重點(diǎn)試驗(yàn)科目見表1。

2.1.2 高原環(huán)境試驗(yàn)準(zhǔn)備

在高原地區(qū)組織試驗(yàn)的主要準(zhǔn)備工作有：機(jī)組人員必須完成高原飛行理論培訓(xùn)和模擬器培訓(xùn)；飛行計(jì)劃應(yīng)充分考慮航路氣象、地形、備降機(jī)場以及應(yīng)急處置預(yù)案；機(jī)務(wù)和場務(wù)部門在試驗(yàn)前應(yīng)充分檢查直升機(jī)狀態(tài)，尤其是環(huán)控系統(tǒng)和防砂裝置，掌握好當(dāng)天氣象條件；試驗(yàn)組織部門應(yīng)充分考慮高原環(huán)境對試驗(yàn)人員的生理和心理影響，確保試驗(yàn)安全。

2.2 高寒環(huán)境

2.2.1 高寒環(huán)境影響分析及試驗(yàn)科目

高寒環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)主要是針對高寒地區(qū)緯度高、氣溫低、旋翼、尾槳等易結(jié)冰等特點(diǎn)，檢查直升機(jī)航電系統(tǒng)、防除冰系統(tǒng)等是否能有效使用。同時(shí)，通過高寒地區(qū)試驗(yàn)盡早發(fā)現(xiàn)可能存在的環(huán)境適應(yīng)性問題，暴漏直升機(jī)飛行安全隱患。高寒環(huán)境對直升機(jī)航電系統(tǒng)的典型影響分析及重點(diǎn)試驗(yàn)科目見表2。

表2 高寒環(huán)境典型影響分析及重點(diǎn)試驗(yàn)科目

2.2.2 高寒環(huán)境試驗(yàn)準(zhǔn)備

在高寒地區(qū)組織試驗(yàn)的主要準(zhǔn)備工作有：機(jī)組人員必須完成高寒環(huán)境飛行理論培訓(xùn)和模擬器培訓(xùn)，熟悉迅速脫離結(jié)冰區(qū)和積冰嚴(yán)重時(shí)的應(yīng)急處置預(yù)案；飛行計(jì)劃應(yīng)充分考慮航路氣象、地形、備降機(jī)場；機(jī)務(wù)部門在飛行前應(yīng)充分做好防除冰系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的檢查和準(zhǔn)備工作，場務(wù)部門應(yīng)及時(shí)清理停機(jī)坪和跑道，以防止起飛和降落時(shí)出現(xiàn)吹雪現(xiàn)象，影響目視起 降條件。

3 直升機(jī)航電系統(tǒng)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)

3.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

通過上述高原高寒環(huán)境對直升機(jī)航電系統(tǒng)試驗(yàn)的影響分析，利用層次分析法建立了直升機(jī)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，如圖1 所示。

圖1 直升機(jī)航電系統(tǒng)高原高寒適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

3.2 指標(biāo)權(quán)重確定

對于直升機(jī)航電系統(tǒng)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系中各級(jí)指標(biāo)的權(quán)重，這里采用層次分析法加專家評(píng)估來確定，假設(shè)指標(biāo)iT 與 1iT+的相對重要度為ak，由多位專家針對一級(jí)和二級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩對比打分，得到判斷矩陣M。

式中：元素ija 表示第i 個(gè)指標(biāo)針對第j 個(gè)指標(biāo)的相對重要度，iia =1，ija =1/jia ，(i， j =1，2，…，m)。判 斷 矩 陣 應(yīng) 滿 足 一 致 性 條 件，即：或表明判斷矩陣M 具有滿意的一致性，滿足直升機(jī)航電系統(tǒng)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)要求。一般地，判斷矩陣M 中各元素的分值由熟悉問題的專家根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)相對重要度評(píng)分定義（見表3）獨(dú)立給出。

表3 指標(biāo)相對重要度評(píng)分定義

由表3 確定矩陣M 中各元素的分值后續(xù)，則利用式（2）計(jì)算各級(jí)指標(biāo)權(quán)重值，得到的各指標(biāo)權(quán)重值。

3.3 模糊綜合評(píng)價(jià)

考慮與評(píng)價(jià)對象相關(guān)的各種因素，對其所作的綜合評(píng)價(jià)，定量化被評(píng)價(jià)對象的模糊指標(biāo)。將權(quán)重系數(shù)模糊矩陣和模糊關(guān)系矩陣通過模糊運(yùn)算，最終可以得到綜合指標(biāo)對各個(gè)評(píng)價(jià)等級(jí)的隸屬度矩陣。模糊綜合評(píng)價(jià)步驟如下所述。

式中：n 表示評(píng)價(jià)意見；m 表示評(píng)價(jià)指標(biāo)；ijd 表示意見j 對應(yīng)于指標(biāo)i 的隸屬度，i= 1，2，…，m， j= 1，2，…，n。

5）計(jì)算評(píng)價(jià)結(jié)果。評(píng)價(jià)結(jié)果R K= ?D。根據(jù)模糊評(píng)判矩陣D 和評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重向量K ，計(jì)算得到直升機(jī)航電系統(tǒng)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果。

通過開展實(shí)地試驗(yàn)，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)，運(yùn)用模糊綜合評(píng)價(jià)法對某型直升機(jī)的高原高寒適應(yīng)性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。由多名參與試驗(yàn)的試飛員對指標(biāo)體系中的各指標(biāo)相對重要度進(jìn)行打分，確定針對該型直升機(jī)各指標(biāo)的權(quán)重值，見表4。然后對其二級(jí)指標(biāo)進(jìn)行模糊評(píng)價(jià)打分，按照最大隸屬度原則確定評(píng)價(jià)對象（指標(biāo)）的隸屬度統(tǒng)計(jì)值，詳見表5。

利用獲得的評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重，計(jì)算得到該直升機(jī)航電系統(tǒng)高原高寒環(huán)境適應(yīng)性的量化綜合評(píng)價(jià)值，R K= ?D=0.7692。綜合評(píng)價(jià)值越高，則代表其高原高寒環(huán)境適應(yīng)性越好。根據(jù)評(píng)價(jià)值與評(píng)語集“0.1，0.3，0.5，0.7，0.9”進(jìn)行比較，該直升機(jī)綜合評(píng)價(jià)值落在[0.7，0.9]區(qū)間內(nèi)，因此，可以給該直升機(jī)航電系統(tǒng)的高原高寒環(huán)境適應(yīng)性評(píng)估為“較好”。

表4 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重值

表5 二級(jí)指標(biāo)隸屬度統(tǒng)計(jì)

4 結(jié)論

1）高原地區(qū)直升機(jī)航電系統(tǒng)主要受地形、低氣壓、砂塵影響，可能帶來的危害主要是通信質(zhì)量變差、供電系統(tǒng)失效概率增大、砂塵靜電引起電子設(shè)備故障等，應(yīng)主要對直升機(jī)的通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、電磁兼容性等進(jìn)行驗(yàn)證。

2）高寒地區(qū)直升機(jī)航電系統(tǒng)主要受高緯度、低溫影響，可能帶來的危害主要是衛(wèi)星通信系統(tǒng)建鏈困難、供電系統(tǒng)負(fù)載增大、環(huán)控系統(tǒng)加溫效率下降、電子設(shè)備低溫環(huán)境下故障率增加，應(yīng)主要對直升機(jī)的衛(wèi)星通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、環(huán)控系統(tǒng)、無線電導(dǎo)航系統(tǒng)等進(jìn)行驗(yàn)證。

3）高原高寒環(huán)境從多方面影響直升機(jī)航電系統(tǒng)的性能，不能用某單項(xiàng)性能指標(biāo)來評(píng)價(jià)其高原高寒環(huán)境適應(yīng)性，需要考慮多方面的影響因素。通過高原高寒實(shí)地飛行試驗(yàn)和環(huán)境適應(yīng)性模糊評(píng)價(jià)方法相結(jié)合，可以為高原高寒地區(qū)直升機(jī)航電系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)提供參考。運(yùn)用該方法，得出某直升機(jī)航電系統(tǒng)的高原高寒適應(yīng)性綜合評(píng)價(jià)值為0.7692，適應(yīng)性較好。