基于任務的艦載無人直升機作戰效能分析

李 淯，徐玉貌

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮 333001)

0 引言

隨著航空科技的發展和軍事需求的推動，使用艦載無人直升機進行常規或非常規作戰成為一個重要趨勢。而且隨著其智能化程度的提升，艦載無人直升機對未來陸海空作戰體系的影響將日益增大。因此，研究艦載無人直升機作戰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，研究作戰效能需構建一整套作戰效能評估體系。考慮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潛能。且其智能化水平、數據鏈能力和態勢感知能力對于作戰效能更為重要。因此，需要針對這些不同點，建立艦載無人直升機作戰效能評估體系。由于艦載無人直升機在不同的作戰環境下執行不同類型任務所能發揮出的作戰效能不同，故評估艦載無人直升機的作戰效能要基于任務，根據作戰使命分配不同任務權重來綜合評估作戰效能。

本文采用ADC模型構建效能體系，并用TOPSISI法(客觀賦權法)和層次分析法(主觀賦權法)確定權重，靈活使用線性加權法和非線性加權法進行信息聚合，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數據代入基于任務構建的作戰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計方案與美軍MQ-8B無人直升機的作戰效能，再進行參數敏感性分析，以指導該方案的優化改進。

1 艦載無人直升機作戰效能指標體系

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

作戰效能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行任務時的狀態，可以理解為艦載無人直升機總數量中隨時可以執行任務的數量與總數的比值。可用度通過理論計算難以獲得準確數值，故參考統計數據[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境適應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開始時，在規定的任務剖面中的任一隨機時刻，能夠完成規定任務的能力。可靠性主要與平均故障間隔時間(MTBF)和任務飛行時間有關。艦載無人直升機執行任務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為續航時間；tt為出航時間，即艦載無人直升機從起飛到開始執行任務所需時間。

1.3 任務能力

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

執行這些任務需要評估艦載無人直升機的任務載荷能力、飛行能力、突防能力、探測能力、信息傳輸能力、導航能力、環境適應能力、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。任務能力評估指標體系如圖1所示。

表1 需求關系

任務能力C計算模型利用線性加權法，其計算公式為：

(3)

式中，wi為各子任務能力的權重，Ci為各子任務能力數值。

各子任務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中完成某任務所需考量的艦載無人直升機能力，如任務載荷能力、飛行能力和突防能力，δj為某項能力的權重。

圖1 任務能力評估指標體系

2 權重確定方法

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

圖2 評估模型技術路線圖

3 主要能力計算公式

3.1 任務載荷能力

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

(5)

式中，N1指某任務載荷遠載能力；w1j為該能力項的權重；N11，N12，N13計算公式如下：

1)遠載能力[5]

N11=M·R

(6)

式中，N11指某任務載荷遠載能力，M指任務載荷重量，R為最大飛行半徑。

2)久載能力[5]

N12=M·T

(7)

式中，N12指某任務載荷久載能力，M指任務載荷重量，T為對應的最大航時。

3) 速載能力[5]

N13=M·V

(8)

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

4)載荷效率[5]

(9)

式中，N14指某任務載荷效率，Pmc為最大連續功率。

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la(取0～1)；K為雷達體質系數(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ASAR(取0～1)；成像分辨率系數la(取0～1)。

(13)

式中，RIR為最大探測距離；PIR為探測設備分辨率系數(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為探測設備分辨率系數(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

數據鏈實現地面(艦面)控制站與艦載無人直升機之間的數據收發和跟蹤定位。信息傳輸能力計算模型如下式：

N3=0.5Nu+0.5Nd

(15)

數據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)為數據上行傳輸速率，Rd(Mbps)為數據下行傳輸速率，Td(ms)為傳輸延遲，β為抗干擾能力，10dB以內取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是權重系數，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，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為戰斗部重量，n為導彈數量。

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為戰斗部重量，n為火箭彈數量。

4 算例及分析

4.1 作戰效能計算

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據進行標準化處理后通過本文建立的作戰效能評估體系及方法進行計算，得出任務能力如表2所示。再根據表2繪制出柱狀圖，對比兩型機任務能力，如圖3所示。

表2 任務能力計算結果

圖3 任務能力對比

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

表3 任務能力權重

計算出任務能力后結合可用度與可靠性計算出作戰效能，如表4。

表4 作戰效能計算

對該任務內各任務能力進行敏感性分析得出如圖4結果。

圖4 任務能力敏感性圖

將圖4中對任務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結果。

圖5 任務指標敏感性圖

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上，對海探測和對面攻擊任務所占權重較大，二者合計占任務能力結果的60.7%。

2)隨著指標值增大，突防能力和任務載荷能力對任務能力影響更大，因此應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的結果。可以看出，對作戰效能影響最大的因素是RCS、紅外特征和巡航速度。故應著重降低該型機RCS和紅外特征，進一步提高巡航速度。

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

5 結論

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

1)眾多任務中，執行對海探測和對面攻擊這兩個任務的能力的重要性占比過半，應著重提高此兩項任務相關的平臺能力和任務設備能力。

2)可靠性對作戰效能的影響至關重要，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，作戰效能更佳。

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