臨近空間高超聲速ISR平臺作戰能力評估

劉濟民，張朝陽，顏仙榮，沈 伋

（海軍研究院，上海 200436）

臨近空間高超聲速飛行器，一般是指飛行馬赫數不小于5，以吸氣式發動機或其組合發動機為主要動力裝置且能在大氣層中（飛行高度在20 ～100 km 之間）進行遠程飛行的飛行器。臨近空間高超聲速無人偵察機突防能力強，能在很短的時間內到達全球的任何熱點地區，深入縱深，執行重大突發事件的情報搜集、監視和偵察任務。與常規偵察機相比，高超聲速飛機的實時偵察具有獨特的優越性，在軍事上具有巨大的戰略意義。

武器裝備作戰能力評估是武器裝備論證中的重要工作。對于軍方而言，概念設計的衡量指標是武器系統的作戰能力，是提出武器系統設計指標的依據，常用于指導工業部門進行總體設計。因此，對高超聲速ISR（Intelligence，Surveillance，Reconnaissance）平臺進行作戰能力評估，確定影響系統作戰能力的主要因素，對下一步開展該型裝備的論證和研制具有重要意義。

國內對高超聲速攻擊武器和臨近空間低速平臺的作戰效能做了一些研究，但對臨近空間高超聲速飛行器的作戰效能評估還未見諸報道。作戰能力是裝備的固有屬性，是裝備作戰效能的基礎。無人機是無人偵察機系統效能的主要影響因素，其效能在無人偵察機系統效能中占有很高的權重。高超聲速ISR 飛行器目前還處于概念設計階段，本文僅對其作戰能力進行初步評估，所得結論將為下一步開展高超聲速ISR飛行器的研制立項提供參考依據。

1 作戰能力評估模型

武器裝備作戰能力評估指標的構建需基于其作戰任務，同時要遵循系統性、獨立性、一致性、科學性、可測性和可比性等構建原則。對高超聲速ISR飛行器來說，其主要作戰任務是對高危區域和時敏目標進行情報偵察。本文基于高超聲速ISR 平臺的使命任務，對概念方案設計指標滿足作戰任務需求的程度進行綜合衡量。

1.1 使命任務分析

高超聲速ISR飛行器可深入對方軍事部署前沿進行抵近偵察，掌握對方航母編隊等高價值目標的動向和位置信息，為作戰指揮中心提供戰場態勢信息，為遠程精確打擊提供目標指示信息，為信息化戰爭提供戰役戰術情報支持。

高超聲速ISR飛行器是未來海上信息化戰爭的主體。可重點發揮其突防能力強、生存力高、單位時間偵察范圍廣、反應快等特點，用于執行海洋方向的戰略偵察、廣闊海域情報收集、對大型艦艇編隊等高危險目標的凌空偵察、遠程精確打擊的目標指示以及戰場評估等多種作戰任務。高超聲速ISR飛行器的作戰能力是體現其完成上述作戰任務的本領或潛力。

1.2 評估指標體系的建立

要完成上述使命任務，就必須具備相應的能力。依據指標體系構建的原則，綜合考慮高超聲速ISR 飛行器的飛行特性及技術發展水平等因素，并參考已有研究成果，建立高超聲速ISR平臺的作戰能力評估指標體系，如圖1所示。

圖1 高超聲速ISR平臺作戰能力評估指標體系Fig.1 Index system for operational capability evaluation

指數法是武器系統效能評估的有力工具，其主要特點是快速方便，并能夠結合人的經驗，定量地對比評價武器系統的作戰能力，因此，被廣泛應用于武器系統的作戰能力評估之中。在武器系統作戰能力評估中引入指數概念，可以把一些因素化為可對比的相對于同一個量的數值。高超聲速ISR平臺的綜合作戰能力可定義如下：

式（1）中：C為各個能力指標的歸一化值；w為相應能力指標的權重，具體值由1.3節分析所得。

1.3 評估權重的確定

起降能力、廣域寬速范圍內工作能力和有效載荷裝載能力的權重值分別參考《無人偵察機效能分析方法》（GJB 6704—2009）中無人機起降方式、飛行品質和任務載荷效能的權重值；偵察覆蓋能力和快速偵察能力的權重值參考文獻[13]。高超聲速ISR平臺作戰能力各指標的基準權重值，如表1所示。

表1 各項作戰能力的基準權重值Tab.1 Weight values for each operational capability

廣域寬速范圍內工作能力不僅體現了平臺的機動能力和生存能力，而且與平臺的可用度、可信度和環境適應能力也直接相關。因此，廣域寬速范圍內工作能力的權重值最大。

2 作戰能力評估準則

高超聲速ISR平臺主要搭載光電設備和合成孔徑雷達（SAR）等任務載荷，利用高空快速到達的優勢，承擔高威脅和大縱深環境下的情報偵察、攻擊引導和戰效評估等作戰任務。依據其使命任務，建立相應的作戰能力評估準則。

2.1 快速反應能力

遠程精確打擊是主動防御作戰的主要作戰樣式，遠程快速偵察和打擊能力是實施遠程精確打擊的關鍵能力。快速、準確、詳盡地感知戰場態勢，掌握敵方目標和戰場環境的相關信息，進而先敵發現，有效識別強敵重心，是取得戰場主動權的先決條件，在“發現—跟蹤—打擊—評估”整個攻擊環中，對目標實施快速偵察起到關鍵作用。

高超聲速ISR 飛行器可按照作戰需求隨時起飛，能快速遠程突破對方防空體系，快速到達任務區進行偵察，準確把握整個戰場態勢的變化。快速偵察能力可由單位時間偵察面積來衡量，其單位為km/s。

式（2）中：為巡航速度；為偵察設備的可探測距離（“全球鷹”的為200 km），下同。

2.2 偵察覆蓋能力

廣闊海域情報收集、遠程精確打擊的目標指示和大縱深環境下的戰略偵察等作戰任務需要高超聲速ISR飛行器具有遠程覆蓋能力。高超聲速ISR平臺的偵察覆蓋能力可用單次任務空中不加油情況下總的可偵察面積來確定，其單位為km。

式（3）中：為最大續航時間；為高超聲速ISR平臺的最大航程。

2.3 起降能力

除了巡航速度，起降方式也是影響快速反應能力的重要方面。高超聲速ISR飛行器有3種起降方式。

1）火箭助推，滑翔著陸。采用火箭將高超聲速ISR 飛行器推到要求的高度和速度，隨后，高超聲速ISR 飛行器自身的超燃沖壓發動機點火，實現自主飛行，降落時采用無動力滑翔降落。

2）載機放飛，滑翔著陸。由大型飛機掛載，飛行到預定高度后釋放，高超聲速ISR 飛行器的助推器點火將其推到預定的高度和速度后，超燃沖壓發動機點火，實現巡航飛行，降落時也采用無動力滑翔降落。

3）自主水平起降。全程由高超聲速ISR 飛行器自身的渦輪基組合循環發動機（TBCC）提供動力。

具有自主水平起降能力的無人機出勤故障率比采用第1 或第2 種起降方式的無人機要低很多。此外，在經濟性上，自主水平起降方式的效費比高于前2種方式。起降能力用來表示。

2.4 廣域寬速范圍內工作能力

高超聲速飛行器正向著速域更寬、空域更廣、航程更遠的方向發展。高超聲速ISR飛行器采用超燃沖壓發動機作為動力，由于其獨特的工作方式，對飛行高度和速度很敏感，只能在特定的高度和速度范圍內穩定工作。另外，高超聲速ISR飛行器需要采用高升阻比氣動布局，寬速域范圍的氣動特性是1 項關鍵技術。因此，氣動和推進上的約束嚴重制約了高超聲速飛行器的飛行包線，使其只能在很窄的“飛行走廊”中飛行，從而降低了其作戰適用性。

可以采用高度和速度的可變化范圍來衡量其飛行條件適應能力，用公式表示如下：

式（4）（5）中：和分別為巡航速度和巡航高度；和分別為可保證高超聲速ISR飛行器穩定工作的速度和高度變化范圍。總的飛行條件適應能力為：

和為加權系數，其和等于1。為了簡化起見，暫取==0.5。

2.5 有效載荷裝載能力

有效載荷裝載能力是描述平臺攜帶任務載荷的能力。無人偵察機主要的成像偵察任務載荷有光電設備和SAR。高超聲速ISR 飛行器的總重量由機體結構重量、燃油重量和有效載荷重量組成，用公式表示如下：

本文采用有效載荷效率，即用有效載荷的重量與飛行器最大起飛重量之比來衡量有效載荷裝載能力：

3 計算結果與分析

以文獻[20]中的高超聲速ISR平臺和美國正在研究的SR-72為例，對二者的作戰能力進行計算，并進行對比分析。

3.1 基本性能計算

高超聲速ISR 飛行器主要用于執行偵察任務，故其偵察能力評估在總體方案評價過程中尤為重要，而對偵察能力影響最大的總體基本性能參數主要包括巡航速度、升限、航程、最大續航時間和有效載荷重量。為評估高超聲速ISR 平臺的作戰能力，必須對航程、升阻比和容積率等至關重要的基本性能參數進行計算。

表2 為高超聲速ISR 平臺和SR-72 的主要技戰術性能，SR-72的性能指標根據相關資料得到。

表2 高超聲速ISR平臺與SR-72基本性能Tab.2 Main performance of hypersonic ISR vehicle and SR-72

表2 中：為巡航馬赫數；為航程；/為巡航狀態下的升阻比；機高為平臺機身的高度，不包含起落架等其他裝置的高度。

3.2 作戰能力計算

在基本性能參數的基礎上，對、、、和共5個作戰能力指標進行計算。高超聲速ISR平臺可穩定工作的飛行馬赫數為5.0 ～7.0，飛行高度范圍為29 ～34 km；SR-72 的飛行馬赫數為5.0 ～7.0，飛行高度為25 ～30 km 。由上可對高超聲速ISR 平臺和SR-72的各個作戰能力指標進行計算，結果見表3。

表3 ISR平臺與SR-72作戰能力指標對比Tab.3 Comparison of operational capabilities

由于作戰能力指標的量綱和數量級均不相同，故不便于綜合作戰能力的計算。為了消除不同指標間的不可公度性的影響，需對作戰能力指標值進行規范化處理。由于、、和指標都是效益型指標，即指標數值越大，對于評估結果就越有利，其歸一化處理方法如下：

式（9）中：為作戰能力指標的計算值；為歸一化特征值，本文取該特征值為對應指標中的最大值。

參考GJB 6704—2009，高超聲速ISR 平臺的自主起降能力歸一化值為：

按照上述方法對各個作戰能力指標進行歸一化處理，計算結果見表4。

表4 ISR平臺與SR-72作戰能力歸一化指標Tab.4 Normalization of operational capability indicators

通過式（1）可計算得到高超聲速ISR 平臺和SR-72 的綜合作戰能力分別為0.938 5 和0.486 9。在5 項作戰能力指標中，快速偵察能力指標、起降能力指標和廣域寬速范圍內的工作能力指標相同。SR-72 在偵察覆蓋能力指標上占優，而文獻[20]中的高超聲速ISR 平臺在有效載荷裝載能力指標上占優，總的作戰能力強于SR-72，原因是SR-72的有效載荷裝載能力太小，80×10kg的最大起飛質量只能裝載2.5×10kg 的有效載荷。若SR-72 的有效載荷質量能夠達到5.5×10kg，則SR-72 的作戰能力與文獻[20]中的高超聲速ISR平臺基本相當。

當把飛行器的升阻比/、巡航速度和推進系統的比沖視為常數時，航程可用Breguet 公式表示為：式（11）中，為燃油結構質量比。

進一步分析可知，由于SR-72 采用翼身融合體氣動布局，其巡航狀態下最大升阻比僅為1.6，為了達到4 800 km 的航程，必須盡量提高其燃油結構質量比。由式（11）可知，SR-72 巡航狀態下較低的升阻比限制了其有效載荷裝載能力的提高。

3.3 結果分析

由計算結果可知：文獻[20]中的高超聲速ISR 平臺的綜合作戰能力優于SR-72，在單項作戰能力上各有所長。SR-72翼身融合體布局的外形設計在各個速度段均有著較好的氣動特性，能夠實現水平自主起降。另外，SR-72 高超聲速無人偵察機采用翼身融合體設計布局，可以大大提高飛機所能攜帶的燃油量，燃油結構質量比較大，可以滿足超大航程的設計需求。SR-72高超聲速無人偵察機所采用的翼身融合體的氣動布局在氣動性能上還略有不足，在高速巡航狀態下的最大升阻比在1.6 左右。因此，只從升阻比來考慮，SR-72 還存在較大差距。采用類乘波氣動布局設計的高超聲速ISR平臺在巡航狀態下的升阻比較大，在一定程度上彌補了燃油結構質量比較小的缺陷，若能在輕質高強度耐高溫材料、結構熱防護設計等關鍵技術上有所突破，同樣可滿足超大航程設計需求。

4 結論

臨近空間高超聲速ISR平臺是搭載偵察任務載荷完成情報偵察任務的基礎，平臺能力的正常發揮是任務載荷發揮能力的重要支撐。本文基于高超聲速ISR平臺的使命任務，建立了高超聲速ISR 平臺作戰能力的評估指標體系，運用指數評估法，對其作戰能力作出初步評估。乘波氣動布局的不足就是體積效率低，導致承載能力不足，但其巡航狀態下的升阻比明顯高于其他構型，使得類乘波構型高超聲速ISR 平臺的綜合作戰能力優于采用翼身融合體氣動布局的SR-72。