无人攻击机生存力评估方法*

董彦非，屈高敏，王　超

（1.西安航空学院飞行器学院，西安　710077；2.南昌航空大学飞行器工程学院，南昌　330063）

无人攻击机生存力评估方法*

董彦非1，屈高敏2⋆，王超2

（1.西安航空学院飞行器学院，西安710077；2.南昌航空大学飞行器工程学院，南昌330063）

首先介绍了无人攻击机的国内外发展现状和趋势，然后阐述了无人攻击机的特点，分析了与生存力密切相关的各分项能力之间的关系，提出了一种建立无人攻击机生存力评估的综合指数模型；同时确定了模型中各分项能力的评估模型。最后以6种无人攻击机的生存力评估为例计算并检验了模型的可用性。

无人作战飞机，生存力，综合指数模型

0　引言

无人攻击机作为无人作战飞机（UCAV）中一类主要承担对地攻击任务的武器系统，近年来得到了广泛关注，发展迅速。成为当前和未来空中作战的主力武器装备之一。人在环的无人作战模式将成为未来空中作战的重要模式［1-5］。

近年来，欧美等航空发达国家在无人攻击机方面都取得了很大进展。2011年，美国诺斯罗普·格鲁门公司研发X-47B和波音公司研发的“幽灵射线”无人机成功进行了首飞。2012年，以法国为首的欧洲6国联合研制的“神经元”无人作战飞机成功首飞。2013年，英国研制的“雷神”无人作战飞机也成功进行了首飞。美军更是在最近的几场局部战争和反恐行动中大量使用无人攻击机，取得了令人瞩目的作战效果［6-7］。

我国在无人作战飞机方面也开展了大量研究。2013年11月21日，“利剑”隐身无人攻击机成功实现首飞，标志着我国正式进入无人机研发领域的世界先进行列。2014年11月的珠海航展上展出了多种型号国产对地攻击型无人机，有的型号还成功实现外销。

无人攻击机本身与有人驾驶攻击机相比，无论在组成、结构，还是在作战使用上都有自己的特点，相应地，对其进行生存力评估也需要在充分考虑各种因素的基础上建立合理的数学模型。

1　无人攻击机特点

无人攻击机主要包括空中攻击平台、机载武器、飞控系统、数据链、发射回收系统和电源系统等部分。在生存力评估中，不考虑地面站等辅助系统。与有人机和其他类型无人机相比，无人攻击机具有以下特点：

1.1突出的隐身性能

与有人作战飞机相比，无人攻击机没有飞行员座舱和仪表盘这些主要的雷达信号反射源，在隐身化设计上具有先天优势。目前国内外在研的多型无人攻击机都不约而同地采用了无尾飞翼布局设计。这样既减少了结构重量和阻力，又降低了雷达反射截面（RCS）。例如，X-47B还采取了一系列隐身措施：采用无尾飞翼布局、蛇形发动机进气道和特殊设计的尾喷管，优化了飞机前/后缘，提高了背部圆滑性，采用了吸波材料和整体式符合材料结构，消除了蒙皮铆接对隐身性能的不利影响，显著降低了雷达散射截面和红外信号特征。据专家测算，X-47B的雷达散射截面大致相当于F-22战斗机的1/3。

无人攻击机没有座舱，非必要时采用被动探测雷达，选择高隐身进/排气系统（如吸波结构制成的双S弯进气道、大S弯二元喷管等），飞机的三大雷达散射源（座舱、雷达舱、进排气管道）的雷达散射得以消除或有效抑制。

无人攻击机可以综合采用外形隐身、材料隐身和隐身通信等技术，极大改善雷达隐身性能，使其RCS较有人机的低一个量级。RCS减小为原来的1/10，雷达作用距离将减小为原来的45%。雷达隐身性能的提高，极大地降低UCAV被发现、被跟踪概率以及被导弹击中的概率，从而大幅度地提高其生存力。

此外，机载电子对抗设备可以提高无人机的隐身能力。

1.2对数据链要求高

随着无人机相关技术的发展，无人机使用中对人的依赖会越来越小，但是，对数据链的要求一直很高。数据链用于保证对遥控指令的准确传输，以及空中作战平台接收发送信息的实时性和可靠性，以使信息反馈及时有效，同时，保证空中作战平台顺利、及时而准确地完成攻击作战任务。

在无人机的研制和升级改装中，各国都在致力于为其配备更先进的数据链系统和战术信息收发系统，使无人机具备更强的信息获取分类处理与传递能力。

无人攻击机作为未来信息化战争的一种直接作战武器装备，需要在空-天-地（海）一体化信息网络的支持下实施作战，这就需要一个可靠性、带宽、抗干扰和互用性要求更高的数据通信网络，同时必须实现时空一致的网络实时信息管理、传输与控制。

1.3自主水平对生存力有重要影响

当前，无人攻击机的自主水平和自动识别技术还很低，灵活性和适应能力较差，主要还靠地面“飞行员”操控，导致其作战的时效性和安全性等方面受到很大限制。

无人攻击机未来的发展方向应该是逐步减少人的参与程度，最终实现自主实施攻击任务。因此，无人攻击机需具备与执行任务相匹配的智能控制和决策能力，如自动识别、任务规划、战术决策、智能控制和管理、信息对抗、突防火控、航路再规划等系统。

在遇到突发事件和信息链路中断时，无人攻击机应能自动转成完全自主控制，增强任务完成率和生存力。

1.4大过载机动性能强

无人攻击机没有驾驶员，其使用过载可以远远超过有人机的潜力。充分利用其大过载机动性能，可明显提高其生存力。

在众多的UCAV的研究中，具有大过载的UCAV一直是研究的热点之一。美国海军研究局于20世纪90年代提出了一种无人的、可重复使用的半自主的UCAV——高机动杀伤飞行器（HMLV），集高机动能力、自主目标识别和自主决策能力、强抗干扰的数据链能力、可携带小型化精确制导武器的能力于一身。HMLV战术使用研究结果表明，采用一定的战术规避策略，具有15 g～20 g机动过载（加速速率不小于25 g/s）的UCAV能比较有效地规避包括先进的红外导弹在内的对空导弹的攻击。

1.5作战环境更加复杂

UCAV主要对敌重要军事目标实施侦察、监视和打击。其可以携带雷达、通信干扰机对敌雷达、通信和数据传输设备实施干扰。但是，现代战场空域中电磁环境复杂，加之天气形势复杂，各战区的地形地貌不同，构成了无人机作战的复杂环境。另外地面防空武器配备，从各型的防空高炮到地空导弹加上敌防空歼击机，使无人机的作战进入了一个敌对环境的立体空间。

根据以上特点，无人攻击机生存力评估可以考虑构建基于各能力之间相关性的加权和模型。该模型中要注重各分项能力及参数的相关性处理；隐身、数据链和自主化程度需要重点考虑。

2　无人攻击机生存力评估模型

目前常用的战斗机生存力评估方法通常将生存力分为敏感性和易损性两部分，各部分又有相应的分项能力和参数，分别计算后综合成整机生存力［8-9］。

然而在实际应用中，待评估机型的数据尤其是易损性相关数据可能难以收集或者准确度不高。为了实现对无人攻击机的生存力评估，可以选用在战场对抗环境中对生存力起关键作用的能力和参数进行评估。包括：雷达隐身能力、红外隐身能力、电子对抗能力、智能化水平、数据链能力、机动能力、无人机尺寸参数等。

分析无人攻击机特点和作战使用可知，电子对抗能力和雷达隐身能力相关，智能化水平与数据链能力相关，而红外隐身能力、机动能力、无人机尺寸参数等与以上能力无相关性。由此，建立无人攻击机生存力Sur的数学模型为：

式中，RCS（m2）指迎头或尾后方位120°左右之内的对应3 cm波长雷达的平均值；εe为电子对抗能力系数；In为红外隐身能力；ACL为无人机的自主化等级；Mane为机动能力；DL为数据链能力；S为机翼面积（m2），Lall为飞机全长（不含空速管的长度，m）。

式（1）中各参数上边的“-”号表示进行标准化处理（以下同），并以此值作为该项指标的指数值。标准化可以采用非线性S型可导函数归一法［10-13］。

2.1红外隐身能力

红外隐身能力是通过对比实施隐身技术前后目标的红外辐射特性，分析和判断隐身技术的具体实施效果。

红外制导和红外成像制导武器对目标的发现、识别和跟踪主要依据目标与背景的红外辐射对比特性及其成像特征来实现。为描述目标与背景辐射的差别，引入辐射对比度这个参数。对于点源目标，辐射对比度定义如下［15］：式中，C为目标与背景的对比度；IT，IB分别为目标和背景的红外辐射强度。C越小目标的红外隐身效果越好。

2.2数据链能力

数据链能力是对平时和战时运用环境条件下，数据链发挥的战术信息采集、数据处理能力的度量；或者说是衡量数据链将规定的战术信息，在规定的时间按照规定的收发规则，以规定的信息格式发送到规定的地方，并采用规定的算法在规定的时间内完成对战术数据处理的能力。数据链性能可以由节点连通性、有效网络容量、时效指标最终体现。

式中，nr为接收节点数目；nt为发送节点数目；Mt为节点发送的消息；Mr为节点接收的消息；Qeff为有效数据传输速率；tp为单位传播时间；pi为第i条信息传递的时效性的度量。

2.3无人自主化水平

按照2000年美国海军研究办公室和美国空军研究实验室共同定义的自主控制等级（Autonomous Control Level，ACL）的10个等级［3，6］，制定衡量无人机自主化的水平。

表1　无人机的自主控制等级

分析美国空军研究实验室定义的无人机自主控制能力的10个等级，可将其分为3类：

单机自主：1级（遥引导）、2级（实时故障诊断）、3级（故障自修复和飞行环境自适应）和4级（机载航路重规划）。

多级自主：5级（多级协调）、6级（多级战术重规划）和7级（多机战术目标）。

机群自主：8级（分布式控制）、9级（机群战略目标）和10级（全自主集群）。

由于本文研究的是单机的生存能力，因此，ACL的取值范围为1～4。

2.4机动能力

机动能力的计算模型为：

式中，εc是操纵效能系数；B为机动性参数，机动性参数B的计算公式为：

其中，SEP为最大平飞单位重量剩余功率，nycir为最大稳定盘旋过载为飞机的最大可用加力推力比飞机正常起飞重量所得的推重比（代表加速性能），Ma为飞机最大巡航飞行马赫数，ω为飞机最大瞬时转弯角速度。

操纵效能系数εc、电子对抗能力系数εe以及其他未说明的参数取值方法均可参考文献［10-14］，并根据实践合理修正。

3　算例与分析

设有6种型号无人攻击机（U1，…，U6），其基本参数如表2所示（在同样背景红外强度下评估，IB均为100w/Sr）。

首先根据各分项能力模型计算出各分项能力指标；然后对各项指标进行标准化处理；最后根据式（1）得出这6种型号无人攻击机生存力，分项能力和生存力计算结果如表3所示。

表3　无人攻击机生存力计算评估结果

从评估结果可以看出，U1、U3的生存力值较高，U4、U5次之，U2、U6的最低。评估结果较好反映了不同机型生存力的差别。

专门采用隐身材料来增加隐身功能的U1、U3、U4、U5，在雷达隐身能力与红外隐身能力这一项的指标值较高；设计尺寸较大的U1、U3的尺寸指标值显示较低，由于尺寸越大，无人机易受到攻击，而U2、U3、U5的尺寸较小，不易受到打击；但是由于U1、U3数据传输能力强大、机动灵活且自主性强，因此，在众多机型中，生存力评估较高，特别是U1采用更先进的数据链系统和战术信息收发系统使得U1的生存力略高于U3。虽然U6的尺寸性能参数不及U2的高，但拥有较大的盘旋过载使得其机动性能较高，加载的机载电子对抗设备使得雷达红外隐身能力较高，致使U6的生存力比U2略高。因U4采用较先进的数据链系统及自动识别系统，使得无人机的生存力高于U5。

4　结论

（1）无人攻击机生存力评估的综合指数模型较好地处理了战场生存力相关各子系统、分系统能力之间的关系，经计算验证，模型合理、可行，符合作战规律和数学原理。

（2）综合指数模型提供了合理的构建无人攻击机生存力评估的思想和模型。在实际应用中应用该建模思想，综合考虑具体可获得的生存力中各项数据情况，并结合参数敏感性分析以及课题任务等因素合理调整具体的数学模型。

（3）文中给出的无人攻击机生存力估算数据和计算结果仅用于数学模型的验证，结果仅供参考。

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Study of Survivability Assessment Method for Unmanned Combat Aerial Vehicle

DONG Yan-fei1，QUGao-min2⋆，WANGChao2
（1.Aircraft School，Xi’an Aeronautical University，Xi’an 710077，China；2.Aircraft Engineering School，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

The development status and trends of domestic and foreign unmanned combat aerial vehicle are introduced firstly，and the characteristics of unmanned attack aircraft are described.Then the relationship between the various sub items of the close correlation with the survivability is analyzed. A synthesized Index model for the survivability evaluation of the unmanned attack machine is proposed，and the evaluation model of each sub item ability in the model is also determined.Finally，the survivability of 6 unmanned combat aerial vehicle is evaluated，and the survivability of themodel is checked.

unmanned combataerialvehicle，survivability，synthesized Indexmodel

V271.4；E926

A

1002-0640（2016）08-0028-05

2015-05-18

2015-08-07

航空科学基金（2011ZA56001）；江西省研究生创新专项基金资助项目（YC2014-S396）

董彦非（1970-），男，河南开封人，副教授，博士（后）。研究方向：航空武器系统仿真与效能评估。

屈高敏（⋆1990-），女，研究生。研究方向：飞行器仿真与效能评估。