基于AHP的高超声速飞行器动力系统性能评价方法研究

马梦颖+杨旸+费王华

摘要： 针对组合循环动力系统应用于高超声速飞行器的背景，构建了组合循环发动机（简称组合发动机）性能指标体系框架。采用AHP方法确定了组合发动机性能指标权重分布，建立了基于AHP的组合发动机性能评估方法。本方法可通过对不同组合动力方案综合性能的量化评价，为高超声速飞行器方案优化设计提供参考。

Abstract： The evaluation index system of combined cycle engine used for hypersonic maneuvering vehicle was established. AHP is used to evaluate the performance of combined cycle engine，including the order of the performance index. In this method， it was able to be evaluated quantificationally that the performance of several schemes of combined cycle engine， in order to optimize the conceptual design of hypersonic maneuvering vehicle.

关键词： 高超声速飞行器；组合循环发动机；性能评估；AHP

Key words： hypersonic vehicle；combined cycle engine；performance evaluation；AHP

中图分类号：V421.1 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）35-0025-03

0 引言

组合循环发动机具有工作包线宽和推力调节能力强的优势，可实现全空域、全速域飞行，在重复使用天地往返领域有广阔的应用前景。组合循环发动机（简称组合发动机）是高超声速飞行器实现全域飞行的关键系统，本文采用AHP方法，研究了一种对组合发动机进行性能指标评价的方法，可对组合动力飞行器动力系统的总体性能进行综合、定量、高效评估。应用本方法可对不同组合动力方案满足总体需求的程度进行直观和量化的评价，能够对飞行器总体多方案优化提供量化依据；对先进组合动力技术的发展而言，该方法给出了飞行器总体对组合发动机的性能指标需求及需求权重分布，为组合发动机的方案优化及系列化发展提供参考和牵引。

1 组合发动机性能评价指标体系

1.1 性能评价体系构架

目前对组合发动机性能指标评价体系尚无相关标准，国内外公开研究文献极少，参考相关武器装备对发动机系统的性能评价体系构架，构建组合发动机性能评价体系。根据组合动力自身技术特点和高超声速飞行器总体应用对动力系统的需求，按照实用性、代表性和独立性的原则，提出组合发动机性能指标评价体系基本构架如图1所示。其中，能力层面的包含组合发动机的基本性能和针对高超声速飞行器应用需求提出的增强性能，应用层面则包括经济性、可靠性等。

1.2 评价指标选择

传统的火箭发动机和冲压发动机性能指标数量众多，仅《GJB-3387-98火箭发动机术语》中涉及液体火箭发动机性能指标定义约100条；《QJ1190-87冲压发动机术语》中涉及75条冲压发动机性能参数定义。结合传统液体火箭发动机、冲压发动机主要性能指标选取组合发动机基本性能。根据高超声速飞行器对组合发动机宽包线飞行、多模态、多次开机等性能需求，选取组合发动机增强性能、经济性及可靠性，见表1。

基本性能反映飞行器总体对组合发动机基本能力的需求，决定总体方案闭合的重要性能参数，均从构成组合发动机的单一动力类型性能指标中选取，但指标的内涵和界定与单一动力已有所不同，例如，对于推力指标，组合发动机推力不仅反映设计状态推力，还应考虑不同工作模态下的推力特性。

增强性能反映了为满足全空域、全速域等总体性能，对组合发动机提出的性能提升方面的需求。充分体现了组合发动机与单一动力相比的特有能力和性能优势。

经济性关系到飞行器总体应用中的能量消耗与成本，所选性能指标综合反映推进剂能量及消耗水平。

可靠性关系到飞行器总体应用中稳定工作及长时间可靠性，反映了组合发动机与工作时间和起动能力相关的综合性能。

1.3 组合发动机综合性能评价模型

组合发动机综合性能水平通过以下公式定量计算获得：

其中R为发动机综合性能总分；Si为各类性能层面下具体影响因素的（即性能指标）计分值，R与Si的取值范围相同，范围大小由评价具体性能指标的划分等级确定，例如对具体性能指标按照1～5分级打分，则1

根据计算结果，结合总体需求，可以规定对某得分段范围的评价，例如4≤R≤5代表组合发动机的综合性能优良，可作为首选方案；3≤R<4组合发动机综合性能一般，可作为备选方案；R<3则组合发动机的综合性能较差，需进行改进设计以达到总体要求。

2 基于AHP的组合发动机性能指标评价方法

AHP（Analytic Hierarchy Process）层次分析法是美国运筹学家T.L.Saaty教授于二十世纪70年代提出的一种实用的多方案或多目标的决策方法，是一种定性与定量相结合的决策分析方法。常被运用于多目标、多准则、多要素、多层次的非结构化的复杂决策问题，具有系统性、实用性和简洁性的有点，在航空航天、国防军事、工程、经济、乃至服务业等领域广泛应用。

2.1 AHP分析流程

采用AHP法对组合发动机各性能指标进行综合评价，就是通过对性能指标进行两两对比判断重要性等级，并对比较结果进行一致性检验，获得最终的性能指标权重关系。基本分析流程如图2所示。首先，建立层次结构模型，明确最高层、中间层和最低层，绘出层次结构图；第二，构造判断矩阵，确定各层次、各因素之间的相对重要性；第三，进行层次单排序，计算对于上一层，本层各因素的权重；第四，对判断矩阵进行一致性检验。最后，进行层次总排序，确定最低层所有因素对于最高层的相对重要性的排序权值。

2.2 建立层次结构模型

针对初步选择出的组合发动机性能评价指标建立层次结构模型，包括1个最高层、4中间层和13个最低层。

最高层：C——组合发动机综合性能。

中间层：C1——基本性能；C2——增强性能；

C3——经济性；C4——可靠性。

最低层：

C11——推力

C12——单位面积推力

C13——推质比

C14——干质量

C21——工作马赫数范围

C22——工作高度范围

C23——可用攻角范围

2.3 构造判断矩阵

针对中间层和最低层分别构造判断矩阵，对某一层次中的各元素ui（i=1，2，...，n），进行两两比较，并用1～9的比例标度进行定量衡量，9级比例标度的定义如下：

1——两元素相比同等重要；

3——前者比后者稍重要；

5——前者比后者明显重要；

7——前者比后者强烈重要；

9——前者比后者极端重要。

2、4、6、8为中间等级，1/i（i=1～9）表示两者重要性相反。

两两比较结果所形成的标度即构成各性能指标ui对于某类型性能指标的判断矩阵。

2.4 各指标权重计算

采用层次单排序法，计算上述判断矩阵的最大特征根和？姿max特征向量wj，并计算一致性比例C.R.。

其中，n为矩阵阶数，R.I.为随机一致性指标。当C.R.<0.1时，认为权重计算结果满足一致性要求，否则重新构建判断矩阵。

通过对性能指标类型判断矩阵的求解和调整，C.R.=0.0370<0.1，满足一致性要求。四项性能指标类型的权重系数为[0.2746，0.5753，0.0911，0.0590]，其中“增强性能”和“基本性能”最重要，其权重分别为0.5753和0.2746，该结果与认识基本一致。

通过对基本性能判断矩阵的求解和调整，C.R.=0.0339<0.1，满足一致性要求。4项基本性能指标的权重系数为[0.1355，0.3337，0.4508，0.0800]，权重分布如图3所示，其中“推质比”和“单位面积推力”最重要，其权重分别为0.4508和0.3337。

通过对增强性能判断矩阵的求解和调整，C.R.=0.0269<0.1，满足一致性要求。5项目增强性能指标的权重系数为[0.2387，0.4515，0.1549，0.0946，0.0603]，权重分布如图3所示，其中“高度范围变化范围”、“马赫数变化范围”和“可用攻角范围”较为重要，其权重分别为0.4515，0.2387，0.1549。

经济性、可靠性判断矩阵中指标的权重系数分别为[0.2491，0.7509]和[0.6667，0.3333]，权重分布如图3所示，其中相对重要的性能指标分别为“推进剂密度比冲”和“累计工作时间”。

2.5 计算总权重

采用层次总排序法，根据13项性能指标对于4类性能的权重，可计算得到各项性能指标对于组合发动机综合性能的总权重为：[0.0372，0.0916，0.1238，0.0220，0.1373，

0.2597，0.0891，0.0544，0.0347，0.0227，0.0684，0.0393，0.0197]。

3 组合发动机综合性能指标评价方法的应用

在方案论证阶段，考虑基本性能和增强性能的组合发动机综合性能计算模型（1）中的wi采用总权重计算结果，Si需要根据具体的组合发动机在上述13项性能指标中的评分确定。

总权重分布如图4所示，权重较高的指标为飞行高度范围、飞行马赫数范围、推质比、单位面积推力、可用攻角范围、推进剂密度比冲和推力比，其中基本性能2项，增强性能4项，经济性1项，比较合理地反映了高超声速飞行器总体对组合发动机性能的需求分布。

在Si项的选择方面，目前公开文献中组合发动机的性能参数有限，且针对组合发动机性能参数的定义和规范尚无相关标准，部分存在争议。因此，有必要对组合发动机性能指标项目制定相关标准，按照可量化、可测量、可操作的原则完善性能指标的定义、测量规范或计算方法，为该方法中Si项的确定提供依据。

4 结论

本文根据高超声速飞行器对组合发动机的性能需求，构建了综合性能指标评价框架。采用AHP建立了组合发动机性能指标评价模型，实现了对组合发动机综合性能的量化评估。随着对组合发动机研究与应用的不断深入，将逐步补充完善应用层面的性能指标项目，健全组合发动机性能指标评价体系。综合评价组合发动机性能需考虑任务需求、总体方案、动力方案等多因素，本文提出的评价方法是对组合动力在高超声速飞行器中应用的综合性能进行评价的一种尝试，具有一定的理论依据，符合综合、定量与高效的评估要求，后续将在应用和实践中进行验证和不断完善。

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