航母舰载机装备体系及指标论证方法

屈也频，金惠明，何肇雄

海军研究院，上海 200436

航母舰载机体系建设是一个典型的、复杂的巨系统建设，其发展论证研究涉及航母舰载机的作战需求、能力要求、舰机适配性[1]和经济性等多重因素的权衡。特别是舰机适配性约束贯穿于舰载机装备论证的全过程，具有鲜明的海军航空装备特色。近年来，随着航空武器装备论证内涵外延的丰富与扩展，其论证范畴、论证领域、论证方法和论证要求都发生了变化[2]。采用在陆基飞机上增加舰载使用要求的传统型号综合论证方法，已不能全面准确地反映舰载机的特殊性要求。如何创新论证理论与方法，从顶层上明确舰载机与母舰总体、作战系统和航空保障系统的适配要求，规范各型舰载机的保障资源，构建合理的舰载机装备体系和科学完整的战术技术指标，是航母舰载机论证需要解决的关键技术。

随着体系作战成为现代化战争的基本形态，装备使用和研制部门越来越重视装备体系论证，国内外学者开展了大量研究工作。文献[3]提出要通过装备体系论证牵引装备型号发展，并指出前者决定并约束后者。文献[4]运用基于能力的需求开发方法[5]，完成了美国空军远程作战装备体系论证。文献[6-8]分别提出运用综合集成、动/静态评估相结合、质量功能展开(Quality Function Deployment，QFD)与系统工程标准建模语言(Systems Modeling Language，SysML)等方法，围绕陆军坦克/装甲、海军舰船等装备开展了案例应用研究。但不同装备论证有自身的个性特点[2]，上述研究成果可以为航母舰载机体系论证提供部分借鉴，但难以直接运用于舰载机体系特征明显、舰载使用强约束和一体化保障要求高的论证研究对象，难以有效解决航母舰载机装备论证实际工作中面临的问题。

1 航母舰载机论证特点

1.1 具有强烈的体系论证特征

航母舰载机装备体系作为航母编队的重要组成部分，是海上编队履行使命任务，遂行海空作战行动的物质基础。舰载机通常远离本土陆地、随航母编队前出遂行作战任务，在装备种类结构上要求自成体系，包含舰载战斗机、电子战飞机、伙伴加油机、预警机、反潜机、运输机、教练机等，以及不同用途的舰载直升机[9]；在装备比例结构上要确保满足作战与训练需要；在装备规模数量上要与母舰“部署周期”相适应，确保航母舰载机战斗力的实现。

航母舰载机论证是涉及多种型号装备在“人/机/舰/场”(飞行员-舰载机-母舰-训练场)大环路中协调建设的复杂巨系统，具有鲜明的整体性、聚合性、涌现性、互补性、配套性、演化性和目的性[10-13]。如何从航母编队体系作战角度构建舰载机体系结构，提出种类齐备、功能齐全、性能协调、舰机适配的舰载机典型配置方案，是舰载机装备论证首先要解决的难题。因此，必须以系统工程的研究思路和方法，综合运用基于动态场景的需求生成与分析[13-14]、以数据为中心[15]的体系结构建模与分析、基于价值的作战能力分析与评估[16]、基于可执行模型[13,17]驱动的体系设计与优化以及基于跨“人/机/舰/场”等学科专业的综合集成研讨等现代系统思想、方法和工具，落实“需求牵引、能力驱动、体系主导”的发展理念，将“作战概念可视化、作战需求条目化、作战能力具体化、性能指标定量化”，确保论证研究结果协调化、联动化，且客观性和逻辑性强。

科学描述舰载机装备体系的任务特点、功能需求、互联关系和整体作战效果，才能充分体现舰载机体系特征，以及与编队其他兵力之间的关系。特别是由于舰载机受客观条件限制，总体规模偏小，前出航母编队远海作战，缺少陆地雷达网、通信网、气象[18]网和火力网等支撑，且平战交融、与对手行动交错。如何在断网、残网、缺网的情况下，实现机群之间的信息融合和协同精确打击，对舰载机独立遂行作战任务和多任务能力的论证提出了更高要求。

1.2 舰载使用的强约束特征明显

舰载机驻舰使用条件苛刻，要求舰载机具有良好的舰机适配性。例如，受航母飞行甲板长度/宽度的限制和为适应弹射/拦阻起降方式[19-20]，舰载战斗机等固定翼飞机应具有良好的小速度起降特性和大迎角操稳特性，机体结构和机载系统/设备应有承受更高纵向过载的能力；在航母纵摇、横摇和升沉运动过程中着舰[21-22]，起落架应能承受高强度冲击要求；机体尺寸要求更加紧凑、机翼可折叠，以便于调运和机库停放[23]，等等。同时，舰载机应具有良好的环境适应性。包括在“高温、高湿、高盐雾”海洋环境下的机体腐蚀防护与控制要求更高；机载电子设备应能承受舰面雷达等电子设备的高场强电磁辐射，电磁兼容性要求更高。以上这些是舰载机显著区别于陆基航空装备的最主要技术特征，必须在装备论证阶段系统地提出要求，从装备设计的源头和在生产的全过程中，全面贯彻舰机适配性要求。

1.3 多机种保障一体化论证要求高

舰载机的机型种类多、保障工作复杂、保障工作强度大，受舰上空间限制，随舰技术人员少，保障设备、工具和备品、备件储备量相当有限[24]，一旦发生故障无法出动，则直接影响作战能力。为此，要求舰载机装备可靠性更高、故障自诊断能力更强，维护更加简单便捷。舰载机多机种一体化保障要求论证，一方面涉及单一机种保障特性，确保其具有高可靠性、维修性和保障性水平；另一方面涉及兼顾不同种类机型和整个机群的保障体系要求论证，必须从顶层设计的角度，提出保障要素、功能与信息一体化要求。因此，需针对各型舰载机的保障特点，通过维修与保障资源的顶层规划，贯彻一体化通用设计要求，有效控制舰上配套保障资源规模，使装备论证全过程始终处于一体化要求的强约束之中。

2 航母舰载机装备体系构建方法

按照“作战需求—能力要求—装备体系—装备型号—关键技术”迭代递进式论证研究流程，重点针对舰载机装备的强体系特征，在装备体系论证环节中创新论证方法，实现科学论证，牵引航母舰载机装备发展。

2.1 建立任务需求与装备需求之间的关系

装备体系建设，是按照军事需求和使命任务，明确体系作战能力，提出各个型号装备的比例和总体规模数量，建立体系内装备的组合方式与耦合形式，并据此开展研制、采购、生产和使用维护，以及其他全寿命周期内工作的建设活动。

航母舰载机发展涉及到航母舰载机作战需求、能力要求、舰机适配性和经济性等多重因素约束，论证的基本目标是通过分析舰载机装备体系的使命任务、作战运用和相关资源保障需求，识别出各型舰载机的能力需求，梳理能力生成的逻辑关系和信息接口。

为建立任务需求与装备需求之间的联系，许多研究学者经常采用“映射”概念[25-27]来描述，但舰载机通常都具有多任务能力，各型机除担负其主要使命任务外，往往还兼顾其他任务。因此，在实际上，舰载机任务需求与装备需求之间并不构成严格数学意义上的“一对一”和“多对一”的“映射”关系，但两者之间可以用“关系矩阵”来描述。

设任务需求为向量U=[u1,u2,…,un]，装备需求为向量V=[v1,v2,…,vm]。向量中元素分别对应于n项任务需求和m类舰载机装备，则通过能力目录f可以建立U和V的关系，记为U→V。其关系矩阵R∈f(U×V)，且

式中:rij为第i类装备与第j项任务的相关程度。

从世界海军强国军事实践看，通常航母编队赋予舰载航空兵的使命任务是夺取局部空域的制空权、制海权和制信息权，实施“由海制陆”的军事打击和其他非战争军事运用等。显然，明确且清晰的任务需求是装备体系研究的前提，为开展装备资源配置论证提供输入。

通过运用目标价值评估方法，分析未来作战环境、威胁对象和作战对手，结合作战概念设计，梳理作战任务需求形成任务清单；利用SA(System Architect)[28]体系结构建模工具开发基于DoDAF2.0体系结构框架[29]的能力/作战/系统等视图模型；利用DOORS[30]等需求管理工具捕获任务需求和能力要求，明确舰载机体系作战能力目录；利用SA for DOORS Interface插件[31]建立起任务需求与装备资源的连接关系，初步构建航母舰载机装备体系结构。

2.2 分析装备需求对任务需求的相关程度

在图1中，以能力目录为纽带，建立起航母舰载机的使命任务与装备资源的关联关系。由于装备需求对任务需求的相关程度存在个体认知差异，且这种相关性难以精确量化，也就是说两者之间存在模糊性。为此，引入模糊集理论[32]，通过专家群决策和层次分析法(AHP)，处理得到[0, 1]区间数，作为某项任务需求与某种装备资源相关程度的隶属度，从而得到模糊矩阵[33]R。

图1 使命任务与装备资源的关系图Fig.1 Relationship between missions and equipment

经加权平均M(·,+)模糊变换可以得到装备资源V=[v1,v2,…,vm]的综合评价向量B，即

B=A∘R=[b1,b2,…,bm]

式中:“∘”为模糊矩阵合成运算算子。

至此，可以得到各型舰载机装备对履行航母编队赋予舰载机使命任务的相关程度，完成装备资源对任务需求的重要度或敏感度分析。

2.3 迭代优化形成舰载机装备体系

装备资源对任务需求的相关程度，体现了各型舰载机装备对完成使命任务的重要度。通过对其进行从大到小的排序，可得到在客观条件限制下考虑各型舰载机配置数量的优先次序。

以图1典型航母舰载机体系论证为例，按照航母赋予舰载机的使命任务获得模糊关系矩阵R=(rij)5×7，以及任务需求U=[u1,u2,…,u5]的权重向量A。假设经加权平均模糊变换计算后，得到装备资源V=[v1,v2,…,v7]的综合评价向量为

B=[0.22,0.25,0.20,0.12,0.08,0.09,0.04]

由此可获得装备配置的优先排序为

v2>v1>v3>v4>v6>v5>v7

装备配置的优先级是研究舰载机装备体系的最根本依据。通过先后次序分配有限资源，可优先保障对任务需求影响大的舰载机装备(如舰载战斗机、预警机等)的数量需求，避免多个决策变量相互耦合难以求解、重点装备数量需求难以满足、体系效应难以发挥等问题。

在具体开展舰载机配置数量需求分析中，首先，以装备配置优先级为顶层约束，根据航母编队及其舰载机作战使用方式[34-35]，按波次连续出动，计算每个波次编队的基本数量，以及持续出动模式和高强度出动模式下的飞行架次需求。

然后，根据舰载机出动强度、母舰保障能力和装备完好率等因素，计算得到不同战术使用方式下各型舰载机的最低配置数量需求。具体算法模型因涉及具体战术运用，不在此处详述。

最后，根据航母甲板和机库空间尺寸约束，运用计算机推演方法开展多方案舰上布列仿真，形成多套备选配置方案。在此基础上，开展作战效能与作战能力评估。经过多轮迭代优化，最终可获得航母编队不同作战任务条件下各型舰载机配置方案。典型的优选流程如图2所示。

图2 舰载机备选配置方案优选流程Fig.2 Optimization process of carrier-based aircraft alternative configuration

总之，舰载机体系的规模和比例结构研究是一个“任务需求—装备需求—出动保障能力—母舰搭载能力”的反复优化迭代过程，最终通过作战过程推演和效能评估来检验是否满足航母编队作战需求。

3 母舰约束下的舰载机指标论证方法

如前所述，与陆基航空装备相比，舰载机战术技术指标具有舰载强约束和多机种一体化保障要求，需系统梳理与舰载使用有关的指标，构建完备的指标体系，并对舰机适配性要求等指标进行重点论证。

3.1 建立基于作业流程仿真的舰载机指标体系

战术技术指标是开展型号研制设计的输入，也是设计定型验收考核的基本依据，必须遵循先进性、完备性、准确性、合理性和可达性原则[36]。航母舰载机是从母舰起飞作战并驻舰保障的装备，首先必须拥有能在海洋上空作战使用的战术技术性能，这是一般航空装备论证中的共性要求。但舰载机因为起降、使用和保障环境条件更加苛刻，其战术技术指标必须充分考虑与母舰的舰机适配性、舰上使用环境适应性、舰面综合保障能力、舰上起降等舰载使用要求，将具有舰载机特色的要求在飞机平台、发动机、机载系统和武器、“五性”及综合保障要求中进行全面融合，形成各型舰载机战术技术指标体系。

3.1.1 基于作业流程模型驱动的过程仿真

由于在确定舰载机战术技术指标时受舰载使用的强约束，涉及到舰载机使命任务、航母总体技术状态、作战指挥系统和航空保障等多种因素影响，与母舰和编队兵力关联耦合复杂。传统的装备相似类比法难以全面系统地建立舰载机特色的战术技术指标体系。因此，按照舰载机驻舰保障、起降和海上作战使用的要求，开展作战指挥控制、甲板/机库布列、仪表/目视着舰引导、系留/转运、舰面保障资源使用全过程的仿真，结合各个使用环节辨识梳理战术技术指标要求，确保舰载机与母舰具有良好适配性，构建科学的航母舰载机战术技术指标体系。

以舰载战斗机为例，针对“舰上起降、舰面指挥引导、舰上综合保障”等特点，通过基于作战流程模型驱动的过程仿真，模拟舰载战斗机在母舰上作战使用的全过程(见图3)，辨识在各作战任务/活动/操作中航母编队体系作战、舰机适配性、环境适应性等论证约束要素，形成具有海军航空装备特色的论证流程和论证方法。

图3 面向指标生成的舰载机作业流程仿真Fig.3 Simulation of carrier-based aircraft operation process oriented towards index generation

3.1.2 舰载强约束下的舰载机指标架构论证

针对不同类型舰载机的使命任务，运用舰载机作业流程过程仿真手段，结合专家研讨分析，初步构建舰载机战术技术体系。主要内容包括：

1) 根据海上作战使用要求，提出飞行性能、飞行品质、机载系统、机载武器等作战使用性能要求。

2) 根据舰上滑跃/弹射起飞、拦阻着舰特点，提出机体传力结构与起落架的强度与刚度、机体寿命、小速度大迎角操稳性、发动机油门响应特性。

3) 针对舰载机着舰复飞概率高、远离陆地使用的特点，提出伙伴加/受油指标要求。

4) 针对母舰甲板狭小空间保障和调运需求，提出舰上“贮存、转运、起降、引导、维修、补给、保障”使用要求，在兼顾各型舰载机保障的约束下，构建一体化综合保障指标要求。

5) 针对海洋恶劣环境和舰面复杂电磁环境特点，提出可靠性、维修性、测试性、保障性和安全性，以及电磁兼容性指标要求，等等。

初步建立舰载机战术技术指标体系后，根据舰载使用的各种约束进行指标迭代寻优，其数学模型为

式中：X为舰载机的指标参数；E(X)为舰载机的作战效能；C(X)为舰载机的采购成本；M为舰载机的使命任务，是指标论证的顶层输入；T为经费约束；Rs和Ra分别为母舰和舰载机的约束。

典型的舰载战斗机战术技术指标总体架构如图4所示。

图4 典型的舰载战斗机战术技术指标架构Fig.4 Framework of tactical & technical indexes for typical carrier-based aircraft

3.2 舰机适配性要求论证

舰机适配性是指舰载机利用母舰特性、设施和装备进行舰上使用和活动的能力，主要包括舰载机在母舰上滑跃/弹射起飞、拦阻着舰、甲板操作、舰面维修等方面的要求。这是舰载机战术技术指标中最具特色的部分，是其区别于陆基飞机的最主要表征，具有以下鲜明特征：

1) 内容范围的广泛性。几乎包括母舰和舰载机上的所有构成元素。

2) 技术要求的兼容性。所有构成元素既要满足舰机适配性，又要同时满足各自的性能指标，增加了论证研究的复杂难度。

3) 接口标准的稳定性。技术标准是舰机适配性技术体系的基础，一旦确定标准的体制和接口规范，必须保持其相对稳定性。

4) 规定要求的继承性。舰机适配性要求的建立是一个反复推演、增量完善的过程，构成要素必须具有良好的继承性。

2011年美军在国防部《联合军种规范指南》JSSG-2011航空器/舰船综合集成(Air Vehicle/ Ship Integration)分册中，明确了由于使用舰载机而影响母舰设计的一系列独特要求，包括：航空甲板，飞机起飞、回收和控制，飞机保障、维修、存放、保养，光学和电子辅助着舰，任务规划和气象保障，以及飞机弹药、外挂物的存放、搬运和挂载等内容。JSSG(Joint Service Specification Guide)[37]是美国国防部就依照采办和标准化管理改革的需要，用于代替所有的航空系统和航空产品MIL填空规范和AFGS(Air Force Guide Specification)文件。其附录中的条款均与正文的条款相对应，并包含填写内容的理由和必要性、选用条件或限制条件，以及填写的经验数据及选取原则等3个方面内容，是以往在项目研制和生产中成功经验与失败教训的总结[38]。因此，可借鉴JSSG-2011规范内容，充实和完善舰机适配性要求。

图5给出了基于舰载机作业流程仿真结果和优化后的典型舰机适配性指标体系(节选)。

图5 舰机适配性要求指标体系(节选)Fig.5 Excerpts of carrier suitability index system

4 论证支持系统构建与应用举例

航母舰载机论证是一项涉及面广、综合性强的工作，贯穿于舰载机体系的全系统、全寿命管理过程。其工作的复杂性、艰巨性和渐进性，决定了必须将专家群体智慧、各种算法模型和数据与计算机技术有机结合，把各种学科理论与人的经验、知识结合起来，发挥整体优势去解决。基于前述的理论方法及算法模型，将商业成熟软件与自主开发的软件工具综合集成，构建了论证支持系统，并举简单案例说明应用过程。

4.1 面向专家群决策的论证支持系统

航母舰载机体系及指标论证支持系统从功能上分为体系规模结构生成、战术技术指标生成、体系作战效能评估三大部分。其中：

1) 体系规模结构生成部分主要完成需求获取/描述/分析/管理、体系结构建模设计，以及规模结构计算与优化等工作。

2) 战术技术指标生成部分主要完成作业流程仿真、指标体系综合研讨与生成、参数化建模以及多学科分析与优化等工作。

3) 体系作战效能评估主要完成典型作战想定编辑与试验设计、作战仿真推演、作战效能与作战能力评估等工作。

在论证支持系统架构设计上，针对航母舰载机体系复杂的特点，采用基于Web的B/S架构、面向服务的分层软件结构进行系统设计，包括网络层、数据资源层、抽象资源层、系统服务层和用户支持层等。这种分层结构软件应用系统是当前大型软件系统开发的先进模式。层与层之间的接口遵循统一标准，根据上层应用服务请求，调度下层服务及其相关应用系统资源，实现以事件为驱动的工作流和数据流运行。层内采用模块化设计，尽量减少模块之间的耦合，有效地提高系统运行的可靠性。由于采用分层结构和模块化设计，整个系统逻辑结构清晰，为应用系统融入了极大的开放性、可扩展性、可靠性和可维护性。

整个论证支持系统基于Web技术进行设计开发，可提高系统的易用性、可扩展性和可重用性，有效减少开发成本和时间，同时更好地满足面向指标体系论证的综合研讨需求。

系统的层次化体系结构如图6所示。

图6 面向专家群决策的论证支持系统层次化结构Fig.6 Hierarchical structure of demonstration support system oriented towards expert group decision making

航母舰载机体系及指标论证支持系统的特点是引入专家群决策，结合建模分析、知识与推理、系统仿真等定量分析方法，构成一个统一的、人机结合的智能系统和问题求解系统。在系统的帮助下，聚集跨领域的专家群体与研讨用户，以定性与定量相结合的方式，通过“人机分工、人机结合、人机协作”，实现复杂问题的求解过程。

需要指出的是，论证支持系统是辅助系统分析和论证人员开展装备发展研究的手段和工具，使论证群体的思维活动条理化、一体化、可视化和可追溯。在当前技术水平条件下，许多复杂问题还离不开人的智慧。因此，在论证过程中，一要坚持定性研究与定量计算相结合；二要坚持科学理论与经验知识相结合；三要坚持体系顶层设计与装备个体研究相结合。

4.2 应用举例

首先，将航母编队使命任务顶层需求文档导入需求管理工具DOORS。在此基础上，基于DoDAF2.0体系架构，运用基于动态场景的需求生成与分析方法和以数据为中心的体系结构建模与分析方法，以及作战想定生成工具和SA体系结构建模工具等软件，分析装备能力需求，完成航母舰载机多视图体系结构模型开发。

利用SA for DOORS Interface插件和DOORS管理功能，将作战需求与作战能力逐层分解，形成能力目录，实现作战能力需求描述的条目化、结构化、层次化、指标化，确保作战能力的完备性和作战需求一致性。

在专家研讨基础上，运用基于模糊关系变换的价值分析方法，以及Expert Choice[39]等决策支持工具，建立舰载机装备需求与任务需求之间的关系，将任务需求量化为装备需求。在SA中完成系统接口描述模型构建，形成由舰载战斗机、预警机、电子战飞机、反潜机、加油机、搜救机和运输机等典型舰载机装备体系。

利用规模结构生成工具测算规模数量需求，根据约束模式生成多个可能的配置方案。运用舰载机布列与调运分析工具拟制布列草案。基于作战想定生成工具得到的典型作战想定，开展作战过程推演，评估作战效能，优化舰载机比例数量配置方案。

在完成体系论证后，运用SA Simulator[40]与TAU[41]等工具软件，开展基于作业流程可执行性模型驱动的舰载机作战使用过程仿真，完成动态时序逻辑验证。基于舰载机舰上作战使用流程，运用战术技术指标生成工具和LINGO[42]等建模优化工具，梳理主要接口关系和技术指标要求。在专家研讨的基础上，完成各型舰载机主要战术技术指标的生成与评估优化。

最后，根据典型作战想定下的作战方案，通过基于CGF的作战仿真软件，对航母舰载机体系完成特定作战任务的作战过程进行仿真。运用作战效能评估软件评估分析舰载机相关作战能力和作战效能，评价其对顶层作战需求的满足程度。运用关键因素敏感性分析工具，分析影响舰载机体系作战能力和作战效能的关键因素，并经多轮迭代优化，形成战术技术指标与要求。

图7给出了舰载机装备体系与指标计算机辅助论证的典型流程。

图7 舰载机装备体系与指标论证典型流程Fig.7 Typical process for carrier-based aircraft equipment system-of-systems and index demonstration

5 结 论

按照理论、方法和应用3个层次，分析了航母舰载机论证的特点和关键环节；重点针对体系和指标的论证，提出了基于模糊关系变换理论的体系论证方法和母舰约束条件下基于舰载机作业流程仿真的指标分析方法；介绍了面向专家群决策的论证支持系统建设方案，以及航母舰载机体系与指标论证的典型工作过程。研究成果为航母舰载机体系及装备发展的科学论证提供了新思路、新方法和新手段。

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