面向型号设计的直升机生存力评价方法初探

徐 明，李 黔

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

统计数据表明，生存力增加1%，战斗有效性就增加26%，因此增强生存力是提高飞行器作战效能的重要途径。现代军用直升机为了保证飞行员安全与战时出动率，需要全面提升生存力。其典型案例是2002年俄罗斯一架米26运输直升机被车臣武装击中坠毁，由于缺乏生存力措施，机上147人死亡118人。因此，未来的直升机型号设计中，生存力设计将会处于越来越重要的地位。

基于提高飞行器生存力的需求，美国建立了生存力联合技术协调组、易损性缩减小组、敏感性减缩小组、生存力评估小组、联合防空杀伤力服务机构、联合鉴定支持活动(JASA)，形成了从数据收集到设计指导，再到鉴定测评的完整的生存力评价体系。我国固定翼飞机也制定了专门的飞机生存力标准规范GJB 1301-1991《飞机生存力大纲的指导和实施》[1]，而直升机的生存力只有GJB720.8A-2012《军用直升机强度规范 第8部分：结构生存力》[2]，以及一部已经废止使用的GJB 3696-1999《军用直升机生存力要求》[3]，存在完整性不足，实施困难等问题。

基于此，本文从直升机生存力的易损性、敏感性出发，对直升机的隐身能力、驾驶舱、油箱等关键部件的抗打击能力建立评估方法，并且依据潜在的武器威胁评估结果，指导直升机型号设计中的生存力设计。

1 直升机生存力建模

参考固定翼飞机生存力的表达方法，直升机的生存力可以表示为PS，是由直升机的敏感性与易损性组成，可表示成：

PS=1-PdPhPk

(1)

式中，Pd为被威胁对象(雷达)发现的概率，Ph为被威胁对象(导弹、火箭弹)击中的概率，Pk为被威胁对象(弹体破片)杀伤的概率。

1.1 直升机敏感性分析

直升机的敏感性主要取决于敌方探测系统、武器跟踪系统的性能，以及直升机自身的可探测性和机动能力，具体表现为直升机被发现的概率和被击中的概率。

1.1.1 发现概率计算模型

对于一定的雷达系统，当虚警率一定时，其在距离上对某一目标的发现概率不变，即假设雷达虚警概率为Pfa0，对于距离为R0、RCS为σ0的目标，可检测信噪比为D0，雷达发现目标的概率为Pd0，那对于距离为R处、RCS为σ的目标，目标信噪比D和雷达发现概率Pd为[4]：

(2)

(3)

1.1.2 击中概率计算模型

对于威胁武器(导弹、火箭弹)，当其脱靶距离关于目标瞄准点为圆对称分布时，武器击中直升机的概率为[4]：

(4)

式中，Ap为直升机易损部位的迎击面积，σr为威胁武器脱靶距离的圆标准差，表示威胁体跟踪和截击目标的能力。脱靶距离不仅仅取决于威胁系统的火控/制导精度，而且也取决于跟踪雷达系统的跟踪精度，其计算公式为[5]：

(5)

式中，c1、c2、c3为常数，Rave=0.619R。

1.2 直升机易损性分析

直升机的易损性是指直升机在给定击中条件下的被杀伤概率，因此本文只考虑直升机的损伤概率，不考虑直升机紧急着陆后的抗坠毁性。为了提高直升机的易损性，可以在关键部位加装装甲，或者将关键设备布置在结构框梁内侧，形成阻挡保护。

对于加装防弹装甲、燃油自密封、框梁保护等措施，本文统一以等效靶厚度hd表示[6]，设hi和qi分别为材料的厚度和强度极限，则不同材料转换为强度极限为qd的某种材料的等效靶厚度可以表示为：

hd=hiqi/qd

(6)

假设武器爆炸后所有破片的打击直升机时的速度大小、方向相同，且方向垂直于部件表面，根据动能杀伤准则[6]，致命性部件i表面受单个武器破片打击后的杀伤概率Pki为：

(7)

式中的eb为致命伤部件表面的撞击比动能，计算公式为：

(8)

式中，m为单个破片质量，S=Km2/3为破片平均迎风面积，K为破片形状系数，υd为破片的击中速度，计算公式如下：

(9)

式中，CD为破片阻力系数，ρa为当地空气密度，υ0为武器破片爆炸后的初速度，计算公式如下：

(10)

武器爆炸后会形成N个破片，其中能击中直升机的破片数量为n0，计算公式如式(11)：

(11)

式中，φmin、φmax为破片静态前、后缘扩散角，υm为武器飞行速度。

根据破片对致命伤部件表面的杀伤准则，第j个致命伤部件表面受到n0片破片击中后的被杀伤概率为：

(12)

某直升机的关键部件有m个，则整个直升机的被杀伤概率为：

(13)

2 案例研究

本文以美国AH-64攻击直升机和CH-53运输直升机为算例，应用已经建立的模型对直升机的驾驶舱、燃油箱、垂尾等关键部件进行评估，从易损性、敏感性方面评估其采用生存力提升措施(驾驶舱防弹、燃油防爆)后的设计效果(不考虑电子自卫措施)。首先选择某型空空导弹、便携式火箭弹、航空火箭弹作为两型直升机的潜在威胁对象，3款武器的基本性能指标如表1所示。

表1 威胁来源的基本性能

AH-64攻击直升机采用串列式驾驶舱布局，燃油箱布置在机身腹部，在生存力提升设计中，驾驶舱可增加防护装甲(等效靶厚度增加30mm)，燃油箱采用了自密封设计(等效靶厚度增加5mm)，采用本文模型，对比分析生存力提升前后的杀伤概率，计算结果如表2所示。

表2 AH-64直升机生存力评估结果

在生存力提升设计过程中，CH-53运输直升机在机身前部布置了防弹装甲(等效靶厚度增加30mm)，机身中部油箱选装了防爆组件(等效靶厚度增加5mm)，该型机加装相关保护装置前后的生存力评估结果如表3所示。

表3 CH-53直升机生存力评估结果

从表2、表3可以看出，防弹装甲、燃油防爆装置可以降低直升机被敌方武器杀伤的概率，但对整个直升机的生存力提升有限，特别是对于航空导弹当量的爆炸性武器，基本不能产生保护性效果。

由于直升机的雷达反射截面较大，其被雷达发现、锁定的概率较高，即使加装了防护装置，对整个生存力的影响相对较小，因此在增加防弹装甲的同时，加装电子自卫系统、实施隐身设计可以进一步提升直升机的生存力，这也是未来提升直升机战场生存力的主要改进方向。

3 结束语

以模拟直升机真实使用情况为背景，本文从敏感性和易损性两方面建立了直升机生存力数值评估方法，通过算例分析，验证了该方法的正确性与可行性，为直升机型号设计中的生存力评估提供了方法与量化依据。