基于任务的舰载无人直升机作战效能分析

李 淯，徐玉貌

(中国直升机设计研究所，江西 景德镇 333001)

0 引言

随着航空科技的发展和军事需求的推动，使用舰载无人直升机进行常规或非常规作战成为一个重要趋势。而且随着其智能化程度的提升，舰载无人直升机对未来陆海空作战体系的影响将日益增大。因此，研究舰载无人直升机作战效能对未来舰载无人直升机的论证和研制有着重要意义。

首先，研究作战效能需构建一整套作战效能评估体系。考虑到舰载无人直升机与有人直升机相比不考虑人的因素，从而可以挖掘出更大的作战潜能。且其智能化水平、数据链能力和态势感知能力对于作战效能更为重要。因此，需要针对这些不同点，建立舰载无人直升机作战效能评估体系。由于舰载无人直升机在不同的作战环境下执行不同类型任务所能发挥出的作战效能不同，故评估舰载无人直升机的作战效能要基于任务，根据作战使命分配不同任务权重来综合评估作战效能。

本文采用ADC模型构建效能体系，并用TOPSISI法(客观赋权法)和层次分析法(主观赋权法)确定权重，灵活使用线性加权法和非线性加权法进行信息聚合，将某有人直升机改装为舰载无人直升机的方案,与美军MQ-8B数据代入基于任务构建的作战效能评估体系进行计算。通过计算对比某舰载无人直升机设计方案与美军MQ-8B无人直升机的作战效能，再进行参数敏感性分析，以指导该方案的优化改进。

1 舰载无人直升机作战效能指标体系

效能体系采用业界公认的由美国工业武器系统效能咨询委员会提出的ADC模型。舰载无人直升机作战效能主要包含任务能力C、可用度A和可靠性D三个指标[2]。

作战效能E可以表达为：

E=A×D×C

(1)

1.1 可用度

可用度是用来描述舰载无人直升机在开始执行任务时的状态，可以理解为舰载无人直升机总数量中随时可以执行任务的数量与总数的比值。可用度通过理论计算难以获得准确数值，故参考统计数据[2],2009-2010年期间，UH-60机队在美国陆军中的可用度为0.743，而在保障能力略逊的美国国民警卫队中的可用度为0.450。充分考虑舰载无人直升机的维护保障能力和环境适应性距成熟机型有差距，因此本文对可用度取值为A=0.6。

1.2 可靠性

可靠性是舰载无人直升机在任务开始时，在规定的任务剖面中的任一随机时刻，能够完成规定任务的能力。可靠性主要与平均故障间隔时间(MTBF)和任务飞行时间有关。舰载无人直升机执行任务主要以航线巡航飞行为主，可靠性可以表达为[2]:

(2)

式中，MTBF是平均无故障时间；tc为续航时间；tt为出航时间，即舰载无人直升机从起飞到开始执行任务所需时间。

1.3 任务能力

任务能力是舰载无人直升机在执行对海探测、对岸探测、雷达侦察、通信侦察、毁伤评估、通信中继、对面攻击等任务的时候，自身携带任务载荷完成任务的能力。

执行这些任务需要评估舰载无人直升机的任务载荷能力、飞行能力、突防能力、探测能力、信息传输能力、导航能力、环境适应能力、火力打击能力中的部分或全部，具体见表1。因此需要对这些能力指标做出较为全面的分析。任务能力评估指标体系如图1所示。

表1 需求关系

任务能力C计算模型利用线性加权法，其计算公式为：

(3)

式中，wi为各子任务能力的权重，Ci为各子任务能力数值。

各子任务能力计算模型利用非线性的模型进行综合评价，其计算公式为：

(4)

Nj为表1中完成某任务所需考量的舰载无人直升机能力，如任务载荷能力、飞行能力和突防能力，δj为某项能力的权重。

图1 任务能力评估指标体系

2 权重确定方法

本文分别采用客观赋权法(逼近理想点法)和主观赋权法(层次分析法)得到指标权重，再根据主客观实际占比，获取指标综合权重。评估模型技术路线如图2所示。

图2 评估模型技术路线图

3 主要能力计算公式

3.1 任务载荷能力

任务载荷能力可以理解为舰载无人直升机为了执行特定任务携带必须载荷的平台飞行能力。为了简化，选取轻任务载荷和重任务载荷两种状态来进行进一步计算评估。

(5)

式中，N1指某任务载荷远载能力；w1j为该能力项的权重；N11，N12，N13计算公式如下：

1)远载能力[5]

N11=M·R

(6)

式中，N11指某任务载荷远载能力，M指任务载荷重量，R为最大飞行半径。

2)久载能力[5]

N12=M·T

(7)

式中，N12指某任务载荷久载能力，M指任务载荷重量，T为对应的最大航时。

3) 速载能力[5]

N13=M·V

(8)

式中，N13指某任务载荷速载能力，M指任务载荷重量，V为对应的最大巡航速度。

4)载荷效率[5]

(9)

式中，N14指某任务载荷效率，Pmc为最大连续功率。

3.2 探测能力计算方法

舰载无人直升机的探测能力计算模型如下式：

(10)

(11)

式中，最大探测距离Rm；同时探测跟踪目标批次数n；扫描方位角度范围θs(度)和扫描俯仰角度范围θF；雷达分辨率系数la(取0～1)；K为雷达体质系数(圆锥扫描雷达取0.6，单脉冲雷达取0.7，脉冲多普勒雷达取0.8～1.0，合成孔径雷达取0.9～1.0)。

(12)

式中，成像距离Rm；扫描方位角度范围θS(度)和扫描俯仰角度范围θF；成像面积系数ASAR(取0～1)；成像分辨率系数la(取0～1)。

(13)

式中，RIR为最大探测距离；PIR为探测设备分辨率系数(360P以下取0.3，480P取0.5～0.8，720P取0.7～0.9，1080P取0.9～1)；n为最大探测跟踪目标批次；扫描方位角度范围θS(度)；扫描俯仰角度范围θF(度)。

(14)

式中，REO为最大探测距离；PEO为探测设备分辨率系数(360P以下取0.3，480P取0.5～0.8，720P取0.8～0.9，1080P取0.9～1)；n为最大探测跟踪目标批次；扫描方位角度范围θS(度)；扫描俯仰角度范围θF(度)。

3.3 信息传输能力

数据链实现地面(舰面)控制站与舰载无人直升机之间的数据收发和跟踪定位。信息传输能力计算模型如下式：

N3=0.5Nu+0.5Nd

(15)

数据上行与下行传输性能计算公式如下：

(16)

(17)

式中，L为(视距传输，km)作用距离，Ru(kbps)为数据上行传输速率，Rd(Mbps)为数据下行传输速率，Td(ms)为传输延迟，β为抗干扰能力，10dB以内取0.5，10～20dB取0.5～0.7，20dB以上取0.7～1。

3.4 火力打击能力

火力打击能力计算模型如下：

N4=η1·N重导+η2·N轻导+η3·N火箭

(18)

其中，η1、η2、η3是权重系数，N重导是重型空面导弹的能力，N轻导是轻型空面导弹的能力，N火箭是机载制导火箭弹的能力。

重型/轻型空面导弹能力计算公式[6]：

(19)

式中，DS为射程，Mmax为导弹速度马赫数，K为制导方式，按其对导弹制导的有效程度取值。有线指令为0.70，无线指令为0.80，波束制导为0.9，全自动寻的为1.00，GD为战斗部重量，n为导弹数量。

机载制导火箭弹能力计算公式为[6]：

(20)

式中，Df为有效射程，Mmax为火箭速度，AS为精度，GD为战斗部重量，n为火箭弹数量。

4 算例及分析

4.1 作战效能计算

将某舰载无人直升机方案与美军MQ-8B舰载无人直升机的数据进行标准化处理后通过本文建立的作战效能评估体系及方法进行计算，得出任务能力如表2所示。再根据表2绘制出柱状图，对比两型机任务能力，如图3所示。

表2 任务能力计算结果

图3 任务能力对比

通过本文确定权重方法可得出各任务能力在综合评估任务能力时所占的权重，如表3所示。

表3 任务能力权重

计算出任务能力后结合可用度与可靠性计算出作战效能，如表4。

表4 作战效能计算

对该任务内各任务能力进行敏感性分析得出如图4结果。

图4 任务能力敏感性图

将图4中对任务能力影响最大的前四个能力进一步做敏感性分析得出如图5结果。

图5 任务指标敏感性图

4.2 效能影响因素分析

1)在对海探测、对岸探测、毁伤评估、通信中继和对面攻击这五个任务上，对海探测和对面攻击任务所占权重较大，二者合计占任务能力结果的60.7%。

2)随着指标值增大，突防能力和任务载荷能力对任务能力影响更大，因此应着重提高此两项能力。分析此两项指标计算公式，进一步可得出图5的结果。可以看出，对作战效能影响最大的因素是RCS、红外特征和巡航速度。故应着重降低该型机RCS和红外特征，进一步提高巡航速度。

3)某方案作战效能比MQ-8B高约1%，其中可靠性高9.64%，任务效能低8.03%，较高的可靠性弥补了任务能力欠佳的弱点。

5 结论

本文建立了一套基于任务的舰载无人直升机作战效能的评估方法，计算了某方案和MQ-8B无人直升机的作战效能，分析了作战效能的影响因素，并得出以下结论：

1)众多任务中，执行对海探测和对面攻击这两个任务的能力的重要性占比过半，应着重提高此两项任务相关的平台能力和任务设备能力。

2)可靠性对作战效能的影响至关重要，某方案采取在有人直升机上进行改装，并较多使用其它型号的成熟部件，对比新研，保证了较高的可靠性，作战效能更佳。

3)除了提高可靠性，增强舰载无人直升机的作战效能首先应提高其雷达和红外隐身能力，其次提高最大巡航速度。