舰载机回收决策指标分析与评估

赵祖星,张龙杰,李彦宽,李相民

(1.海军航空大学，山东 烟台 264001；2.烟台北方星空自控科技有限公司，山东 烟台 264001)

1 引言

舰载机在回收着舰的过程中，受到自然环境、空域结构、甲板状态、人机状态等条件的限制和影响，面临着跑道资源争用、空中滞留时间有限、突发情况多等因素的制约。因此，研究舰载机的回收着舰流程，制定出一种高效的回收策略将舰载机回收次序进行合理地调度和安排，对提高航母舰载机的回收能力和作战能力是非常有必要的。要建立一种安全、可行、高效、最优的回收策略，必须充分考虑环境条件、舰机状态、人员状态等各项影响舰载机回收流程的因素。

我国航母列装时间较晚，舰载机方向相关研究起步晚，故可参考国外相关领域研究。早在1998年，美军就将航空数据管理和控制系统(ADMACS)应用在航母上，通过大量外设实时监测舰载机和相关航空作业信息，为回收策略规划提供了重要的数据支撑。近年美军航母项目执行办公室和海军系统司令部委托AVW技术公司，对航母的作战能力进行了建模与仿真，并根据反馈结果进行优化调整。文献[3]针对美国等国家的典型实例做出了分析讨论，研究国外航母舰载机出动回收能力指标体系，讨论了回收能力的衡量指标和影响因素。

近年来，我国对舰载机出动回收等航空作业相关研究逐渐深入，文献[4]提出了一种针对动态飞机流的优化调度算法，考虑了回收流程中约束条件并引入了飞机优先级，同时针对复飞问题做出了讨论，该算法有效地减少了舰载机编队空中延误时间；文献[5]基于系统动力学理论建立了舰载机回收空中交通流量管理模型、存量流量图及运行方程，直观展示了舰载机回收流程；文献[6]针对舰载机降落时的排队特性及复飞的可能性，基于排队理论建立了2种反馈策略下舰载机回收作业的反馈排队模型，并给出了适用范围。这些文献对舰载机回收问题提供了不同的解决思路，但都着重考虑当前环境条件和舰机状态，缺少对指标趋势变化的预测和分析。本文选取合适的可预测指标，并根据此类指标建立一种趋势预测模型和优化方法，提供了一种新的用于舰载机回收调度策略的优化思路。

传统舰载机回收方法由着舰指挥官对返航编队进行排序回收，此种方法用于判定舰载机回收次序的指标较少、主观性较强，且人工算力较低仅可用于小机群编队排序，无法适用于大机群编队作战模式。本文对舰载机回收流程中各关键环节进行分析，选取影响回收优先度的排序指标并进行初步建模，建立起可用于计算机处理的评估指标体系，为大机群舰载机回收问题提供了一种更为科学合理的解决方案。

2 舰载机编队回收

2.1 舰载机编队回收流程

舰载机编队在返航时按回收顺序依次进入马歇尔航线等待盘旋，在可用时间区间内逐架着舰完成回收流程。舰载机编队回收模式如图1所示。可分为3个部分：等待、进近、着舰。

图1 舰载机典型回收模式示意图

当编队完成作战任务从活动空域返航时，首先和空中预警机进行沟通，获得着舰指示，根据预警机提供指示，或在无线电导航系统的引导下，沿预定航向返航至航母附近空域。编队进近至距离母舰后方处移交指挥权，进入回收过程。在距离母舰后方处，从高度开始，待回收舰载机以高度Δ差按马歇尔航线进入待机队列。进入待机队列舰载机按回收顺序依次从进近管制移交点脱出，并从高度为且距舰载机处的标准下滑点处按预定着舰方式进行着舰。

2.2 评估指标选定

选取影响舰载机回收模式和优先度的各种因素，并将其分为编队评价指标和单机评价指标。重点考虑航母附近空域气象状况和昼夜时间等环境因素、编队训练水平和甲板保障/出动作业状况作为编队评价指标，初步确定编队回收时间区间和回收点位置。考虑飞行员身体状态、舰载机战损状态、武器挂载状态、燃油状态以及到达距离等5个单机评价指标评估各机状态，用于确定各机回收时间区间并在优化回收顺序后，将各舰载机对应至各回收点进行回收。回收指标体系如图2所示。

图2 回收指标体系框图

图2中，编队评价指标从全局出发，选取了影响该编队回收模式的各项因素，依此可确定编队回收方式(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等3类)，并依甲板状态决定是否在回收序列穿插出动舰载机。单机评价指标则着重选取影响舰载机回收顺序的各项因素，决策时依据各机回收时状态，对回收序列进行优化处理。

2.3 决策制定流程

航母舰载机回收时环境条件复杂严苛，且可能存在逃逸复飞等特殊现象，整体流程意外性强、安全性低，在进行决策时要针对其特殊性进行具体分析，高效合适的回收策略可以有效减少编队回收时间，提高流程安全性和鲁棒性。根据舰载机着舰流程，结合选定的相关评估指标，构建用于编队回收着舰时的回收策略，具体流程如图3所示。

图3 回收策略流程框图

3 回收策略评估指标体系

3.1 编队评价指标

3.1.1 环境因素

舰载机着舰条件不同于陆基着陆飞机，航母甲板时刻保持动态状态，环境条件变化也会对回收流程产生影响，体现在以下方面：

1) 气象条件。风、雨和雾气变化均会造成不同程度干扰。

2) 昼夜条件。可见度在不同时间段有显著变化。

3) 地理位置。飞行员在熟悉、陌生地域飞行时心理状态不可避免会产生变化，地理位置变化会影响飞行员着舰成功率。

我军当前进近着舰程序依照舰航母周围气象条件、着舰航线和引导方式，以能见度为主要指标，将回收类型分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ等3类。3种回收类型下回收方式不同，外部环境条件也不同，故同一组舰载机编队在不同回收类型下总体回收成功率不同。

3.1.2 编队训练水平

(1)

在实战环境中的不同回收条件下，该指标模拟该舰载机编队首次着舰成功率，是生成回收模式的重要参考因素。

3.1.3 甲板条件约束

1) 保障作业。航空母舰甲板面积远小于陆基机场，机务保障人员需在有限空间和有限设备资源的情况下，对舰载机出动、回收进行精确引导，根据作战需求将舰载机转运、系留或停放至机库或甲板机位，完成航空燃料的补充和弹药武器的挂载等各项机务保障作业。在考虑甲板保障作业对舰载机起降策略约束时，可将其分为3种：任务时间约束、保障空间约束和甲板资源约束。

3.2 单机评价指标

3.2.1 飞行员状态

飞行员状态很大程度上影响舰载机回收成功概率，与民航飞行员降落过程条件不同，民航机场空域广阔且无干扰，极少有特殊情况出现。相较而言舰载机飞行员在执行作战任务时可能出现战伤情况，且真实作战环境多为陌生地域，故在整个作战流程中，飞行员精神需高度集中。为提高成功率和系统整体安全性，在制定舰载机回收策略时，需重点考虑飞行员状态变化。

飞行员的特性模型近似为：

(2)

式(2)中：为飞行员真实反应作用的时间常数；为飞行员增益；为飞行员超前时间常数；为飞行员滞后时间常数；为飞行员动作滞后时间常数。

根据飞行员状态确定的飞行员状态修正系数为：

=·+

(3)

式(3)中，、为历史回收经验拟出的修正参数。

3.2.2 舰载机状态

1)飞机战损状态。在实战环境下，舰载机执行作战任务后可能存在战损状态，因此，要将战损状态纳入指标体系中。通常以战损度来描述舰载机的战损状态，具体形式为：

(4)

式(4)中：为战损度，表征载机的损毁程度；表示第架舰载机完整度，=1,2,…,，60≤≤100。

取完整度为60～80，得到战损度—完整度的关系曲线，如图4。由图4可知，越小，舰载机战损状态越严重，且在可允许着舰完整度范围内越小，代表着舰优先级越高。当着舰指挥官评估出<60时，代表舰载机战损状态较为严重，无法完成着舰流程，此时需根据实际情况安排转为陆基降落。

图4 战损函数曲线

根据舰载机战损状态确定的舰载机状态修正系数为：

=·+

(5)

式(5)中，、为历史回收经验拟出的修正参数。

2) 挂载武器状态。舰载机回收时，机载武器状态会对母舰安全产生一定影响，因此回收过程中需要考虑机载武器状态、类型和数量，不同类型机载武器毁伤后造成威胁程度不同。

发射后导弹未离架、通电通气检查故障、机械故障等均属于机载武器状态异常，此时需根据特情处置方案决定是否回收该舰载机。若进行回收，则需安排保障人员进行特情处理；若评估出威胁度较大选择不进行回收，则该舰载机转为陆基降落，退出当前回收编队。

3.2.3 燃油状态

总体来说，燃油消耗量与舰载机滞空时间成正相关，但若想比较准确地刻画实际情况下的燃油消耗量，还需要添加许多修正因素。

根据燃油消耗率依时间变化可以积分算出燃油余量，用于建立舰载机可用回收点预测模型。同时需考虑副油箱挂载情况，若飞行员判断在某特殊条件下需要抛放副油箱的操作，则需要建立燃油余量的阶跃变化模型。

舰载机返航着舰时编队中舰载机汇报燃油余量，此时可根据各机运动状态建立剩余油量变化公式为：

(6)

式(6)中：为返航初始油量；为从返航时刻起算的舰载机飞行时间；为返航时刻；()为飞行速度函数；为大气温度；为飞行高度。

舰载机在滞空作战过程中时刻受到气象条件的影响，可根据经验公式模拟出舰载机在当前飞行速度、机动动作与飞行环境(高度和温度等气象条件)下的燃油消耗率。

1) 温度特征。已知燃料消耗率公式为：

(7)

式(7)中：为供油量；为空气系数；推力等于单位推力与空气流量的乘积。为：

=·

加给每公斤空气燃料，燃烧后实际放出热量为：

即

将和代入，得：

(8)

式(8)中：为加给每公斤空气的热量；为燃料的低热值；为放热系数，表示1 kg燃料不完全燃烧时放出的热量与燃料的低热值之比。

当外界大气温度升高时，和都要减小，由于减小对燃料消耗率的影响始终大于对燃料消耗率的影响，因此燃料消耗率增大。反之，外界大气温度降低时，燃料消耗率减小。理论计算表明，气温每降低5 ℃则续航时间增加1%；气温升高5 ℃则续航时间减少1%。

2) 高度特征。在飞行数和发动机转速保持不变的条件下，推力和燃料消耗率随飞行高度的规律变化，叫做高度特性，高度特性曲线如图5。

图5 高度燃油消耗率曲线

由图5可知，在11 000 m高度以下时，舰载机燃油消耗率随着高度的上升而减小；11 000 m以上至舰载机最高允许飞行高度时，高度升高但燃油消耗率基本保持不变。

燃油余量表征舰载机剩余续航时间，通过对燃油余量的趋势预测可以确定出舰载机着舰时间区间和可用回收点。综合高度、温度特性对燃油消耗率影响，可绘出三者关系曲线如图6；通过对不同高度条件下燃油消耗率对时间的积分运算，可绘出舰载机燃油余量变化如图7所示。

图6 高度-温度-燃油消耗率曲线

图7 高度-时间-剩余油量曲线

由图6、图7可知，高度越高、温度越低时燃油消耗率越低。为减少着舰决策阶段计算量，可提前算出在不同高度、温度特性下舰载机续航时间和油量变化趋势。

3.2.4 到达距离

在实际回收流程中，舰载机按固定航线进近着舰，在着舰航线各段飞行时舰载机运动状态相对固定，舰载机从进近管制移交点脱出后完成着舰流程所需时间可视为定值，故在计算各机到达距离时只需计算各机当前位置距航母管制移交点间距离。

设第架舰载机以()的速度从距航母管制移交点处返程，各机到达时间计算如下：

结合对各机到达时间和燃油余量的趋势预测，可规划各舰载机最早回收时间和可用回收点。

4 指标规范化处理

4.1 回收流程优化模型

制定回收策略的目的是提高回收效率、减少回收时间，定义各机延误时间为舰载机预计回收着舰时刻()与实际情况下按回收策略分配回收时刻()之差，即：

=()-()

预计回收着舰时刻()计算方法为：

(9)

式(9)中：为最大飞行速度；为远航飞行速度。

本文以所有舰载机延误时间的平方和最小构建目标函数，即

燃油余量及到达距离2项单机指标均为关于时间的函数，在进行处理时将其归一化为各舰载机可用着舰时段。

(10)

甲板保障出动作业对回收作业不产生约束时，每架舰载机从马歇尔航线脱出完成着舰流程近似相同。为确保后机在回收时不会被前机尾流影响，2架相邻舰载机回收时间间隔需大于安全回收时间间隔。若甲板保障出动作业对回收作业产生约束时，则根据实际情况对回收点时间间隔进行修正，确保其满足约束条件：

(11)

(12)

式(12)中，为趋势预测动态变化指标，用于确定正常回收点和逃逸复飞回收点。若舰载机状态或飞行员状态较差时，随时间推移逐渐降低。

逃逸复飞回收点依概率设置，即累积回收架舰载机后，存在一架需要回收的舰载机的概率超过风险概率时，设立一个逃逸复飞回收点。确定回收点类型和位置后，结合单机优化指标对舰载机回收顺序进行优化排序，即可制定出最优回收策略。

4.2 编队指标处理

舰载机编队返航时需首先确定航母附近空域环境条件，并按Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类回收流程进行回收准备，结合舰载机编队在不同回收类型下的首次着舰成功率，确定该编队用于正常回收及逃逸复飞的回收点数量。

当前我军航母无法同时完成起降操作，故需考虑在进行回收作业时是否要穿插进行出动作业。在保障回收舰载机安全情况下，可根据实际作战任务需求调整出动、回收作业的优先顺序。

4.3 单机指标处理

当舰载机剩余油量处于允许着舰重量范围内时(不考虑空中加油等特殊情况)，优先回收剩余油量较少舰载机，防止等待时间过长导致剩余油量过少，无法满足着舰失败后的逃逸复飞需求。

对返航舰载机队列进行回收时，队列中各舰载机向航空管制塔台反馈人机状态，塔台根据反馈数据对回收序列进行初排序。引入舰载机与航母距离作为优化指标，若状态舰载机距离航母较远，到达航母时间较长，足够完成状态较好舰载机的回收任务，则优先回收状态较好的若干架舰载机；若不足以完成对状态较好舰载机的回收任务，则优先回收状态较差舰载机。

回收舰载机时应从以下2方面充分考虑飞行员状态变化：经验状况及战伤状态。当舰载机飞行员健康状况良好时，优先回收着舰成功率较高飞行员，防止出现着舰失败情况，导致后续队列无法回收；当飞行员出现战伤状态时则根据实际情况转为陆基降落或安排优先回收。

在评估舰载机状态时综合考虑战损状态和挂载武器状态等2项风险指标指标。挂载武器状态和战损状态较好的舰载机风险值较低，在进行回收决策时应优先考虑，其目的为防止状态较差舰载机降落失败后对着舰环境造成更大破坏导致无法回收后续队列。第1编队各舰载机状态如表1所示。

表1 第1编队各舰载机状态

4.4 仿真计算

设计2种不同着舰条件下的待回收舰载机编队，如表2所示。

第1编队评价指标较好，编队训练水平为优秀，故各机首次着舰成功率也会相应较高；第2编队回收环境恶劣，且编队训练水平为良好，故各机首次着舰成功率较第1编队偏低，回收时需根据实际情况在回收流程中添加更多复飞点。

统计日常回收环境条件下某次训练数据如表2所示，以第1编队舰载机编队为仿真案例计算回收区间。

表2 2组舰载机编队回收条件想定

假设=600 kg，=1 600 kg，=2 000 kg/h，=300 km/h，=800 km/h，由4.1节内容可计算出该编队舰载机可用回收时间区间，如表3所示。

表3 各舰载机可用回收时间区间

第1组舰载机在回收时不存在甲板保障/出动作业约束，首次着舰成功率高，故回收策略中可安排较少回收点和复飞点便可完成回收；第2组舰载机回收时甲板拥挤，在保证安全前提下,可根据实际作战需求，选择优先出动执行作战任务舰载机或优先回收舰载机。若出现特殊情况，导致舰载机燃油余量不足，则可进行人工干预，将无法满足着舰需求的舰载机进行空中加油操作或转为陆基降落。

5 结论

构建评估指标体系是形成大机群舰载机回收策略中十分重要的一环，优秀的指标体系要从舰载机回收流程中的关键环节出发，选出切实影响舰载机回收模式和回收顺序的相关指标。本文将选出的关键指标分为编队指标及单机指标2类，对部分指标进行建模和趋势预测。通过编队指标初步确定出编队回收时间区间，结合单机指标进行回收次序优化后，将各机对应至回收点进行回收的决策思路，取代传统舰载机回收时完全依靠人工排序的方法，形成由计算机处理、人工辅助调整的更为科学合理的解决方法。

本文建立了舰载机回收策略优化指标体系，为制定舰载机回收策略提供了一种更为科学合理思路，且具有实际应用价值。但需要注意的是，舰载机回收策略的制定不能一味参考相关指标，计算机排序可作为舰载机回收的辅助手段，但特殊情况下仍需着舰指挥官根据实时状况随机应变调整。