董彥非，屈高敏，王　超

（1.西安航空學(xué)院飛行器學(xué)院，西安　710077；2.南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌　330063）

無人攻擊機(jī)生存力評(píng)估方法*

董彥非1，屈高敏2?，王超2

（1.西安航空學(xué)院飛行器學(xué)院，西安710077；2.南昌航空大學(xué)飛行器工程學(xué)院，南昌330063）

首先介紹了無人攻擊機(jī)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，然后闡述了無人攻擊機(jī)的特點(diǎn)，分析了與生存力密切相關(guān)的各分項(xiàng)能力之間的關(guān)系，提出了一種建立無人攻擊機(jī)生存力評(píng)估的綜合指數(shù)模型；同時(shí)確定了模型中各分項(xiàng)能力的評(píng)估模型。最后以6種無人攻擊機(jī)的生存力評(píng)估為例計(jì)算并檢驗(yàn)了模型的可用性。

無人作戰(zhàn)飛機(jī)，生存力，綜合指數(shù)模型

0　引言

無人攻擊機(jī)作為無人作戰(zhàn)飛機(jī)（UCAV）中一類主要承擔(dān)對(duì)地攻擊任務(wù)的武器系統(tǒng)，近年來得到了廣泛關(guān)注，發(fā)展迅速。成為當(dāng)前和未來空中作戰(zhàn)的主力武器裝備之一。人在環(huán)的無人作戰(zhàn)模式將成為未來空中作戰(zhàn)的重要模式［1-5］。

近年來，歐美等航空發(fā)達(dá)國家在無人攻擊機(jī)方面都取得了很大進(jìn)展。2011年，美國諾斯羅普·格魯門公司研發(fā)X-47B和波音公司研發(fā)的“幽靈射線”無人機(jī)成功進(jìn)行了首飛。2012年，以法國為首的歐洲6國聯(lián)合研制的“神經(jīng)元”無人作戰(zhàn)飛機(jī)成功首飛。2013年，英國研制的“雷神”無人作戰(zhàn)飛機(jī)也成功進(jìn)行了首飛。美軍更是在最近的幾場局部戰(zhàn)爭和反恐行動(dòng)中大量使用無人攻擊機(jī)，取得了令人矚目的作戰(zhàn)效果［6-7］。

我國在無人作戰(zhàn)飛機(jī)方面也開展了大量研究。2013年11月21日，“利劍”隱身無人攻擊機(jī)成功實(shí)現(xiàn)首飛，標(biāo)志著我國正式進(jìn)入無人機(jī)研發(fā)領(lǐng)域的世界先進(jìn)行列。2014年11月的珠海航展上展出了多種型號(hào)國產(chǎn)對(duì)地攻擊型無人機(jī)，有的型號(hào)還成功實(shí)現(xiàn)外銷。

無人攻擊機(jī)本身與有人駕駛攻擊機(jī)相比，無論在組成、結(jié)構(gòu)，還是在作戰(zhàn)使用上都有自己的特點(diǎn)，相應(yīng)地，對(duì)其進(jìn)行生存力評(píng)估也需要在充分考慮各種因素的基礎(chǔ)上建立合理的數(shù)學(xué)模型。

1　無人攻擊機(jī)特點(diǎn)

無人攻擊機(jī)主要包括空中攻擊平臺(tái)、機(jī)載武器、飛控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈、發(fā)射回收系統(tǒng)和電源系統(tǒng)等部分。在生存力評(píng)估中，不考慮地面站等輔助系統(tǒng)。與有人機(jī)和其他類型無人機(jī)相比，無人攻擊機(jī)具有以下特點(diǎn)：

1.1突出的隱身性能

與有人作戰(zhàn)飛機(jī)相比，無人攻擊機(jī)沒有飛行員座艙和儀表盤這些主要的雷達(dá)信號(hào)反射源，在隱身化設(shè)計(jì)上具有先天優(yōu)勢(shì)。目前國內(nèi)外在研的多型無人攻擊機(jī)都不約而同地采用了無尾飛翼布局設(shè)計(jì)。這樣既減少了結(jié)構(gòu)重量和阻力，又降低了雷達(dá)反射截面（RCS）。例如，X-47B還采取了一系列隱身措施：采用無尾飛翼布局、蛇形發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道和特殊設(shè)計(jì)的尾噴管，優(yōu)化了飛機(jī)前/后緣，提高了背部圓滑性，采用了吸波材料和整體式符合材料結(jié)構(gòu)，消除了蒙皮鉚接對(duì)隱身性能的不利影響，顯著降低了雷達(dá)散射截面和紅外信號(hào)特征。據(jù)專家測算，X-47B的雷達(dá)散射截面大致相當(dāng)于F-22戰(zhàn)斗機(jī)的1/3。

無人攻擊機(jī)沒有座艙，非必要時(shí)采用被動(dòng)探測雷達(dá)，選擇高隱身進(jìn)/排氣系統(tǒng)（如吸波結(jié)構(gòu)制成的雙S彎進(jìn)氣道、大S彎二元噴管等），飛機(jī)的三大雷達(dá)散射源（座艙、雷達(dá)艙、進(jìn)排氣管道）的雷達(dá)散射得以消除或有效抑制。

無人攻擊機(jī)可以綜合采用外形隱身、材料隱身和隱身通信等技術(shù)，極大改善雷達(dá)隱身性能，使其RCS較有人機(jī)的低一個(gè)量級(jí)。RCS減小為原來的1/10，雷達(dá)作用距離將減小為原來的45%。雷達(dá)隱身性能的提高，極大地降低UCAV被發(fā)現(xiàn)、被跟蹤概率以及被導(dǎo)彈擊中的概率，從而大幅度地提高其生存力。

此外，機(jī)載電子對(duì)抗設(shè)備可以提高無人機(jī)的隱身能力。

1.2對(duì)數(shù)據(jù)鏈要求高

隨著無人機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)使用中對(duì)人的依賴會(huì)越來越小，但是，對(duì)數(shù)據(jù)鏈的要求一直很高。數(shù)據(jù)鏈用于保證對(duì)遙控指令的準(zhǔn)確傳輸，以及空中作戰(zhàn)平臺(tái)接收發(fā)送信息的實(shí)時(shí)性和可靠性，以使信息反饋及時(shí)有效，同時(shí)，保證空中作戰(zhàn)平臺(tái)順利、及時(shí)而準(zhǔn)確地完成攻擊作戰(zhàn)任務(wù)。

在無人機(jī)的研制和升級(jí)改裝中，各國都在致力于為其配備更先進(jìn)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和戰(zhàn)術(shù)信息收發(fā)系統(tǒng)，使無人機(jī)具備更強(qiáng)的信息獲取分類處理與傳遞能力。

無人攻擊機(jī)作為未來信息化戰(zhàn)爭的一種直接作戰(zhàn)武器裝備，需要在空-天-地（海）一體化信息網(wǎng)絡(luò)的支持下實(shí)施作戰(zhàn)，這就需要一個(gè)可靠性、帶寬、抗干擾和互用性要求更高的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)必須實(shí)現(xiàn)時(shí)空一致的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)信息管理、傳輸與控制。

1.3自主水平對(duì)生存力有重要影響

當(dāng)前，無人攻擊機(jī)的自主水平和自動(dòng)識(shí)別技術(shù)還很低，靈活性和適應(yīng)能力較差，主要還靠地面“飛行員”操控，導(dǎo)致其作戰(zhàn)的時(shí)效性和安全性等方面受到很大限制。

無人攻擊機(jī)未來的發(fā)展方向應(yīng)該是逐步減少人的參與程度，最終實(shí)現(xiàn)自主實(shí)施攻擊任務(wù)。因此，無人攻擊機(jī)需具備與執(zhí)行任務(wù)相匹配的智能控制和決策能力，如自動(dòng)識(shí)別、任務(wù)規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)決策、智能控制和管理、信息對(duì)抗、突防火控、航路再規(guī)劃等系統(tǒng)。

在遇到突發(fā)事件和信息鏈路中斷時(shí)，無人攻擊機(jī)應(yīng)能自動(dòng)轉(zhuǎn)成完全自主控制，增強(qiáng)任務(wù)完成率和生存力。

1.4大過載機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)

無人攻擊機(jī)沒有駕駛員，其使用過載可以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過有人機(jī)的潛力。充分利用其大過載機(jī)動(dòng)性能，可明顯提高其生存力。

在眾多的UCAV的研究中，具有大過載的UCAV一直是研究的熱點(diǎn)之一。美國海軍研究局于20世紀(jì)90年代提出了一種無人的、可重復(fù)使用的半自主的UCAV——高機(jī)動(dòng)殺傷飛行器（HMLV），集高機(jī)動(dòng)能力、自主目標(biāo)識(shí)別和自主決策能力、強(qiáng)抗干擾的數(shù)據(jù)鏈能力、可攜帶小型化精確制導(dǎo)武器的能力于一身。HMLV戰(zhàn)術(shù)使用研究結(jié)果表明，采用一定的戰(zhàn)術(shù)規(guī)避策略，具有15 g～20 g機(jī)動(dòng)過載（加速速率不小于25 g/s）的UCAV能比較有效地規(guī)避包括先進(jìn)的紅外導(dǎo)彈在內(nèi)的對(duì)空導(dǎo)彈的攻擊。

1.5作戰(zhàn)環(huán)境更加復(fù)雜

UCAV主要對(duì)敵重要軍事目標(biāo)實(shí)施偵察、監(jiān)視和打擊。其可以攜帶雷達(dá)、通信干擾機(jī)對(duì)敵雷達(dá)、通信和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備實(shí)施干擾。但是，現(xiàn)代戰(zhàn)場空域中電磁環(huán)境復(fù)雜，加之天氣形勢(shì)復(fù)雜，各戰(zhàn)區(qū)的地形地貌不同，構(gòu)成了無人機(jī)作戰(zhàn)的復(fù)雜環(huán)境。另外地面防空武器配備，從各型的防空高炮到地空導(dǎo)彈加上敵防空殲擊機(jī)，使無人機(jī)的作戰(zhàn)進(jìn)入了一個(gè)敵對(duì)環(huán)境的立體空間。

根據(jù)以上特點(diǎn)，無人攻擊機(jī)生存力評(píng)估可以考慮構(gòu)建基于各能力之間相關(guān)性的加權(quán)和模型。該模型中要注重各分項(xiàng)能力及參數(shù)的相關(guān)性處理；隱身、數(shù)據(jù)鏈和自主化程度需要重點(diǎn)考慮。

2　無人攻擊機(jī)生存力評(píng)估模型

目前常用的戰(zhàn)斗機(jī)生存力評(píng)估方法通常將生存力分為敏感性和易損性兩部分，各部分又有相應(yīng)的分項(xiàng)能力和參數(shù)，分別計(jì)算后綜合成整機(jī)生存力［8-9］。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，待評(píng)估機(jī)型的數(shù)據(jù)尤其是易損性相關(guān)數(shù)據(jù)可能難以收集或者準(zhǔn)確度不高。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無人攻擊機(jī)的生存力評(píng)估，可以選用在戰(zhàn)場對(duì)抗環(huán)境中對(duì)生存力起關(guān)鍵作用的能力和參數(shù)進(jìn)行評(píng)估。包括：雷達(dá)隱身能力、紅外隱身能力、電子對(duì)抗能力、智能化水平、數(shù)據(jù)鏈能力、機(jī)動(dòng)能力、無人機(jī)尺寸參數(shù)等。

分析無人攻擊機(jī)特點(diǎn)和作戰(zhàn)使用可知，電子對(duì)抗能力和雷達(dá)隱身能力相關(guān)，智能化水平與數(shù)據(jù)鏈能力相關(guān)，而紅外隱身能力、機(jī)動(dòng)能力、無人機(jī)尺寸參數(shù)等與以上能力無相關(guān)性。由此，建立無人攻擊機(jī)生存力Sur的數(shù)學(xué)模型為：

式中，RCS（m2）指迎頭或尾后方位120°左右之內(nèi)的對(duì)應(yīng)3 cm波長雷達(dá)的平均值；εe為電子對(duì)抗能力系數(shù)；In為紅外隱身能力；ACL為無人機(jī)的自主化等級(jí)；Mane為機(jī)動(dòng)能力；DL為數(shù)據(jù)鏈能力；S為機(jī)翼面積（m2），Lall為飛機(jī)全長（不含空速管的長度，m）。

式（1）中各參數(shù)上邊的“-”號(hào)表示進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理（以下同），并以此值作為該項(xiàng)指標(biāo)的指數(shù)值。標(biāo)準(zhǔn)化可以采用非線性S型可導(dǎo)函數(shù)歸一法［10-13］。

2.1紅外隱身能力

紅外隱身能力是通過對(duì)比實(shí)施隱身技術(shù)前后目標(biāo)的紅外輻射特性，分析和判斷隱身技術(shù)的具體實(shí)施效果。

紅外制導(dǎo)和紅外成像制導(dǎo)武器對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤主要依據(jù)目標(biāo)與背景的紅外輻射對(duì)比特性及其成像特征來實(shí)現(xiàn)。為描述目標(biāo)與背景輻射的差別，引入輻射對(duì)比度這個(gè)參數(shù)。對(duì)于點(diǎn)源目標(biāo)，輻射對(duì)比度定義如下［15］：式中，C為目標(biāo)與背景的對(duì)比度；IT，IB分別為目標(biāo)和背景的紅外輻射強(qiáng)度。C越小目標(biāo)的紅外隱身效果越好。

2.2數(shù)據(jù)鏈能力

數(shù)據(jù)鏈能力是對(duì)平時(shí)和戰(zhàn)時(shí)運(yùn)用環(huán)境條件下，數(shù)據(jù)鏈發(fā)揮的戰(zhàn)術(shù)信息采集、數(shù)據(jù)處理能力的度量；或者說是衡量數(shù)據(jù)鏈將規(guī)定的戰(zhàn)術(shù)信息，在規(guī)定的時(shí)間按照規(guī)定的收發(fā)規(guī)則，以規(guī)定的信息格式發(fā)送到規(guī)定的地方，并采用規(guī)定的算法在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)處理的能力。數(shù)據(jù)鏈性能可以由節(jié)點(diǎn)連通性、有效網(wǎng)絡(luò)容量、時(shí)效指標(biāo)最終體現(xiàn)。

式中，nr為接收節(jié)點(diǎn)數(shù)目；nt為發(fā)送節(jié)點(diǎn)數(shù)目；Mt為節(jié)點(diǎn)發(fā)送的消息；Mr為節(jié)點(diǎn)接收的消息；Qeff為有效數(shù)據(jù)傳輸速率；tp為單位傳播時(shí)間；pi為第i條信息傳遞的時(shí)效性的度量。

2.3無人自主化水平

按照2000年美國海軍研究辦公室和美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室共同定義的自主控制等級(jí)（Autonomous Control Level，ACL）的10個(gè)等級(jí)［3，6］，制定衡量無人機(jī)自主化的水平。

表1　無人機(jī)的自主控制等級(jí)

分析美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室定義的無人機(jī)自主控制能力的10個(gè)等級(jí)，可將其分為3類：

單機(jī)自主：1級(jí)（遙引導(dǎo)）、2級(jí)（實(shí)時(shí)故障診斷）、3級(jí)（故障自修復(fù)和飛行環(huán)境自適應(yīng)）和4級(jí)（機(jī)載航路重規(guī)劃）。

多級(jí)自主：5級(jí)（多級(jí)協(xié)調(diào)）、6級(jí)（多級(jí)戰(zhàn)術(shù)重規(guī)劃）和7級(jí)（多機(jī)戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)）。

機(jī)群自主：8級(jí)（分布式控制）、9級(jí)（機(jī)群戰(zhàn)略目標(biāo)）和10級(jí)（全自主集群）。

由于本文研究的是單機(jī)的生存能力，因此，ACL的取值范圍為1～4。

2.4機(jī)動(dòng)能力

機(jī)動(dòng)能力的計(jì)算模型為：

式中，εc是操縱效能系數(shù)；B為機(jī)動(dòng)性參數(shù)，機(jī)動(dòng)性參數(shù)B的計(jì)算公式為：

其中，SEP為最大平飛單位重量剩余功率，nycir為最大穩(wěn)定盤旋過載為飛機(jī)的最大可用加力推力比飛機(jī)正常起飛重量所得的推重比（代表加速性能），Ma為飛機(jī)最大巡航飛行馬赫數(shù)，ω為飛機(jī)最大瞬時(shí)轉(zhuǎn)彎角速度。

操縱效能系數(shù)εc、電子對(duì)抗能力系數(shù)εe以及其他未說明的參數(shù)取值方法均可參考文獻(xiàn)［10-14］，并根據(jù)實(shí)踐合理修正。

3　算例與分析

設(shè)有6種型號(hào)無人攻擊機(jī)（U1，…，U6），其基本參數(shù)如表2所示（在同樣背景紅外強(qiáng)度下評(píng)估，IB均為100w/Sr）。

首先根據(jù)各分項(xiàng)能力模型計(jì)算出各分項(xiàng)能力指標(biāo)；然后對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理；最后根據(jù)式（1）得出這6種型號(hào)無人攻擊機(jī)生存力，分項(xiàng)能力和生存力計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　無人攻擊機(jī)生存力計(jì)算評(píng)估結(jié)果

從評(píng)估結(jié)果可以看出，U1、U3的生存力值較高，U4、U5次之，U2、U6的最低。評(píng)估結(jié)果較好反映了不同機(jī)型生存力的差別。

專門采用隱身材料來增加隱身功能的U1、U3、U4、U5，在雷達(dá)隱身能力與紅外隱身能力這一項(xiàng)的指標(biāo)值較高；設(shè)計(jì)尺寸較大的U1、U3的尺寸指標(biāo)值顯示較低，由于尺寸越大，無人機(jī)易受到攻擊，而U2、U3、U5的尺寸較小，不易受到打擊；但是由于U1、U3數(shù)據(jù)傳輸能力強(qiáng)大、機(jī)動(dòng)靈活且自主性強(qiáng)，因此，在眾多機(jī)型中，生存力評(píng)估較高，特別是U1采用更先進(jìn)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)和戰(zhàn)術(shù)信息收發(fā)系統(tǒng)使得U1的生存力略高于U3。雖然U6的尺寸性能參數(shù)不及U2的高，但擁有較大的盤旋過載使得其機(jī)動(dòng)性能較高，加載的機(jī)載電子對(duì)抗設(shè)備使得雷達(dá)紅外隱身能力較高，致使U6的生存力比U2略高。因U4采用較先進(jìn)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)及自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，使得無人機(jī)的生存力高于U5。

4　結(jié)論

（1）無人攻擊機(jī)生存力評(píng)估的綜合指數(shù)模型較好地處理了戰(zhàn)場生存力相關(guān)各子系統(tǒng)、分系統(tǒng)能力之間的關(guān)系，經(jīng)計(jì)算驗(yàn)證，模型合理、可行，符合作戰(zhàn)規(guī)律和數(shù)學(xué)原理。

（2）綜合指數(shù)模型提供了合理的構(gòu)建無人攻擊機(jī)生存力評(píng)估的思想和模型。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用該建模思想，綜合考慮具體可獲得的生存力中各項(xiàng)數(shù)據(jù)情況，并結(jié)合參數(shù)敏感性分析以及課題任務(wù)等因素合理調(diào)整具體的數(shù)學(xué)模型。

（3）文中給出的無人攻擊機(jī)生存力估算數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果僅用于數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證，結(jié)果僅供參考。

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Study of Survivability Assessment Method for Unmanned Combat Aerial Vehicle

DONG Yan-fei1，QUGao-min2?，WANGChao2
（1.Aircraft School，Xi’an Aeronautical University，Xi’an 710077，China；2.Aircraft Engineering School，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China）

The development status and trends of domestic and foreign unmanned combat aerial vehicle are introduced firstly，and the characteristics of unmanned attack aircraft are described.Then the relationship between the various sub items of the close correlation with the survivability is analyzed. A synthesized Index model for the survivability evaluation of the unmanned attack machine is proposed，and the evaluation model of each sub item ability in the model is also determined.Finally，the survivability of 6 unmanned combat aerial vehicle is evaluated，and the survivability of themodel is checked.

unmanned combataerialvehicle，survivability，synthesized Indexmodel

V271.4；E926

A

1002-0640（2016）08-0028-05

2015-05-18

2015-08-07

航空科學(xué)基金（2011ZA56001）；江西省研究生創(chuàng)新專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目（YC2014-S396）

董彥非（1970-），男，河南開封人，副教授，博士（后）。研究方向：航空武器系統(tǒng)仿真與效能評(píng)估。

屈高敏（?1990-），女，研究生。研究方向：飛行器仿真與效能評(píng)估。