劉東，吳家仁，周一舟，劉振祥，李瑜，王銘澤

1. 航空工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所，沈陽(yáng) 110035

2. 中國(guó)航空綜合技術(shù)研究所，北京 100028

艦載機(jī)是海軍航空兵作戰(zhàn)裝備核心力量，世界海軍強(qiáng)國(guó)如美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、俄羅斯等都高度重視艦載航空裝備的發(fā)展，目前仍在役的國(guó)外艦載機(jī)主要包括美國(guó)F/A-18系列、F-35C、E-2系列，法國(guó)陣風(fēng)，俄羅斯蘇-33、米格29K等。

美軍航母使用經(jīng)驗(yàn)豐富，裝備體系不斷發(fā)展，以“福特”級(jí)為例，可搭載多種艦載機(jī)，且相比上一代“尼米茲”級(jí)航母，具備更高的艦載機(jī)出動(dòng)能力，高峰出動(dòng)架次率目標(biāo)值可達(dá)310架次/天[1]。美軍在艦載機(jī)研制過(guò)程中，高度重視裝備保障設(shè)計(jì)，F(xiàn)-35聯(lián)合使用要求文件中規(guī)定了6個(gè)決定項(xiàng)目成敗的關(guān)鍵性能指標(biāo)，有3個(gè)與保障性有關(guān)，即出動(dòng)架次率、任務(wù)可靠性和后勤保障規(guī)模[2]。建立統(tǒng)一的研制規(guī)范編制指南，制定了聯(lián)合軍兵種規(guī)范指南(JSSG)，為美軍航空裝備、分系統(tǒng)、設(shè)備或組件要求制定和驗(yàn)證提供了規(guī)范依據(jù)，為各型艦載機(jī)規(guī)范要求提供了標(biāo)準(zhǔn)化的依據(jù)。建立自動(dòng)化維修環(huán)境(AME)，在海軍原有信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上建立一體化維修與后勤保障系統(tǒng)，利用機(jī)上診斷、自動(dòng)識(shí)別技術(shù)、信息網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域的先進(jìn)信息技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海軍飛機(jī)維修和后勤過(guò)程的重建和簡(jiǎn)化[3]。采用通用化、系列化、組合化技術(shù)，減少設(shè)備、零部件備件的種類和數(shù)量，降低保障規(guī)模。推行兩級(jí)維修體制，簡(jiǎn)化維修機(jī)構(gòu)，提高維修效率。

艦載機(jī)因?yàn)槊媾R的作戰(zhàn)使命任務(wù)、使用環(huán)境條件與岸基飛機(jī)有較大差異，所以綜合保障工作的主要任務(wù)、技術(shù)方法和要解決的主要問(wèn)題也有較強(qiáng)的特殊性。

艦載機(jī)通常遠(yuǎn)離本土隨航母編隊(duì)前出遂行作戰(zhàn)任務(wù)，裝備種類結(jié)構(gòu)上要求自成體系，包含艦載戰(zhàn)斗機(jī)、預(yù)警機(jī)、直升機(jī)及其他特種飛機(jī)，以美軍“福特”級(jí)航母為例，根據(jù)具體任務(wù)組成航空編隊(duì)，可搭載75架以上的飛機(jī)，包括F-35戰(zhàn)斗機(jī)、F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)、EA-18G“咆哮者”電子戰(zhàn)飛機(jī)、E-2D“鷹眼”預(yù)警機(jī)、MH-60R/S“海鷹”直升機(jī)和J-UCAS無(wú)人機(jī)[4]?；诤侥钙脚_(tái)多機(jī)種編隊(duì)出動(dòng)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，具有強(qiáng)烈的體系作戰(zhàn)特征。艦載機(jī)機(jī)型種類多、保障工作復(fù)雜強(qiáng)度大，受艦上空間及資源條件限制，保障壓力大，如果無(wú)法保持戰(zhàn)備完好，將嚴(yán)重影響作戰(zhàn)能力，因此必須開(kāi)展多機(jī)種保障一體化論證[5]，從頂層設(shè)計(jì)角度提出一體化要求、開(kāi)展一體化保障設(shè)計(jì)工作。

美國(guó)海軍位于帕特森河海軍航空站的美軍航空系統(tǒng)司令部(NAVAIR)通用航空設(shè)備項(xiàng)目辦公室負(fù)責(zé)多型艦載機(jī)通用保障設(shè)備研制管理，從2000年開(kāi)始專門針對(duì)航空地面保障設(shè)備的采辦啟動(dòng)了PMA260項(xiàng)目。PMA260項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)以推進(jìn)各型飛機(jī)開(kāi)展以可靠性為中心的維修(RCM)分析工作為抓手，在推進(jìn)現(xiàn)有設(shè)備升級(jí)的同時(shí)，重點(diǎn)解決保障設(shè)備通用化、小型化、綜合化等問(wèn)題，大幅減少了現(xiàn)有保障設(shè)備數(shù)量，部分成果如圖1所示。

圖1 美國(guó)海軍PMA260項(xiàng)目部分成果Fig.1 Partial achievements of US Navy PMA260 project

相對(duì)岸基飛機(jī)，艦載機(jī)數(shù)量受航母搭載能力約束，波次出動(dòng)飛機(jī)數(shù)量總體有限，為達(dá)成作戰(zhàn)目標(biāo)，需滿足更高任務(wù)可靠性要求，如美軍F-35C相對(duì)F-35A飛機(jī)在任務(wù)成功概率方面要求更高[2]。另外，艦載機(jī)著艦過(guò)程被譽(yù)為“刀尖上的舞蹈”，危險(xiǎn)性極大，美國(guó)剛剛發(fā)展航母時(shí)，平均每2天損失1架飛機(jī)，犧牲了1 000多名飛行員，彈射著艦過(guò)程中武器掉落也有發(fā)生，因此對(duì)安全性要求更高。但艦載機(jī)質(zhì)量指標(biāo)約束性極強(qiáng)，不能簡(jiǎn)單地靠增加系統(tǒng)余度提高安全性和任務(wù)可靠性，需要基于模型開(kāi)展與系統(tǒng)功能性能一體化的可靠性、安全性設(shè)計(jì)分析，優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)。艦載機(jī)以航母為平臺(tái)載體在全球海域服役作戰(zhàn)，熱帶遠(yuǎn)洋海區(qū)常年處于高溫、高濕、高鹽霧、高紫外線環(huán)境條件下，再加上艦面酸性大氣條件，其面臨的使用環(huán)境非常惡劣，更需要加強(qiáng)腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)。

艦載機(jī)與航母之間存在大量保障接口，需要與航母平臺(tái)開(kāi)展協(xié)同適配設(shè)計(jì)，以獲得最優(yōu)保障效率。航母作為海上機(jī)動(dòng)平臺(tái)，遇到高海況環(huán)境，在艦體縱搖、橫搖和升沉運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，海上保障作業(yè)困難，任務(wù)交叉協(xié)同難；航行期間吊裝難；飛行密集檢查難；修后調(diào)試驗(yàn)證難；海上防腐清洗難；條件受限搶修難；遠(yuǎn)離海岸支援難[6]。因此必須在艦載機(jī)總體布局設(shè)計(jì)、維修性設(shè)計(jì)分析、維修作業(yè)分析、保障資源研制過(guò)程中加以綜合考慮。

艦載機(jī)艦面保障依托航母航空保障系統(tǒng)實(shí)施，主要包括指揮管理、任務(wù)規(guī)劃、維修支援、調(diào)運(yùn)、彈射攔阻偏流板、著艦引導(dǎo)、武器保障、電源供氣和其他輔助系統(tǒng)，上述系統(tǒng)在滿足各型艦載機(jī)需求前提下，應(yīng)該盡量通用化。

現(xiàn)代艦載機(jī)是高技術(shù)含量的信息化裝備，信息化保障是必然需求。而航母遠(yuǎn)離岸基支援體系實(shí)施作戰(zhàn)，更需要在機(jī)載故障診斷、故障預(yù)測(cè)及健康管理方面具備較強(qiáng)能力，并在岸艦一體化保障信息環(huán)境支撐下實(shí)施維修保障活動(dòng)。

本文結(jié)合工程實(shí)際闡述了艦載機(jī)多機(jī)種一體化保障技術(shù)實(shí)踐方法，艦載機(jī)多機(jī)種一體化保障工作以航母作戰(zhàn)使命任務(wù)為牽引，開(kāi)展“作戰(zhàn)需求-保障能力需求-裝備保障需求”的逐級(jí)論證，基于初始保障方案迭代更新裝備需求，多型艦載機(jī)考慮艦面約束的條件協(xié)同開(kāi)展保障方案制定，統(tǒng)一/減少保障需求，實(shí)踐基于模型的可靠性/安全性分析、機(jī)艦適配的艦載機(jī)維修性設(shè)計(jì)、面向全壽命周期的艦載機(jī)腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)、艦載機(jī)保障系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)方法，將一體化保障工作貫穿至型號(hào)的研制流程中，從流程上解決艦載機(jī)多機(jī)種保障資源通用化程度低的問(wèn)題，降低艦基保障規(guī)模。綜合對(duì)新作戰(zhàn)概念、保障發(fā)展需求的研究，提出后續(xù)艦載航空裝備的新保障模式及技術(shù)特征，希望為艦載航空裝備保障技術(shù)發(fā)展提供一些啟示。

1 艦載機(jī)多機(jī)種保障一體化論證

1.1 保障指標(biāo)綜合論證

艦載機(jī)在航母上的能力需求主要包括戰(zhàn)備完好性需求、出動(dòng)強(qiáng)度需求和能力保持需求。戰(zhàn)備完好性需求是對(duì)艦載機(jī)在航母上的戰(zhàn)備保持程度提出要求，一般可以用機(jī)群飛機(jī)的完好率進(jìn)行定義。出動(dòng)強(qiáng)度需求主要是根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)想定，提出不同機(jī)型的出動(dòng)架次率需求。能力保持需求主要是對(duì)航母出航期間飛機(jī)滿足規(guī)定的完好率時(shí)間進(jìn)行約束。美國(guó)海軍將艦載機(jī)的出動(dòng)能力作為衡量航母作戰(zhàn)能力的基本要求之一[7]，是最能體現(xiàn)航母作戰(zhàn)能力的要求，在指標(biāo)論證和要求分解方面，目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)出動(dòng)架次率的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了廣泛研究，文獻(xiàn)[8-10]針對(duì)出動(dòng)回收提出了仿真方法，文獻(xiàn)[11]提出以最大化艦載機(jī)防御態(tài)勢(shì)和最小化部署偏差為目標(biāo)，構(gòu)建了航母作戰(zhàn)部署進(jìn)程中的艦載機(jī)出動(dòng)架次規(guī)劃模型，文獻(xiàn)[12]提出了基于系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)(System Dynamics，SD)的建模法，對(duì)艦載機(jī)出動(dòng)回收過(guò)程進(jìn)行建模分析。上述研究主要從艦載機(jī)出動(dòng)回收過(guò)程開(kāi)展研究和探討，對(duì)過(guò)程中影響出動(dòng)的因素進(jìn)行了分析，但是對(duì)多型艦載機(jī)在出動(dòng)中的協(xié)調(diào)性未進(jìn)行深入探討。而航母出航期間艦載機(jī)編隊(duì)出動(dòng)能力才是核心能力，只有各型艦載機(jī)均達(dá)到要求，才能協(xié)同完成航母編隊(duì)的作戰(zhàn)目標(biāo)，否則將出現(xiàn)能力“短板”。某一型艦載機(jī)出動(dòng)架次率不足將會(huì)影響到整個(gè)編隊(duì)執(zhí)行任務(wù)的成功率。所以應(yīng)該按照至頂向下的方法，從“作戰(zhàn)需求-能力需求-裝備需求”開(kāi)展逐級(jí)論證和分解，將航母編隊(duì)艦載機(jī)出動(dòng)能力需求最終落實(shí)到具體裝備的指標(biāo)上[5]，在此過(guò)程中促進(jìn)各型機(jī)之間的能力協(xié)調(diào)和匹配，最終使裝備作戰(zhàn)需求得到滿足。

根據(jù)航母艦載機(jī)編隊(duì)出動(dòng)能力要求，自上而下分解各艦載機(jī)的保障能力需求，各型艦載機(jī)需依據(jù)分解的能力開(kāi)展設(shè)計(jì)才能保證一體化保障目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。各型機(jī)保障特性要求之間具備關(guān)聯(lián)性，其分解的思路需要先將作戰(zhàn)需求轉(zhuǎn)化為保障能力需求，再采用公式解析法依據(jù)構(gòu)建的基準(zhǔn)比較系統(tǒng)或現(xiàn)役型號(hào)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分解，最后利用保障建模仿真方法迭代評(píng)估，擇優(yōu)選擇可行解集。將公式解析法和仿真方法綜合運(yùn)用，可以促進(jìn)分解結(jié)果快速收斂，保證設(shè)計(jì)可行性，指標(biāo)要求分解流程如圖2所示。

圖2 指標(biāo)要求分解流程Fig.2 Indicator requirement decomposition process

首先根據(jù)任務(wù)想定確定各型艦載機(jī)的保障能力需求。根據(jù)作戰(zhàn)需要一般可分為兩種基本的組織指揮方式[13]：一種是連續(xù)出動(dòng)方式，另一種是分波出動(dòng)方式。以分波出動(dòng)方式為例，以戰(zhàn)斗機(jī)、預(yù)警機(jī)、電子戰(zhàn)飛機(jī)、反潛直升機(jī)、勤務(wù)直升機(jī)5型飛機(jī)組成出動(dòng)編隊(duì)，構(gòu)建編隊(duì)波次出動(dòng)任務(wù)剖面，如圖3所示，可統(tǒng)計(jì)得到各型飛機(jī)累計(jì)出動(dòng)架次及在編飛機(jī)數(shù)量，分別確定出動(dòng)架次率要求。

圖3 艦載機(jī)編隊(duì)波次出動(dòng)剖面Fig.3 Waveform section of carrier-based aircraft formation

根據(jù)出動(dòng)架次率要求再結(jié)合使用可用度要求，應(yīng)用GJB 1909A—2009中給出的綜合參數(shù)公式，在型號(hào)論證、研制各階段可以對(duì)各型艦載機(jī)保障指標(biāo)從上至下逐層進(jìn)行分解直至外場(chǎng)可更換單元(LRU)。通過(guò)指標(biāo)的分解確保了各型艦載機(jī)保障特性指標(biāo)間的匹配。

利用解析法分解的保障特性指標(biāo)存在利用平均值代替隨機(jī)過(guò)程值的問(wèn)題，例如維修時(shí)間采用的是預(yù)防性維修的平均值，后勤保障延誤時(shí)間采用的是外場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)的假設(shè)值。未能詳細(xì)考慮維修隨機(jī)過(guò)程和過(guò)程中的延誤問(wèn)題等因素。采用基于蒙特卡羅的事件仿真方法，通過(guò)對(duì)修復(fù)性維修事件、預(yù)防性維修事件、備件等供應(yīng)品的管理延誤，保障信息系統(tǒng)決策的管理延誤進(jìn)行隨機(jī)過(guò)程仿真，對(duì)解析法分解的保障特性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)優(yōu)化，能夠提升保障特性要求分解的精度。

1.2 保障方案一體化論證

各型艦載機(jī)保障方案應(yīng)考慮艦上空間約束，與航母研制過(guò)程反復(fù)權(quán)衡論證，使用和維修保障方案也應(yīng)充分考慮多機(jī)型之間的協(xié)同，以保證使用和維修規(guī)劃活動(dòng)的匹配，保障設(shè)施應(yīng)提供滿足各型機(jī)出動(dòng)準(zhǔn)備保障需求的資源數(shù)量和同時(shí)保障的需求，且同一站位保障應(yīng)盡量滿足多型飛機(jī)的保障需求。維修所用設(shè)施應(yīng)盡可能通用，減少占用空間，油液化驗(yàn)、任務(wù)支援等設(shè)施應(yīng)盡量集中，減少設(shè)備配備，便于管理。保障設(shè)備/工具應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)通用化、小型化、輕量化設(shè)計(jì)，以減少艦面空間的占用，部署在同一設(shè)施內(nèi)的保障設(shè)備應(yīng)盡量通用，以縮減空間需求。備件/消耗品應(yīng)盡可能統(tǒng)一規(guī)劃，縮減貯存規(guī)模并應(yīng)盡可能與航母使用的消耗品通用。艦面勤務(wù)人員應(yīng)實(shí)現(xiàn)通用化，可保障多型艦載機(jī)。具體要求分解框架如圖4所示。

2 基于模型的可靠性、安全性分析

隨著艦載機(jī)等裝備系統(tǒng)綜合化程度和復(fù)雜性的提升，傳統(tǒng)可靠性、安全性相關(guān)工作方法逐漸暴露出一定問(wèn)題，主要包括：

1) 缺乏集成化的可靠性、安全性技術(shù)體系。目前航空裝備的可靠性、安全性工作均有相關(guān)的國(guó)軍標(biāo)指導(dǎo)，但基本還是自成體系，缺乏一條有效的技術(shù)思路進(jìn)行整合和串聯(lián)。

2) 可靠性、安全性需求定義不夠清晰，與設(shè)計(jì)關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。目前型號(hào)研制提出的定量化概率統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，如平均故障間隔時(shí)間、任務(wù)可靠度等，無(wú)法直接與系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)、架構(gòu)設(shè)計(jì)、物理設(shè)計(jì)等關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素進(jìn)行關(guān)聯(lián)，難以真正對(duì)設(shè)計(jì)形成約束力。

3) 可靠性、安全性設(shè)計(jì)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)的協(xié)同性不高。大量的可靠性、安全性設(shè)計(jì)工作與模型相關(guān)，且建模工作量相對(duì)較大，與系統(tǒng)設(shè)計(jì)模型的關(guān)聯(lián)程度不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多種模型的轉(zhuǎn)化和追溯關(guān)聯(lián)，給設(shè)計(jì)人員帶來(lái)極大的工作負(fù)擔(dān)，無(wú)法開(kāi)展同步的設(shè)計(jì)權(quán)衡工作。

為更好解決上述問(wèn)題，在艦載機(jī)研制過(guò)程中開(kāi)始逐步引入和應(yīng)用基于模型的系統(tǒng)工程方法論，同時(shí)并行開(kāi)展基于模型的可靠性、安全性分析應(yīng)用技術(shù)研究，并在驗(yàn)證整項(xiàng)技術(shù)工程適用性的同時(shí)形成工程指導(dǎo)文件，為后續(xù)全面開(kāi)展裝備數(shù)字化研制提供支撐。針對(duì)圖5“V”字左側(cè)的方案設(shè)計(jì)過(guò)程，目前主要策劃并開(kāi)展的工作包括：

圖5 基于模型的通用質(zhì)量特性設(shè)計(jì)分析集成活動(dòng)Fig.5 Integration of general quality characteristic design and analysis activities based on model

1) 面向任務(wù)場(chǎng)景的整機(jī)級(jí)可靠性、安全性需求分析

構(gòu)建基于模型的系統(tǒng)工程(MBSE)用例與活動(dòng)場(chǎng)景模型，以影響裝備飛行安全、任務(wù)執(zhí)行的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)為目標(biāo)，細(xì)化識(shí)別整機(jī)級(jí)關(guān)鍵功能故障模式、特殊風(fēng)險(xiǎn)事件、環(huán)境影響要素等，并進(jìn)一步開(kāi)展基于風(fēng)險(xiǎn)優(yōu)先因子(RPN)的風(fēng)險(xiǎn)控制權(quán)衡決策[14]，明確各風(fēng)險(xiǎn)因素的控制措施，形成整機(jī)級(jí)可靠性、安全性需求，如圖6所示。

圖6 面向功能故障的可靠性/安全性需求分析實(shí)施路徑Fig.6 Implementation path for reliability and security requirement analysis of function failure

2) 面向系統(tǒng)架構(gòu)的故障綜合建模與故障樹分析(FTA)

以機(jī)載系統(tǒng)MBSE模型為輸入，通過(guò)關(guān)鍵模型要素解析與提取、故障模式與傳播路徑綜合建模、模型轉(zhuǎn)換與集成等一系列技術(shù)過(guò)程形成典型機(jī)載系統(tǒng)故障邏輯模型，并以武器發(fā)射過(guò)程為對(duì)象開(kāi)展基于模型的FTA集成分析應(yīng)用，全面識(shí)別并定位導(dǎo)致如武器意外掉落、武器無(wú)法發(fā)射等典型安全、任務(wù)關(guān)鍵功能失效的故障原因，如圖7所示。

圖7 基于MBSE的FTA集成分析實(shí)施路徑Fig.7 Implementation path of FTA integration analysis based on MBSE

3) 基于模型的典型機(jī)載系統(tǒng)安全性、任務(wù)可靠性分析評(píng)估

針對(duì)任務(wù)系統(tǒng)功能優(yōu)先級(jí)配置、通用資源調(diào)度等動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性，開(kāi)展基于AltaRica語(yǔ)言的系統(tǒng)動(dòng)靜態(tài)集成建模[15]，在有效表征系統(tǒng)動(dòng)態(tài)重構(gòu)策略的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)故障序列、任務(wù)可靠度的分析與評(píng)估；針對(duì)機(jī)電系統(tǒng)在彈射起飛、著艦過(guò)程中出現(xiàn)由于性能降級(jí)或環(huán)境影響導(dǎo)致的著艦點(diǎn)偏差等安全性性能要求，開(kāi)展關(guān)鍵系統(tǒng)性能與故障集成建模，通過(guò)性能仿真分析關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)(彈射力、摩擦力、推力、控制參數(shù)、油液壓力等)改變、敏感參數(shù)(傳感器增益等)變化及環(huán)境(甲板運(yùn)動(dòng)、風(fēng)速等)變化等對(duì)飛機(jī)下沉量、姿態(tài)、著艦軌跡、著艦點(diǎn)偏差等性能精度的影響，評(píng)估艦載機(jī)彈射起飛、著艦安全性?；谛阅苣Ｐ偷陌踩苑治鲈u(píng)估實(shí)施路徑如圖8所示。

圖8 基于性能模型的安全性分析評(píng)估實(shí)施路徑Fig.8 Implementation path of security analysis and evaluation based on performance model

通過(guò)目前工程實(shí)踐，構(gòu)建了以故障控制為主線、以模型為驅(qū)動(dòng)的功能性能與可靠性/安全性協(xié)同工作流程，突破了基于SysML模型的FTA分析、基于Modelica模型的故障集成建模等關(guān)鍵技術(shù)，打通了裝備正向設(shè)計(jì)與可靠性/安全性模型集成應(yīng)用壁壘，形成了可靠性/安全性需求分析、面向功能性能設(shè)計(jì)的故障集成建模、基于模型的典型機(jī)載系統(tǒng)任務(wù)可靠性/安全性分析等MBSE研制模式下的通用質(zhì)量特性工程應(yīng)用能力、軟件配套工具與指導(dǎo)文件?，F(xiàn)階段的工程實(shí)踐成果從技術(shù)完整性與工程可用性角度看仍存在不足：① 在技術(shù)理論層面，需進(jìn)一步開(kāi)展測(cè)試性、保障性、維修性專業(yè)特性技術(shù)研究，諸如基于MBSE的系統(tǒng)級(jí)診斷方案設(shè)計(jì)、基于模型的應(yīng)急處置程序分析等，完善整體技術(shù)框架體系。② 在工程應(yīng)用層面，一方面應(yīng)加快基礎(chǔ)應(yīng)用軟件的配套建設(shè)，打通各工具之間的業(yè)務(wù)流與數(shù)據(jù)流；另一方面需進(jìn)一步完善數(shù)字化管控機(jī)制與配套條件建設(shè)，包括模型質(zhì)量審查準(zhǔn)則、模型版本管理、數(shù)字化審簽流程等，形成完備的數(shù)字化工作平臺(tái)，滿足裝備全面開(kāi)展基于MBSE正向研制的數(shù)字化環(huán)境要求。

3 機(jī)艦適配的艦載機(jī)維修性設(shè)計(jì)

3.1 艦載機(jī)典型維修性需求特征

與陸基飛機(jī)相比，艦載機(jī)維修性水平不但要求高，如F/A-18的發(fā)動(dòng)機(jī)更換時(shí)間指標(biāo)為21 min(4人)[3]，而且受到艦船維修條件約束，其維修性需求具有明顯的差異化特征，主要包括：

1) 快速出動(dòng)準(zhǔn)備需求。極高的出動(dòng)準(zhǔn)備能力來(lái)自于艦載飛機(jī)的作戰(zhàn)需求，F(xiàn)/A-18在設(shè)計(jì)時(shí)要求再次出動(dòng)準(zhǔn)備時(shí)間低至15 min。因此艦載機(jī)的加油、掛彈等機(jī)務(wù)準(zhǔn)備活動(dòng)需要高效、可靠且能夠避免人為差錯(cuò)。

2) 維修作業(yè)空間約束。航母寶貴的空間資源優(yōu)先用于飛機(jī)的艦上排布，因此，無(wú)論是在停機(jī)位還是維修區(qū)，其面積和高度都是飛機(jī)維修性設(shè)計(jì)的約束。而傳統(tǒng)的維修工效設(shè)計(jì)主要關(guān)注維護(hù)點(diǎn)的局部空間需求，艦載機(jī)維修性設(shè)計(jì)則應(yīng)將空間約束擴(kuò)展到與艦船的幾何適配范圍上。

3) 保障接口布局約束。主要是與艦面設(shè)施對(duì)接的硬件接口，艦載機(jī)在保障接口布局時(shí)不但要考慮艦上固定設(shè)施位置等一般約束，還要考慮出動(dòng)準(zhǔn)備效率、并行工作交叉干涉、飛機(jī)突出舷外停放等問(wèn)題，限制條件多且布局優(yōu)化空間受限。

4) 艦船運(yùn)動(dòng)條件約束。海況條件除了對(duì)飛行產(chǎn)生影響，也影響著艦載機(jī)維修作業(yè)工作的開(kāi)展[6]，表1[16]為福萊斯特級(jí)航母的甲板運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在這種運(yùn)動(dòng)條件下開(kāi)展飛機(jī)復(fù)雜維修作業(yè)不但效率極低，而且存在嚴(yán)重安全隱患。艦載機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與艦船在保障適配方面確定限制維修的運(yùn)動(dòng)條件，同時(shí)需在維修性設(shè)計(jì)上采取相應(yīng)措施滿足維修時(shí)間與維修安全要求。

表1 福萊斯特級(jí)航母(78 000 kg)的甲板運(yùn)動(dòng)參數(shù)[16]

5) 腐蝕防護(hù)控制需求。復(fù)雜的海洋環(huán)境對(duì)艦載機(jī)的“三防”要求極高，同時(shí)要求鋁合金等易腐蝕金屬構(gòu)件具有最佳的易檢性與可達(dá)性，盡量避免飛機(jī)上存在非完全密閉區(qū)域，無(wú)法實(shí)現(xiàn)時(shí)，則應(yīng)慎重在這種區(qū)域內(nèi)布局易腐蝕的金屬構(gòu)件。

3.2 艦載機(jī)維修性設(shè)計(jì)措施

基于上述需求特征，艦載機(jī)維修性設(shè)計(jì)可以考慮以下設(shè)計(jì)約束或措施：

1) 在快速出動(dòng)準(zhǔn)備方面應(yīng)考慮對(duì)每一項(xiàng)作業(yè)開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)?？焖俚菣C(jī)能夠有效提升維護(hù)人員、飛行員進(jìn)入座艙速度，在飛機(jī)作戰(zhàn)等級(jí)轉(zhuǎn)進(jìn)時(shí)作用尤為明顯，可以考慮采用輕便、穩(wěn)定、快速對(duì)接的登機(jī)梯，或設(shè)計(jì)機(jī)載登機(jī)梯；或采用飛機(jī)上的自儲(chǔ)能剎車，無(wú)牽引桿式調(diào)運(yùn)接口設(shè)計(jì)能夠提高調(diào)運(yùn)效率；快速系留設(shè)計(jì)需要減少系留鋼索數(shù)量，并配以快速連接的系留接口和輕便的系留裝置；快速掛彈設(shè)計(jì)可采用輔助吊索、自動(dòng)舉升、減少保險(xiǎn)程序設(shè)計(jì)等方式；其他方面還包括發(fā)動(dòng)機(jī)開(kāi)車狀態(tài)下熱加油/熱掛彈設(shè)計(jì)、使用維護(hù)活動(dòng)接口集中布局設(shè)計(jì)、機(jī)翼快速折疊/展開(kāi)設(shè)計(jì)等多種措施實(shí)現(xiàn)快速出動(dòng)準(zhǔn)備。同時(shí)，還應(yīng)采取綜合設(shè)計(jì)措施盡量減少外觀檢查、維護(hù)保養(yǎng)、飛機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)清洗、發(fā)動(dòng)機(jī)暖/冷機(jī)等使用維護(hù)需求。

2) 在維修作業(yè)空間約束方面應(yīng)考慮采用維護(hù)空間盒設(shè)計(jì)理念?；谂灤季忠?guī)劃，以停機(jī)位面積和機(jī)庫(kù)維修區(qū)最小高度作為飛機(jī)最大可用維修空間，如圖9所示。對(duì)于大型飛機(jī)，可考慮在執(zhí)行空間需求較大的維修作業(yè)時(shí)挪移其他艦載裝備以擴(kuò)大維修空間。

圖9 飛機(jī)維護(hù)空間盒Fig.9 Aircraft maintenance box

將空間約束通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)軟件設(shè)計(jì)成為維修空間盒，作為飛機(jī)、系統(tǒng)維修保障規(guī)劃和維修性設(shè)計(jì)的規(guī)范約束要求。應(yīng)結(jié)合維修任務(wù)分析，遍歷艦上規(guī)劃維修項(xiàng)目以捕獲空間需求高的維修作業(yè)，該類作業(yè)一般包括有桿牽引、座艙蓋及座椅拆裝、垂直尾翼拆裝、折疊翼拆裝、發(fā)動(dòng)機(jī)拆裝、雷達(dá)及雷達(dá)罩拆裝、校靶/校準(zhǔn)等。

3) 在接口布局約束方面一般應(yīng)綜合考慮航母、飛機(jī)設(shè)計(jì)需求并針對(duì)性地采取設(shè)計(jì)措施。部分接口存在固有的布局位置需求，如燃油的放沉淀活門應(yīng)布置在油箱最低點(diǎn)；航母在方案設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)飛機(jī)提出的上艦一般需求也需要重點(diǎn)考慮，如艦面系留點(diǎn)布局規(guī)劃；多型艦載機(jī)存在接口的通用化與繼承性需求，應(yīng)盡量在機(jī)上相似區(qū)域布局。

另外，還有一些隱蔽的接口布局影響因素需要同時(shí)考慮，典型的包括安全影響因素，如補(bǔ)氧接口與燃油加注接口不應(yīng)布置在同一區(qū)域；保障活動(dòng)干涉影響因素，如掛彈區(qū)域避免布置系留鋼索等。

4) 在艦船運(yùn)動(dòng)條件約束方面首先需要采取的措施是盡量減少艦上預(yù)防性、修復(fù)性維修項(xiàng)目，在確定必須實(shí)施的維修作業(yè)后，應(yīng)結(jié)合艦船運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、維修場(chǎng)景采取人員防跌落、維修狀態(tài)下系留固定、設(shè)備拆裝間隙優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)條件下的水平測(cè)量及校靶/校準(zhǔn)等設(shè)計(jì)措施。

5) 考慮環(huán)境損傷的維修性設(shè)計(jì)。在考慮易腐蝕部位易檢性與可達(dá)性時(shí)，應(yīng)結(jié)合以可靠性為中心的維修分析(RCMA)中的結(jié)構(gòu)環(huán)境損傷評(píng)級(jí)、腐蝕防護(hù)控制設(shè)計(jì)工作，同步開(kāi)展全機(jī)結(jié)構(gòu)件、安裝架、螺釘、鉚釘?shù)染o固件的維修性設(shè)計(jì)。不完全密閉或可達(dá)性差的區(qū)域應(yīng)采用開(kāi)設(shè)檢查孔、可拆卸壁板的設(shè)計(jì)措施滿足易檢性與可達(dá)性需求，如圖10所示。

圖10 不完全密閉區(qū)域的腐蝕檢查孔與可拆卸壁板設(shè)計(jì)Fig.10 Design of corrosion check hole and removable wall plate in incomplete enclosed area

4 面向全壽命周期的艦載機(jī)腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)

艦載機(jī)壽命期環(huán)境剖面分析作為艦載機(jī)環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)[17]，主要從作戰(zhàn)海域氣候環(huán)境分析出發(fā)，將飛機(jī)壽命期劃分為艦面貯存、艦基使用和拆解運(yùn)輸?shù)鹊湫褪录?，結(jié)合飛機(jī)作戰(zhàn)海域、使命以及飛行包線、典型任務(wù)剖面分析獲得對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生影響的各類環(huán)境要素。根據(jù)飛機(jī)典型任務(wù)剖面使用比例和具體海域任務(wù)規(guī)劃時(shí)間，形成艦載機(jī)在海域環(huán)境、陸基環(huán)境和空中環(huán)境下的年任務(wù)布置時(shí)間比例。

由于艦載機(jī)特殊的部署位置，其停放、起飛和降落過(guò)程中經(jīng)受的環(huán)境條件與陸基飛機(jī)有很大的不同。特殊的高溫、高濕和高鹽霧及機(jī)械誘發(fā)環(huán)境耦合作用進(jìn)一步加速了艦載機(jī)及機(jī)載設(shè)備的腐蝕[18-19]。因此為滿足飛機(jī)長(zhǎng)期艦上服役、高出勤率和高出動(dòng)強(qiáng)度的需求，掌握全壽命周期腐蝕防護(hù)與控制技術(shù)成為艦載機(jī)海洋環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

1) 艦載機(jī)壽命期腐蝕環(huán)境分析

針對(duì)艦載機(jī)部署海域環(huán)境數(shù)據(jù)，通過(guò)全壽命周期典型使用環(huán)境比例加權(quán)分析研究，建立全壽命周期環(huán)境總譜。基于飛機(jī)分區(qū)的局部環(huán)境特征，通過(guò)試驗(yàn)、分析、計(jì)算及實(shí)測(cè)等方法建立艦載機(jī)環(huán)境總譜與局部環(huán)境的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2) 艦載機(jī)抗腐蝕能力技術(shù)指標(biāo)建立

基于艦載機(jī)隱身性能要求及海洋環(huán)境抗腐蝕性能要求，開(kāi)展新材料、新工藝技術(shù)研究。通過(guò)新材料研制、材料性能及穩(wěn)定性研究、工藝適應(yīng)性研究、耐環(huán)境性能試驗(yàn)以及典型連接件加速腐蝕考核等手段，建立飛機(jī)腐蝕防護(hù)與控制指標(biāo)要求，明確飛機(jī)不同區(qū)域防護(hù)體系構(gòu)成及厚度優(yōu)化，形成隱身/防腐協(xié)同防護(hù)設(shè)計(jì)方法。

3) 艦載機(jī)腐蝕防護(hù)與控制綜合設(shè)計(jì)

從通風(fēng)、排水、密封、選材、防護(hù)體系設(shè)計(jì)和可維護(hù)性設(shè)計(jì)等方面統(tǒng)籌規(guī)劃腐蝕防護(hù)與控制設(shè)計(jì)技術(shù)[20]，綜合分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，劃分腐蝕局部環(huán)境區(qū)域并重點(diǎn)加強(qiáng)如起落架艙、進(jìn)氣道等外露開(kāi)敞環(huán)境下的機(jī)體抗腐蝕設(shè)計(jì)。機(jī)載設(shè)備抗腐蝕設(shè)計(jì)按照腐蝕環(huán)境技術(shù)指標(biāo)要求進(jìn)行，并提前開(kāi)展成品及附件腐蝕環(huán)境摸底試驗(yàn)，降低研制風(fēng)險(xiǎn)。

4) 艦載機(jī)抗腐蝕能力驗(yàn)證與評(píng)估技術(shù)

在艦載機(jī)環(huán)境總譜及局部環(huán)境分析基礎(chǔ)上，結(jié)合飛機(jī)使用特征，采用類比分析及試驗(yàn)方法制定飛機(jī)局部環(huán)境加速腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證方法。根據(jù)機(jī)載成品及附件安裝區(qū)域環(huán)境，通過(guò)對(duì)比分析及理論計(jì)算方法形成GJB 150A—2009“三防”環(huán)境試驗(yàn)條件與自然腐蝕環(huán)境試驗(yàn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并開(kāi)展元件級(jí)、典型件和基于腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)特征的典型艙段級(jí)的“層級(jí)式”加速腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證，形成驗(yàn)證評(píng)估體系。

5) 艦載機(jī)外場(chǎng)腐蝕維護(hù)與控制策略

通過(guò)對(duì)外場(chǎng)服役飛機(jī)腐蝕情況調(diào)研和加速腐蝕試驗(yàn)確定艦載機(jī)防護(hù)涂層體系腐蝕失效形態(tài)及表征方法，采用模糊綜合評(píng)判方法進(jìn)行量化評(píng)級(jí)，確定合理視情維護(hù)時(shí)機(jī)。通過(guò)緩蝕、清洗、原位修理技術(shù)等研究，形成部隊(duì)級(jí)腐蝕維護(hù)與修理手冊(cè)；基于飛機(jī)腐蝕損傷評(píng)估技術(shù)和監(jiān)控結(jié)果，制定基地級(jí)腐蝕維護(hù)與控制技術(shù)要求。

6) 艦載機(jī)表面清洗技術(shù)要求

在清洗艦載機(jī)前，綜合考慮污染類型、清洗部位、表面材料和連接工藝等因素，選擇合適的清洗劑和清洗方式[21-22]。這不僅關(guān)系到清洗效率，還會(huì)對(duì)飛機(jī)表面防護(hù)涂層的性能造成直接影響?？紤]到上述情況以及軍機(jī)清洗的安全性和高效性，艦載機(jī)清洗主要采用整體機(jī)械沖洗和局部手工擦洗的清洗方式。對(duì)于全機(jī)防雨口蓋、起落架艙、進(jìn)排氣口和外露天線等機(jī)上特殊部位，要特別明確其防護(hù)方法及清洗要求。

5 艦載機(jī)保障系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)

5.1 艦載機(jī)保障系統(tǒng)需求一體化開(kāi)發(fā)

航母編隊(duì)各型艦載機(jī)技術(shù)特征、維護(hù)需求均有較大差異，即使有類似維護(hù)需求，但如果不采取一體化論證、設(shè)計(jì)或統(tǒng)籌規(guī)劃，仍將導(dǎo)致航母上保障設(shè)備等資源種類繁多，這與航母上有限的空間形成了鮮明的矛盾。

軍機(jī)隨機(jī)保障設(shè)備一般隨型號(hào)下達(dá)研制任務(wù)且自成體系，標(biāo)準(zhǔn)化、通用化程度不足，尚未全面且系統(tǒng)性地開(kāi)展各型軍用飛機(jī)保障設(shè)備的系列化、通用化設(shè)計(jì)，各型號(hào)間信息共享工作雖在推進(jìn)但程度有限。因此需要頂層策劃、統(tǒng)一部署，拉通各機(jī)型研制體系，創(chuàng)新技術(shù)、管理理念和工作流程。

保障系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)首先應(yīng)實(shí)施岸艦一體化設(shè)計(jì)，并遵循“以艦為主、岸艦通用”的原則，否則將嚴(yán)重影響上艦機(jī)務(wù)人員工作技能學(xué)習(xí)和保持成本，并帶來(lái)工作隱患。另外，更應(yīng)該開(kāi)展艦載機(jī)多機(jī)種一體化保障設(shè)計(jì)，既在多型艦載機(jī)和航母研制過(guò)程中，通過(guò)艦-機(jī)、機(jī)-機(jī)協(xié)同規(guī)劃、設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)工作，使多型艦載機(jī)具備相互協(xié)調(diào)的保障特性，與航空母艦和航空兵基地保障體系形成相互協(xié)調(diào)、相互配合、相互合作的裝備體系，在岸基基地和航母配置合理的保障資源，以滿足艦載機(jī)保障需求，同時(shí)通過(guò)高效率的資源調(diào)配解決在有限空間內(nèi)的資源供給問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)外已有一些針對(duì)航空保障流程分析和保障資源調(diào)度模型的研究：文獻(xiàn)[23]根據(jù)航母艦載機(jī)機(jī)群航空保障流程特有的串行、并行、柔性特點(diǎn)以及艦載機(jī)的起飛順序，基于整數(shù)線性規(guī)劃方法建立了航空保障資源優(yōu)化調(diào)度的混合整數(shù)線性規(guī)劃模型；文獻(xiàn)[13]根據(jù)不同出動(dòng)方式下艦載機(jī)所需航空保障組織實(shí)施方式的區(qū)別，建立了艦載機(jī)的航空保障資源調(diào)度模型；文獻(xiàn)[24-25]開(kāi)展了艦載機(jī)保障人員配置的優(yōu)化研究。雖然上述研究依托艦載機(jī)作業(yè)活動(dòng)對(duì)資源的配置、優(yōu)化和調(diào)度進(jìn)行了探討，但是對(duì)于多型機(jī)保障資源如何統(tǒng)籌開(kāi)展優(yōu)化設(shè)計(jì)方面尚未開(kāi)展深入討論，而保障資源的產(chǎn)生是后續(xù)配置和優(yōu)化、調(diào)配的基礎(chǔ)，應(yīng)作為重點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行分析。

保障系統(tǒng)的需求來(lái)源于艦載機(jī)的使用和維修過(guò)程，按照系統(tǒng)工程方法首先面向各型艦載機(jī)使用維護(hù)活動(dòng)進(jìn)行保障系統(tǒng)功能分析，主要活動(dòng)事件包括飛機(jī)調(diào)運(yùn)、等級(jí)轉(zhuǎn)進(jìn)、飛行前準(zhǔn)備、再次出動(dòng)準(zhǔn)備、執(zhí)行任務(wù)、飛行后檢查、修復(fù)性維修、周期性維護(hù)、基于狀態(tài)維修、整機(jī)停放、起吊、失事救援、能力提升、戰(zhàn)傷搶修等。對(duì)保障活動(dòng)所需功能面向飛機(jī)和保障系統(tǒng)進(jìn)行分配分解，艦載機(jī)典型活動(dòng)系統(tǒng)工程模型如圖11所示。

圖11 艦載機(jī)典型活動(dòng)Fig.11 Typical motion of carrier-based aircraft

先歸納保障系統(tǒng)的功能需求形成保障系統(tǒng)功能清單，并分配分解至岸基保障系統(tǒng)和艦基保障系統(tǒng)，再進(jìn)一步分解至設(shè)備層級(jí)，開(kāi)展保障設(shè)備、自主保障信息系統(tǒng)、供應(yīng)保障、人員人力等相應(yīng)資源的規(guī)劃設(shè)計(jì)，艦基保障系統(tǒng)功能分配模型如圖12 所示。重點(diǎn)針對(duì)保障設(shè)備、保障信息系統(tǒng)研制進(jìn)一步論述。

圖12 艦基保障系統(tǒng)功能分配模型Fig.12 Function assignment model of base support system

5.2 艦載機(jī)保障設(shè)備一體化研制

在5.1節(jié)工作基礎(chǔ)上開(kāi)展保障設(shè)備需求分析，對(duì)功能、工作介質(zhì)、使用方式等相似的保障設(shè)備需求，進(jìn)一步分析各項(xiàng)性能參數(shù)、測(cè)試邏輯和使用頻率等要素，從現(xiàn)役型號(hào)或在研型號(hào)保障設(shè)備中進(jìn)行遴選，或進(jìn)行新研、改進(jìn)保障設(shè)備通用化/綜合化可行性分析，在不影響并行維護(hù)任務(wù)開(kāi)展、不降低維護(hù)操作便利性、不顯著增加設(shè)備體積質(zhì)量前提下，實(shí)現(xiàn)通用化、綜合化設(shè)計(jì)。具體流程如圖13所示。

圖13 艦基保障設(shè)備通用化設(shè)計(jì)工作流程Fig.13 Generalized design workflow of base support equipment

經(jīng)工程實(shí)踐，較易于實(shí)現(xiàn)通用化設(shè)計(jì)的設(shè)備主要包括：

1) 頂支設(shè)備，如飛機(jī)千斤頂、機(jī)輪千斤頂。分析頂起載荷、飛機(jī)最小高度、最大高度等相關(guān)參數(shù)是否相同或相似。

2) 牽引設(shè)備，如牽引車。分析牽引接口、牽引載荷等參數(shù)否相同或相似。

3) 拆裝設(shè)備，如機(jī)輪拆裝設(shè)備、輪胎拆裝設(shè)備。分析安裝方式、拆裝流程、設(shè)備尺寸、接口等參數(shù)否相同或相似。

4) 加注充填/排放設(shè)備，如多種液體加注設(shè)備、充氣設(shè)備、氣密檢查設(shè)備。分析加注口位置、尺寸和形式等參數(shù)否相同或相似。

5) 油液分析類設(shè)備，如含水量檢查儀、污染度檢查儀。分析檢測(cè)油液的種類及各項(xiàng)指標(biāo)否相同或相似。

6) 測(cè)試設(shè)備，如射頻檢測(cè)設(shè)備、壓力檢查裝置。分析其檢測(cè)的參數(shù)、指標(biāo)及檢測(cè)接口是否相同或相似。

7) 通用儀器等。

當(dāng)然，在實(shí)際型號(hào)研制過(guò)程中，因?yàn)楦餍吞?hào)研制任務(wù)起始節(jié)點(diǎn)不同，不可能嚴(yán)格按照上述流程同步開(kāi)展工作，需要項(xiàng)目管理部門和型號(hào)研制單位積極應(yīng)對(duì)、靈活安排。更需要進(jìn)一步構(gòu)建艦載機(jī)通用系統(tǒng)規(guī)范，盡快形成標(biāo)準(zhǔn)，以約束后續(xù)機(jī)型研制，從源頭上解決艦載機(jī)保障一體化設(shè)計(jì)問(wèn)題。

另外，由于海洋環(huán)境以及航母內(nèi)空間、設(shè)施的制約和影響，艦基保障設(shè)備研制還需關(guān)注航母上復(fù)雜的電磁環(huán)境，應(yīng)具有更高的防爆性能，并采用電磁兼容設(shè)計(jì)，射頻類設(shè)備應(yīng)符合艦上的電磁兼容性要求。應(yīng)具有更好的防鹽霧、防酸性、防顛振、防傾斜搖擺的設(shè)計(jì)特性。維護(hù)類設(shè)備應(yīng)滿足小型化設(shè)計(jì)要求，考慮折疊、收縮等存放方式或采用可掛裝的方式存放，以節(jié)省空間。

5.3 艦載機(jī)自主保障信息系統(tǒng)一體化構(gòu)建

自主保障運(yùn)行集成網(wǎng)絡(luò)由機(jī)載故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)(PHM)和地面自動(dòng)化保障信息基礎(chǔ)設(shè)施(GASII)構(gòu)成，PHM負(fù)責(zé)艦載故障檢測(cè)和隔離，生成保障需求；GASII負(fù)責(zé)根據(jù)需求啟動(dòng)保障流程、輔助開(kāi)展決策和實(shí)施作業(yè)支持，自主保障運(yùn)行集成網(wǎng)絡(luò)是驅(qū)動(dòng)和支持保障系統(tǒng)運(yùn)行的核心部分。該概念是將自主保障信息系統(tǒng)的核心組成故障預(yù)測(cè)與健康管理系統(tǒng)和自主保障信息系統(tǒng)(ALIS)整合后提出，更加突出兩者無(wú)縫銜接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且有利于統(tǒng)一設(shè)計(jì)，自主保障運(yùn)行集成網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行場(chǎng)景如圖14所示。

圖14 自主保障運(yùn)行集成網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行場(chǎng)景Fig.14 Integrated network operation scenario of autonomous support operation

為理清自主保障集成運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜的功能、接口以及運(yùn)行邏輯，應(yīng)采用系統(tǒng)工程方法開(kāi)展建模，對(duì)自主保障集成運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的功能/運(yùn)行、接口、組織架構(gòu)、資源等進(jìn)行完整描述，基于模型進(jìn)行開(kāi)發(fā)，將有效降低需求的不完整性，減少開(kāi)發(fā)過(guò)程中的迭代。應(yīng)用美國(guó)國(guó)防部體系結(jié)構(gòu)框架(DODAF)架構(gòu)構(gòu)建保障信息系統(tǒng)頂層作戰(zhàn)概念圖(OV-1)、作戰(zhàn)資源流表述模型(OV-2)、作戰(zhàn)資源流矩陣(OV-3)、組織關(guān)系圖(OV-4)、作戰(zhàn)活動(dòng)模型(OV-5b)等視圖。頂層作戰(zhàn)概念圖從用戶視角完整描述保障信息系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程；作戰(zhàn)資源流表述模型用于描述保障信息系統(tǒng)的運(yùn)行架構(gòu)、其他系統(tǒng)與保障信息系統(tǒng)之間的運(yùn)行接口；作戰(zhàn)資源流矩陣以矩陣的形式描述保障信息系統(tǒng)外部接口的信息流；組織關(guān)系圖用于說(shuō)明保障系統(tǒng)相關(guān)組織機(jī)構(gòu)之間的關(guān)系；作戰(zhàn)活動(dòng)模型是對(duì)保障信息系統(tǒng)運(yùn)行活動(dòng)的完整描述，按場(chǎng)景對(duì)保障信息系統(tǒng)的功能運(yùn)行進(jìn)行說(shuō)明，如圖15所示。

圖15 OV-5b作戰(zhàn)活動(dòng)模型Fig.15 OV-5b operational activity model

自主保障集成運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用DODAF的架構(gòu)時(shí)，應(yīng)注重說(shuō)明岸艦一體化的設(shè)計(jì)思路、多型機(jī)保障可共用功能和信息標(biāo)準(zhǔn)、組織機(jī)構(gòu)相互關(guān)系以及自主保障集成運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)與母艦本身信息系統(tǒng)之間的接口關(guān)系，通過(guò)梳理構(gòu)建多型機(jī)功能通用、與軍方信息系統(tǒng)融合、與航母信息系統(tǒng)密切對(duì)接且岸艦基本一致的自主保障集成運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，可有效支撐航母編隊(duì)對(duì)艦載機(jī)信息的充分使用。

6 艦載航空裝備保障發(fā)展展望

裝備保障發(fā)展的目標(biāo)始終是以合理的壽命周期費(fèi)用實(shí)現(xiàn)更高的作戰(zhàn)任務(wù)執(zhí)行能力要求。發(fā)展思路始終需要從需求牽引、技術(shù)支撐、裝備特點(diǎn)、設(shè)計(jì)賦予、診斷測(cè)試等關(guān)鍵發(fā)展要素入手。

近年來(lái)公開(kāi)發(fā)表的對(duì)未來(lái)作戰(zhàn)模式的研究包括分布式作戰(zhàn)、多域戰(zhàn)、馬賽克戰(zhàn)、穿透性制空(PCA)等新概念。隨著全球范圍內(nèi)四代機(jī)的普遍裝備，跨代戰(zhàn)斗機(jī)即將出現(xiàn)，有分析認(rèn)為是未來(lái)分布式空中作戰(zhàn)體系中具有遠(yuǎn)程、穿透、強(qiáng)感知、強(qiáng)火力和快速?zèng)Q策能力的強(qiáng)有力骨干節(jié)點(diǎn)平臺(tái)[26]。也有報(bào)導(dǎo)認(rèn)為“有人+無(wú)人”成為分布式作戰(zhàn)的新模式，美國(guó)海軍計(jì)劃建設(shè)“戰(zhàn)斗機(jī)+無(wú)人機(jī)模塊+廉價(jià)巡航導(dǎo)彈”的新型戰(zhàn)斗機(jī)編組，使少量戰(zhàn)斗機(jī)也能形成具有高威脅能力的空中作戰(zhàn)力量。美國(guó)海軍下一代艦載戰(zhàn)斗機(jī)項(xiàng)目被稱為“下一代空中優(yōu)勢(shì)”計(jì)劃(The Next Generation Air Dominance，NGAD)，根據(jù)公開(kāi)信息顯示，將包含的主要特征有：① 采用全新的六代機(jī)設(shè)計(jì)方案。很可能為可選有人駕駛(即有人駕駛與無(wú)人駕駛的組合)，純有人駕駛的可能性很低。② 速度快、航程遠(yuǎn)。有人艦載機(jī)將既要具備F-35C戰(zhàn)斗機(jī)的多種能力，又要采用新技術(shù)增大航程。其作戰(zhàn)半徑將約為F-35C戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)半徑的兩倍，達(dá)到約1 852 km(1 000海里)。③ 配有先進(jìn)C4ISR設(shè)備。具備隱身性，但是將可能采取折衷方案。下一代艦載機(jī)一個(gè)值得關(guān)注的研制方向就是其不再?gòu)?qiáng)調(diào)極致的隱身性能，在武器有效載荷方面亦有所讓步，轉(zhuǎn)而追求足夠遠(yuǎn)的作戰(zhàn)半徑、較快的飛行速度和C4ISR系統(tǒng)的先進(jìn)性。④ 可掛載各種機(jī)載武器，也可發(fā)射無(wú)人機(jī)，具有較強(qiáng)的突防能力。

不同作戰(zhàn)概念對(duì)裝備保障提出了新需求。歸納起來(lái)主要包括要求實(shí)時(shí)感知裝備和保障資源狀態(tài)，強(qiáng)調(diào)資源網(wǎng)絡(luò)化調(diào)度的靈活性和自適應(yīng)性，供應(yīng)鏈不再是簡(jiǎn)單的線性活動(dòng)；維修保障決策聚焦作戰(zhàn)任務(wù)，有針對(duì)性地提高裝備任務(wù)執(zhí)行能力，以體系作戰(zhàn)效能為出發(fā)點(diǎn)進(jìn)行維修決策并規(guī)劃保障任務(wù)。未來(lái)作戰(zhàn)平臺(tái)保障需求包括快速戰(zhàn)損評(píng)估能力、精準(zhǔn)迅速的維修決策能力、彈性敏捷的保障能力等[27]。

綜上所述，未來(lái)空海作戰(zhàn)概念和裝備形態(tài)特征仍在討論和動(dòng)態(tài)發(fā)展過(guò)程中，裝備保障必須同步思考論證，既要面向作戰(zhàn)概念牽引出的保障需求，也要面向裝備保障的本質(zhì)特征和根本目標(biāo)，牽引新技術(shù)研發(fā)或者在新技術(shù)發(fā)展驅(qū)動(dòng)下規(guī)劃發(fā)展路徑。

裝備保障核心目標(biāo)就是減少或消除故障或潛在、隱蔽故障對(duì)裝備執(zhí)行任務(wù)能力的影響。在技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)可承受性、戰(zhàn)場(chǎng)使用環(huán)境等約束下，裝備保障研制要在滿足作戰(zhàn)效能需求的同時(shí)不斷提高故障診斷、資源獲取與經(jīng)濟(jì)性間協(xié)調(diào)的水平，各類裝備、各時(shí)期裝備保障工作區(qū)別只是在于被保障對(duì)象的作戰(zhàn)需求、平臺(tái)特點(diǎn)及期望應(yīng)用的新技術(shù)成熟度不同而已。

艦載航空裝備主要運(yùn)用于海上作戰(zhàn)，因時(shí)空阻隔原因艦隊(duì)遠(yuǎn)海支援困難，通信渠道更無(wú)法實(shí)時(shí)保障，應(yīng)在滿足可接受飛行安全要求前提下，將保持較高能執(zhí)行任務(wù)率(MCR)作為裝備保障設(shè)計(jì)根本出發(fā)點(diǎn)，應(yīng)將平均維修間隔時(shí)間(MTBM)作為重要牽引性指標(biāo)要求。艦載機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將高健壯性設(shè)計(jì)作為重要考慮因素，實(shí)現(xiàn)柔性系統(tǒng)軟、硬件資源動(dòng)態(tài)配置，故障功能模塊可替代，系統(tǒng)功能恢復(fù)或部分恢復(fù)；應(yīng)用電力線載波通信、5G機(jī)內(nèi)通信技術(shù)簡(jiǎn)化機(jī)載線束互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；整合機(jī)載任務(wù)、管理、控制等計(jì)算需求，采取機(jī)內(nèi)邊緣云、戰(zhàn)區(qū)云計(jì)算等設(shè)計(jì)措施，進(jìn)一步提高載機(jī)及作戰(zhàn)編隊(duì)任務(wù)可靠性；隨著機(jī)載大功率能源生成及電力作動(dòng)器技術(shù)的發(fā)展，它們將替代傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電傳、電作動(dòng)一體化飛行控制，進(jìn)而達(dá)成飛機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)等?？傊M(jìn)行飛機(jī)及各系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在滿足作戰(zhàn)性能要求同時(shí)，綜合權(quán)衡飛機(jī)、系統(tǒng)“故障后可不修”的程度，實(shí)現(xiàn)維修間隔時(shí)間的大幅提高。

“故障后可不修”的技術(shù)底氣在于消滅隱蔽故障、掌控潛在故障，因此未來(lái)故障預(yù)測(cè)與健康管理技術(shù)的發(fā)展主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面進(jìn)一步推進(jìn)：① 應(yīng)用對(duì)象范圍擴(kuò)展，盡量全面覆蓋涉及飛行安全、任務(wù)成功的功能，產(chǎn)品范圍屬性從機(jī)電、結(jié)構(gòu)進(jìn)一步拓展到電子產(chǎn)品；② 故障/壽命預(yù)測(cè)精度及置信度進(jìn)一步提高到可實(shí)用水平；③ 健康管理更加自主、智能。未來(lái)PHM系統(tǒng)如果實(shí)現(xiàn)高精度、置信度的故障預(yù)測(cè)且具備高自主、智能的健康管理能力，可極大地降低故障引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，并最大限度發(fā)揮飛機(jī)能執(zhí)行任務(wù)能力，為艦載航空裝備使用帶來(lái)更高自由度。

裝備保障一般流程為“預(yù)測(cè)或發(fā)現(xiàn)故障—隔離故障—維修決策—排除故障”，將這4個(gè)要素抽象為觀察、判斷、決策及行動(dòng)4個(gè)環(huán)節(jié)，就形成了一個(gè)完整的OODA環(huán)[28]，如圖16所示。

圖16 保障OODA環(huán)Fig.16 Guarantee OODA circle

未來(lái)作戰(zhàn)模式制勝領(lǐng)域超越傳統(tǒng)的物質(zhì)域和信息域，依靠決策優(yōu)勢(shì)占據(jù)作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)，認(rèn)知域成為制勝領(lǐng)域。面對(duì)未來(lái)智能化戰(zhàn)爭(zhēng)，傳統(tǒng)以人工決策為中心的保障難以滿足要求，在保障的感知、決策、調(diào)度、執(zhí)行等環(huán)節(jié)都需要人工智能和自主系統(tǒng)發(fā)揮支撐作用，形成可感知、自主決策并執(zhí)行的智能化裝備保障。在艦載機(jī)保障執(zhí)行方面，實(shí)現(xiàn)自主化使用保障如自動(dòng)插電、自動(dòng)加油、自動(dòng)掛彈，為艦面“一站式保障”[29]騰出更多作業(yè)空間。應(yīng)用智能機(jī)器人維修檢測(cè)，例如美軍研究利用蛇形機(jī)械臂機(jī)器人開(kāi)展無(wú)損檢測(cè)，特別適用于艦載機(jī)腐蝕檢測(cè)和防護(hù)工作。適應(yīng)航母平臺(tái)特性的增材制造系統(tǒng)更將大幅提高艦載機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)及部附件可修水平，提高搶修能力。其他如基于云計(jì)算的分布式自主保障技術(shù)、智能健康管理與作戰(zhàn)能力評(píng)估、智能人-機(jī)協(xié)同維修決策、精確維修控制管理、智能檢測(cè)與機(jī)器輔助維修、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的維修輔助技術(shù)等[27]，已有相關(guān)論述不再展開(kāi)?？傊磥?lái)應(yīng)面向機(jī)械化、信息化、智能化“三化”發(fā)展方向，結(jié)合工程實(shí)際逐步提高保障系統(tǒng)自主化水平，降低保障系統(tǒng)對(duì)維修人員的依賴，使之成為一個(gè)真正的“系統(tǒng)”。

在艦載機(jī)維修間隔時(shí)間(能執(zhí)行任務(wù))和保障OODA環(huán)效率不斷提高的支撐下，艦載機(jī)部隊(duì)可以獲得充分的“維修期權(quán)”或“等待期權(quán)”(嘗試找到最佳時(shí)間來(lái)進(jìn)行維護(hù)，使系統(tǒng)在剩余使用壽命(RUL)內(nèi)產(chǎn)生的收益與可被避免的非計(jì)劃性故障開(kāi)銷二者的合并效果最大化)[30]，保障模式可以在自主保障模式基礎(chǔ)上再次發(fā)生“躍升”。在維修期權(quán)的賦權(quán)下，未來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)維修間隔期的作戰(zhàn)使用將是可能的，姑且命名為自由保障。裝備自由保障模式具體是指在一段時(shí)間周期內(nèi)，通過(guò)必要的使用保障，航空裝備無(wú)因系統(tǒng)故障或者性能降級(jí)導(dǎo)致的對(duì)用戶的使用限制，能夠完成所預(yù)期的作戰(zhàn)任務(wù)，該周期結(jié)束后通過(guò)集中快速的維修保障，航空裝備能夠迅速恢復(fù)至可執(zhí)行任務(wù)狀態(tài)。在航母戰(zhàn)斗群出航期間，艦載機(jī)具備不低于若干飛行小時(shí)的無(wú)維修使用期，期間艦載機(jī)具備執(zhí)行任務(wù)能力但不一定是完好的，具有很強(qiáng)的執(zhí)行任務(wù)靈活度。艦面保障主要利用最小攜行規(guī)模的備件、智能化/自動(dòng)化維修設(shè)備，完成少量的使用保障和維修保障。自由保障模式應(yīng)實(shí)現(xiàn)作訓(xùn)期間N天無(wú)維修使用，作戰(zhàn)間隙“1”刻實(shí)施多個(gè)故障的集中維修，即“N+1”自由保障模式，使裝備作戰(zhàn)效能最大化。艦載航空裝備技術(shù)特征表現(xiàn)如下：

1) 智能化飛機(jī)：極高任務(wù)可靠與安全裕度，易于機(jī)器施加維修，高覆蓋、高精度、高置信PHM，自保障能力。

2) 智慧保障指揮控制系統(tǒng)：保障態(tài)勢(shì)全面感知、智能決策、指揮控制，云部署、分布式、自優(yōu)化、自演進(jìn)。

3) 無(wú)人化維修：可指令驅(qū)動(dòng)、閉環(huán)控制的先進(jìn)智能化維修系統(tǒng)、設(shè)備。

面向未來(lái)作戰(zhàn)環(huán)境的艦載機(jī)論證過(guò)程中，可以考慮應(yīng)用“N+1”自由保障模式構(gòu)建保障運(yùn)行概念，優(yōu)化保障指標(biāo)體系，開(kāi)展保障指標(biāo)分解分配，牽引各方面技術(shù)發(fā)展，支撐該保障模式逐步實(shí)現(xiàn)。

7 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)，艦載航空兵力仍將是海上作戰(zhàn)體系的核心力量，傳統(tǒng)海軍強(qiáng)國(guó)已著手開(kāi)展未來(lái)作戰(zhàn)模式和作戰(zhàn)平臺(tái)概念研究，體系化、協(xié)同化、分布式、智能化發(fā)展趨勢(shì)日益明顯，多域戰(zhàn)、馬賽克戰(zhàn)等作戰(zhàn)概念不斷進(jìn)入人們視野，下一代艦載機(jī)技術(shù)特征也將逐步明朗。

在構(gòu)建海上作戰(zhàn)概念的同時(shí)，加強(qiáng)相匹配的保障概念研究，強(qiáng)化對(duì)相關(guān)應(yīng)用技術(shù)的牽引。航母裝備包括艦載機(jī)編隊(duì)作為一個(gè)有機(jī)整體，可進(jìn)一步理清協(xié)同論證機(jī)制，避免“鞋腳”紛爭(zhēng)，應(yīng)共邁大步。通用質(zhì)量特性與功能性能一體化設(shè)計(jì)分析工作仍在工程實(shí)踐探索的路上，要結(jié)合裝備MBSE技術(shù)工程應(yīng)用，繼續(xù)積極實(shí)踐、及時(shí)總結(jié)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)體系升級(jí)，提高“費(fèi)效比”。艦載機(jī)多機(jī)種一體化保障設(shè)計(jì)涉及單位范圍廣、協(xié)同接口多、實(shí)施難度大，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)踐盡快開(kāi)展標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范預(yù)研工作，形成面向艦載機(jī)一體化保障的標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，凝聚各方力量共同參與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范編制，形成適應(yīng)中國(guó)科研體系的艦載機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。

綜合保障領(lǐng)域涉及專業(yè)范圍廣，工作項(xiàng)目類型繁多龐雜，不斷發(fā)展出現(xiàn)事后修理、定時(shí)維修、以可靠性為中心的維修、基于狀態(tài)維修等各類概念，但究其根本始終是面向“故障失效”這個(gè)“隱形戰(zhàn)場(chǎng)”發(fā)起的一代又一代抗?fàn)?。因此，面向下一代艦載航空裝備研制工作，要在研究論證過(guò)程中提前識(shí)別換代裝備系統(tǒng)新的故障機(jī)理和模式，研究抑制、控制、診斷、預(yù)測(cè)和維修保障相關(guān)技術(shù)，利用裝備保障在軍民融合方面的先天優(yōu)勢(shì)，引入各類先進(jìn)技術(shù)方法，圍繞作戰(zhàn)需求形成適配的、理念先進(jìn)的保障方案，從“保障戰(zhàn)斗力”跨越到“釋放戰(zhàn)斗力”。