本文2010-03-10收到,作者分别系空军工程大学导弹学院博士生、教授
第四代战斗机作战效能评估
孙鹏
杨建军
图1美国空军F-22猛禽战斗机
摘要在简要分析典型第四代战斗机技术性能特点
的基础上,提出了一种较系统的战斗机作战效能评估体系,重点选取影响战斗机作战效能评估的七个主要指标(生存能力、机动性能、态势感知能力、信息支援能力、攻击能力、抗干扰能力和可靠性)建立了指数模型,最后用该模型方法对F-22、F-35和苏-35BM三种战斗机的作战效能进行评估,验证了该方法的有效性。
关键词第四代战斗机效能评估模型引言
随着美军F-22猛禽战斗机正式列装,俄军Т50也进入全面试验阶段,似乎在向我们传达这样一个信息———第四代战斗机正快步向我们走来。面对日趋复杂的国际安全形势,开展第四代战斗机的作战效能评估研究,推动第四代战斗机的研制工作将具
有十分重要的现实意义。
1第四代战斗机的典型技术性能分析
按世界通用的标准,战斗机的使用和发展划分为三代:喷气机代替螺旋桨飞机的时代为第一代;喷气机由亚声速到超声速的时代为第二代;装备先进的火控系统和良好的气动性能、具备对地攻击能力的时代为第三代。而具有超声速巡航能力、超机动能力、隐身能力和超视距导弹攻击能力的战斗机为第四代战斗机。
第四代战斗机与第三代战斗机相比做了很大的改进,主要体现在以下几方面(以F-22为例分析):
1)具有隐身性能
F-22的雷达反射面积仅为0.1m2
,可以做到
DOI:10.16338/j.issn.1009-1319.2010.06.017
图2第四代战斗机作战效能分析指标体系
先敌发现、先敌攻击,大大增强作战的突然性、隐蔽性,提高作战效能[1]
。
2)具有超声速巡航能力
发动机不开加力时,飞机能以Ma=1.58的速度超声速巡航30min。可大大提高空中发射导弹的初始速度,把敌机拦截在更远的空域,这在双方迎头相遇的超视距空战中尤为重要。
3)装备先进的电子设备和机载武器,具有高可靠性F-22的电子扫描相控阵火控雷达具有较强的抗干扰能力和抗损伤能力。机载武器数量多、速度快、精度高,具有多目标攻击能力、超视距攻击能力、全向攻击能力和发射后不管能力,作战性能和威力大幅度提高[2-3]
4)具有高机动性和机敏性
F-22在爬升率、盘旋角速度、滚转角速度、加速特性、盘旋半径、爬升特性、盘旋角加速度和滚转角加速度等性能上都优于F-15等典型第三代战斗机。
2第四代战斗机作战效能评估体系的构建
结合第四代战斗机的典型技术性能特征,选取影响战斗机作战效能评估的七个主要因素:生存能力、机动性能、态势感知能力、信息支援能力、攻击能力、抗干扰能力和可靠性来构建效能指标体系,基本能够覆盖四代战斗机作战效能的指标空间,评估指标体系结构如图2所示。3数学模型3.1生存能力
对第四代战斗机的生存能力存在较大影响的因素主要包括飞机的隐身技术、飞机的外形几何尺寸以及易损性。根据已有资料分析,用于第四代战斗机雷达波隐身的技术途径主要包括外形技术、雷达吸波材料技术、电子对抗和等离子体技术等,因此可以用飞机的雷达散射截面积(RCS)来描述飞机的雷达波隐身性能。红外探测系统主要通过探测目标与其所处背景之间的温差发现和跟踪目标,其中尤以探测、跟踪目标尾喷管的红外辐射为主,可以用飞机的尾喷管温度Tn来描述飞机的红外隐身性能。
易损性可以用易损面积来度量,对结构元件来说,易损面积Avi是元件的现有面积Api与元件在被击中一次情况下发生致命损伤概率PK/Hi
的乘积:Avi=ApiPK/H
i
(1)
综上分析,生存力S可以表示为:
S=[0.6(5/RCS)
0.25
+0.4Tn]·l/LwLall
(1-ApiPK/Hi
/Av
)(2)
式中,Avi为飞机表面易损性部件面积;Av为飞机表面积,这里用飞机垂直投影面积的2倍来进行粗略估算;Lw为飞机的翼展;Lall
为飞机的全长。式(2)中权值根据专家经验和空战原理,采用层次分析法确定。各项能力的标准化具体处理方法采用的是非线性S型可导函数归一法,这是基于对战斗机性能参数物理意义上的考虑:采用非线性可
导S型函数进行归一,可突出性能参数的饱和特性[4]。一方面,战斗机的某项性能参数有其物理或当今技术实现能力的极限;另一方面,提高战斗机某项性能所带来的效益本质上也有S形曲线的趋向。
3.2机动性能
3.3态势感知能力
战斗机自身态势感知能力Ad通常由机载雷达(Ard)和红外搜索跟踪装置(AIRd)两部分组成,标准化后计算模型如下:
Ad=0.8Ard+0.2AIRd(3)雷达探测能力主要与最大发现目标距离、发现目标概率、最大搜索方位角、雷达体制衡量系数[5]、同时跟踪目标数量和同时允许攻击目标数量六项参数有关。红外搜索装置的探测能力也与以上参数有关,区别在于雷达体制衡量系数的取值不同。
3.4空间信息支援能力
空间信息支援能为战斗机提供导航信息、通信保障信息,提高了飞机信息优势,从而提高飞机的机动性和协同性,并保证指挥部对作战飞机的指挥控制[6]。以F-22为例,它可从其它平台,如E-3预警机(AWACS)和卫星等收集信息,敌机的接收机无法截获这条数据链,所有F-22均可利用这条数据链在不发射任何无线电信号的情况下共享数据,其它F-22也可加入这个网络。信息支援能力通过引入一个量化指标———空间信息支援能力影响因子F(0≤F≤1)来描述。
本文空间信息主要考虑导航定位信息和通信保障信息,导航定位信息影响因子用F1表示,通信保障信息影响因子用F2表示,则飞行品质因子F可以表示为导航定位信息影响因子和通信保障信息影响因子加权求和,依据专家打分和空战原理,权值各取0.5。
对于飞机用户,导航定位能力主要由目标定位能力、动中通能力等性能指标决定,目标定位能力用目标定位精度dwd来衡量,动中通能力用飞机速度极限sdd来衡量,目标定位精度、飞机速度极限对导航定位能力的隶属度可以用正态分布函数近似。导航定位信息影响因子F1可以表示为:
F1=w11·R1(dwd)+w12·R2(sdd)(4)式中,w11、w12表示两个性能指标在导航定位信息影响因子的权重;R1(dwd)表示目标定位精度对目标定位能力的隶属函数;R2(sdd)表示用户速度极限对动中通能力的隶属函数。通过对两个指标之间的比较,利用单向链确定权值法确定,其权值分别为w11=0.43、w12=0.57。
卫星通信保障能力由通信覆盖能力、通信质量、保密性等性能指标确定,通信覆盖能力可以用通信距离jlt来衡量,通信质量可以用误码率wmt来衡量,保密性能力应根据实际经验由专家综合评估所得。通信保障能力的影响因子可以表示为:F2=w21·R3(jlt)+w22·R4(wmt)+w23·R5
(5)式中,R3(jlt)表示通信距离jlt对通信覆盖能力的隶属函数;R4(wmt)表示误码率wmt对通信质量的隶属函数;R5表示保密性通信能力隶属值;w21、w22、w23分别表示通信覆盖能力、通信质量和保密性对空战中战斗机通信能力的重要性权值。远距离空战要保证通信距离满足要求,提高通信质量与保密性。经过比较,利用单向链确定权值方法确定权值分别为w21=0.38,w22=0.23,w23=0.39。3.5攻击能力
第四代战斗机具有超视距攻击能力、全向攻击能力和大机动格斗能力等,这与其强大的武器系统是分不开的。本文选取空战火力指数Af表示第四代战斗机的空空作战能力,选取对地攻击能力系数Cg表示第四代战斗机的对地攻击能力。从空空攻击能力和对地攻击能力描述战斗机的攻击能力。