金鐳, 張曙光, 孫金標(biāo)

(1.中國航空綜合技術(shù)研究所 適航性與安全性技術(shù)研究室, 北京 100028;2.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100191;3.空軍指揮學(xué)院 戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)系, 北京 100097)

基于仿真的空戰(zhàn)效能評估分析研究

金鐳1, 張曙光2, 孫金標(biāo)3

(1.中國航空綜合技術(shù)研究所 適航性與安全性技術(shù)研究室, 北京 100028;2.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院, 北京 100191;3.空軍指揮學(xué)院 戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)系, 北京 100097)

分析了作戰(zhàn)飛機在執(zhí)行空戰(zhàn)任務(wù)過程中的使用特點,結(jié)合現(xiàn)代空戰(zhàn)的特點、考慮四代機的特征及作戰(zhàn)飛機各系統(tǒng)間的耦合情況,應(yīng)用概率理論建立了作戰(zhàn)飛機空戰(zhàn)效能的計算評估體系,同時給出了發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率、占位開火成功概率、導(dǎo)彈殺傷目標(biāo)概率3個用于評估空戰(zhàn)效能的階段性指標(biāo)。根據(jù)空戰(zhàn)各階段的特點,應(yīng)用效能計算評估體系輔以模擬仿真的方法完成了空戰(zhàn)效能的評估。結(jié)果表明,空戰(zhàn)效能評估結(jié)果與空戰(zhàn)能力評估結(jié)果吻合情況很好。

空戰(zhàn)效能; 計算體系; 仿真; 空戰(zhàn)能力

引言

空戰(zhàn)能力用于描述作戰(zhàn)飛機的“本領(lǐng)”或潛力,是飛機的固有屬性;空戰(zhàn)效能是作戰(zhàn)飛機在特定條件下,執(zhí)行預(yù)定作戰(zhàn)任務(wù)時,其能力發(fā)揮的效果[1]?？諔?zhàn)能力是空戰(zhàn)效能發(fā)揮的基礎(chǔ),空戰(zhàn)效能不僅與空戰(zhàn)能力有關(guān),還與作戰(zhàn)飛機在作戰(zhàn)過程中使用、戰(zhàn)術(shù)運用、決策選擇等方面有很大關(guān)系。

空戰(zhàn)能力評估呈現(xiàn)概略性、相對性、時效性和局限性的特點[2],常用的評估方法有WSEIAC作戰(zhàn)模型、模糊綜合評估法、多屬性功效函數(shù)法、層次分析法[3]等,這些方法都能體現(xiàn)評估的概略性、相對性、局限性,但體系的時效性均有缺陷。另外,國內(nèi)有學(xué)者在考慮現(xiàn)代空戰(zhàn)特點的同時,應(yīng)用層次分析法,結(jié)合模糊隸屬度函數(shù),建立了飛機空戰(zhàn)能力評估的體系模型[4],使評估體系的時延大幅降低。由于飛機數(shù)據(jù)參數(shù)詳盡,國外空戰(zhàn)效能評估主要采用模擬仿真法,如美國“紅旗”戰(zhàn)術(shù)靶場空戰(zhàn)模擬。我國空戰(zhàn)效能評估現(xiàn)階段以建模分析為主,方法主要有概率評估法[2]、Markov過程法[5]等,主要研究模型的建立和優(yōu)化,但有些情況如雙方效能接近時導(dǎo)彈互射階段、對抗時戰(zhàn)術(shù)決策的使用,理論模型無法進(jìn)行有效評估。

本文在分析現(xiàn)代空戰(zhàn)特點及四代機特征的基礎(chǔ)上,將空戰(zhàn)過程分為搜索目標(biāo)、占位開火、導(dǎo)彈攻擊三個階段,應(yīng)用概率理論研究建立空戰(zhàn)效能計算評估體系,輔以模擬仿真,完成空戰(zhàn)效能的評估工作。將空戰(zhàn)效能評估結(jié)果與空戰(zhàn)能力評估結(jié)果進(jìn)行多輪次對比分析,以驗證效能計算評估體系和模擬仿真的正確性。

1 空戰(zhàn)效能評估指標(biāo)特點

空戰(zhàn)效能評估的目的是研究飛機完成空戰(zhàn)任務(wù)的程度?？諔?zhàn)過程具有任務(wù)多樣性、同一任務(wù)在同樣條件下過程的多樣性和同一飛機多次執(zhí)行同一任務(wù)結(jié)果的多樣性三個特點[6]。根據(jù)效能評估的特點,將評估指標(biāo)分為綜合指標(biāo)和局部指標(biāo)。綜合指標(biāo)是從總體給出衡量空戰(zhàn)效能的指標(biāo);局部指標(biāo)是飛機在完成階段性任務(wù)時,針對該段任務(wù)而提出的指標(biāo)。局部指標(biāo)應(yīng)與綜合指標(biāo)相吻合,指標(biāo)的選擇應(yīng)符合系統(tǒng)分析原理,指標(biāo)還應(yīng)與飛機所執(zhí)行的任務(wù)相一致;由飛機及其組成部分的技、戰(zhàn)術(shù)性能決定。

2 空戰(zhàn)效能評估計算

選擇作戰(zhàn)飛機完成攔截任務(wù)的成功率Pin作為評判飛機空戰(zhàn)效能的指標(biāo),即:

Pin=PdePemPle

(1)

式中,Pde為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率,反映機載探測能力和外部信息支援能力;Pem為占位開火概率,反映機動性、敏捷性及機載設(shè)備的綜合效能;Ple為殺傷目標(biāo)概率,反映機載武器彈藥的整體效能。

2.1 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率

空戰(zhàn)過程中探測目標(biāo)的設(shè)備主要為機載雷達(dá)、紅外跟蹤探測設(shè)備及飛行員的目視能力:

(2)

2．1．1雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率

(3)

式中,Cs為雷達(dá)系統(tǒng)特征常數(shù),與機載雷達(dá)體制有關(guān);σ為目標(biāo)迎頭方向的RCS,與目標(biāo)尺寸設(shè)計及材料有關(guān);Lα為大氣損耗因子,與雷達(dá)傳播路徑有關(guān);R為被探測目標(biāo)的距離;F為方向傳播因子。

2．1．2紅外探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率

(4)

式中,R0為標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)距離。目標(biāo)其他方位被紅外設(shè)備探測的概率,只需對R0進(jìn)行修正即可。

2．1．3飛行員目視發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率

表1 典型飛機尺寸系數(shù)與目視平均距離的關(guān)系

2.2 占位開火成功概率

由于各空戰(zhàn)階段使用的武器不同,下面對影響超視距、視距內(nèi)空戰(zhàn)階段Pem的因素進(jìn)行分析。

(5)

式中,d為導(dǎo)彈攻擊區(qū)范圍;R為載機與目標(biāo)的距離。

(6)

(7)

超視距空戰(zhàn)時,理論上哪一方火控系統(tǒng)更先進(jìn),哪一方雷達(dá)鎖定目標(biāo)到發(fā)射導(dǎo)彈時間將越短,即在占位階段中取得優(yōu)勢。綜上,將式(7)修正如下:

(8)

式中,t為飛機占位開火階段所經(jīng)歷的時間;t0.85為搜索階段開始至發(fā)現(xiàn)目標(biāo)概率到0.85所用的時間;τ為時間常數(shù),與參數(shù)t0及tf有關(guān):

τ=max{t0,tf}

(9)

式中,t0為雷達(dá)鎖定目標(biāo)后到導(dǎo)彈發(fā)射成功,火控系統(tǒng)所需的時間,與發(fā)射裝置、機載設(shè)備等因素有關(guān);tf為載機完成對目標(biāo)照射鎖定后,導(dǎo)彈所需的飛行時間。飛機完成第一枚導(dǎo)彈發(fā)射,占位開火階段結(jié)束,進(jìn)入導(dǎo)彈攻擊階段。

2.3 殺傷目標(biāo)概率

飛機配備不同的導(dǎo)彈,殺傷目標(biāo)概率分別為Pk1,Pk2,數(shù)量分別為n1,n2,則:

Ple=1-(1-Pk1)n1(1-Pk2)n2

(10)

常規(guī)中距彈為半主動和主動尋的導(dǎo)彈,能否命中目標(biāo)與導(dǎo)彈命中目標(biāo)或飛到有效殺傷范圍時載機是否生存有關(guān)?？紤]載機生存力,則:

(11)

式中,事件A1為載機1生存;事件B1為殺傷2;事件A2為載機2生存;事件B2為殺傷1。

2．3．2近距彈殺傷目標(biāo)概率

此階段導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)的成功與否取決于占位過程所搶占的位置。本節(jié)是在完成占位的情況下計算近距彈對目標(biāo)的殺傷概率,即近距彈殺傷目標(biāo)的概率可由式(10)直接計算。

3 算例研究

3.1 作戰(zhàn)飛機的選取及其初始條件的設(shè)定

以四代機A、三代機B和C為例,采用本文效能計算評估體系對B與A,C的空戰(zhàn)效能進(jìn)行評估。初始條件如表2所示。初始航向及初始位置的規(guī)定如圖1所示。

表2 參與效能評估戰(zhàn)斗機的初始條件

圖1 飛機初始位置、初始航向的規(guī)定

3.2 空戰(zhàn)能力的計算

根據(jù)空戰(zhàn)能力評估模型[4]可得算例中飛機空戰(zhàn)能力的評估結(jié)果,如表3所示。

表3 戰(zhàn)斗機空戰(zhàn)能力評估結(jié)果

由表3可以看出,A除視距內(nèi)武器彈藥效能低于B外,其它方面均高于B。這是由于A為提高隱身性能和超聲速巡航能力,采用內(nèi)置彈艙,使迎頭RCS更小,超聲速阻力更小。A共3個內(nèi)置彈艙,空戰(zhàn)時兩個側(cè)武器艙各掛一枚近距彈,主武器艙攜帶6枚中距彈;B有10個武器掛點,空戰(zhàn)掛半主動雷達(dá)制導(dǎo)的中距彈4枚,紅外制導(dǎo)的中距彈2枚及近距紅外彈4枚。掛點數(shù)和載彈性能的差別由空戰(zhàn)能力評估結(jié)果給出定量的反映。

3.3 空戰(zhàn)效能計算

3．3．1搜索接敵階段

根據(jù)三種機載雷達(dá)的性能參數(shù)及三種飛機的RCS,通過式(2)的計算,得到B與A,C發(fā)現(xiàn)對方的概率隨時間的變化曲線,如圖2所示。

圖2 B與A,C發(fā)現(xiàn)對方的概率隨時間的變化曲線

C與B的機載雷達(dá)性能相仿,由于輕型戰(zhàn)機C的迎頭RCS比重型戰(zhàn)機B要小得多,所以C鎖定B要比B鎖定C遠(yuǎn)40 km,做到了“先視”。

由于雷達(dá)性能、隱身能力的不足,裝備脈沖多普勒雷達(dá)的B在搜索階段是在裝備有源相控陣?yán)走_(dá)A的監(jiān)視下完成的,信息上處于劣勢,在無外部信息力量的支援下,要想改變這種劣勢很難。

超聲速巡航能力在超視距空戰(zhàn)階段的重要性在于快打快跑,大幅提高飛機生存力。參與評估的三種飛機只有A具有超聲速巡航能力,使A與B在對抗過程中占據(jù)有利的態(tài)勢。圖2表明,B鎖定A的時間早于其鎖定C的時間,這是由于A的接敵速度要比C快得多。

從仿真結(jié)果可看出,超聲速接敵在增大導(dǎo)彈攻擊包線的同時也使載機更快地落入敵機的攻擊范圍,超聲速巡航為載機的生存力帶來保障的同時也帶來了安全隱患。

3．3．2占位開火階段

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù),通過式(5)、式(6)及式(8)的計算,可得到B與A,C之間占位開火成功概率隨時間的變化曲線,如圖3和圖4所示。

圖3中由于導(dǎo)彈射程限制使A在占位階段消耗220 s時間,占位時間tf占據(jù)了空戰(zhàn)時間的80%;由于B機載雷達(dá)性能差及A優(yōu)異的隱身性能,導(dǎo)致B對A的占位過程發(fā)生在A導(dǎo)彈的殺傷范圍內(nèi),且占位時間是火控系統(tǒng)必需的t0。

圖4中C對B的占位由277～377 s共100 s;B對C的占位由365～377 s共12 s,C的占位準(zhǔn)備時間多于B,但兩者在對目標(biāo)攻擊的時間一致,區(qū)別是在377 s完成占位進(jìn)入導(dǎo)彈攻擊階段時C鎖定B的概率為1,而B鎖定對方的概率為0.94,交戰(zhàn)雙方同時進(jìn)入導(dǎo)彈攻擊階段。B與C導(dǎo)彈互射階段需要通過模擬仿真進(jìn)行計算評估。

圖3 B與A之間占位開火成功概率隨時間的變化曲線

圖4 B與C之間占位開火成功概率隨時間的變化曲線

3．3．3導(dǎo)彈攻擊階段

未進(jìn)入攻擊階段無法對目標(biāo)進(jìn)行攻擊,計算飛機攔截任務(wù)的前提是占位成功并且發(fā)射導(dǎo)彈。

3.4 效能評估結(jié)果分析

3．4．1A與B的評估結(jié)果及分析

表4為A與B各階段的效能評估結(jié)果。

表4 A與B各階段效能評估結(jié)果

表4中A對B進(jìn)行搜索、占位用時280 s,發(fā)射一對導(dǎo)彈用時5 s,共發(fā)射4枚中距彈,A攔截B的成功率達(dá)到0.99,約290 s,此時B處于對A的搜索階段,發(fā)現(xiàn)A的概率僅為0.05。對抗過程中,出現(xiàn)這種情況主要有三個原因:一是A機載雷達(dá)AN/APG-77A對RCS為5 m2的目標(biāo)最大發(fā)現(xiàn)距離為200 km,B機載雷達(dá)NⅡP001對RCS為3 m2的目標(biāo)最大發(fā)現(xiàn)距離為100 km,雷達(dá)性能差異導(dǎo)致搜索階段B的劣勢;二是A采用隱身設(shè)計,迎頭RCS僅為0.1 m2;而B迎頭RCS達(dá)到了12.5 m2,設(shè)計差異加劇了搜索階段B的劣勢;三是A的超聲速巡航能力接敵時間大幅縮減,使對手完成搜索、占位成功率更低、反應(yīng)時間更短,從而在對抗中取得有利態(tài)勢。

3．4．2C與B的評估結(jié)果及分析

表5為C與B各階段的效能評估結(jié)果。表5中的效能評估結(jié)果是假設(shè)兩機均成功發(fā)射4枚導(dǎo)彈后完成空戰(zhàn)任務(wù)成功率。圖4表明,交戰(zhàn)雙方同時完成占位,進(jìn)入導(dǎo)彈攻擊階段。為準(zhǔn)確進(jìn)行導(dǎo)彈互射效能評估,采用模擬仿真的方法模擬雙方導(dǎo)彈攻擊階段。初始條件設(shè)置如表6所示。

表5 C與B各階段效能評估結(jié)果

表6 C與B導(dǎo)彈攻擊階段仿真初始條件設(shè)置

飛機C裝備4枚AIM-120C中距彈、2枚AIM-9L近距彈;B裝備4枚R-27ER中距彈、2枚R-73A近距彈。在保證空戰(zhàn)連續(xù)完整的情況下,將兩機初始位置設(shè)定在超視距空戰(zhàn)中占位階段的后半段,模擬交戰(zhàn)雙方對抗的全過程,航跡圖如圖5所示。

分析整個單機空戰(zhàn)模擬仿真對抗過程:交戰(zhàn)的雙方并沒有進(jìn)入到傳統(tǒng)空戰(zhàn)中纏斗的視距內(nèi)空戰(zhàn)階段,僅在超視距空戰(zhàn)階段,裝備4枚中距彈、2枚近距彈的C將同樣裝備有4枚中距彈、2枚近距彈的B擊落。

圖5 典型飛機C與B空戰(zhàn)過程航跡圖

交戰(zhàn)過程分析如下:

(1)搜索接敵階段:C的機載雷達(dá)APG-68從照射到鎖定目標(biāo)歷時約13 s,鎖定目標(biāo)后于15.5 s時發(fā)射導(dǎo)彈;B機載雷達(dá)從照射到鎖定目標(biāo)歷時約10 s,完成鎖定目標(biāo)后于20.5 s發(fā)射導(dǎo)彈,B的占位開火所需時間比C多了近5 s;

(2)導(dǎo)彈攻擊階段:B同樣完成了向C發(fā)射兩枚半主動中距彈,發(fā)射時間比C發(fā)射中距彈的時間晚5 s,即在兩機均不躲避的情況下C發(fā)射的導(dǎo)彈將先擊中B,為了保證載機的安全,B采取規(guī)避機動動作,導(dǎo)致已發(fā)射的半主動彈將因無法得到載機的持續(xù)照射而失效,因此B完全喪失主動，一直處于被動態(tài)勢,最終結(jié)果是B被C發(fā)射的第三、第四枚中距彈所擊落。

說明:模擬仿真過程加入了常規(guī)的戰(zhàn)術(shù)動作,如急拉搶位、導(dǎo)彈來襲時俯沖規(guī)避等戰(zhàn)術(shù)。但算例中B在C先發(fā)射中距彈的情況下繼續(xù)迎頭飛行了近5 s,待中距彈發(fā)射后反而立刻擺脫,使得剛剛發(fā)射的中距彈失去照射而失效,這說明B選擇的戰(zhàn)術(shù)動作在此處不合適。

4 結(jié)論

(1)本文在對空戰(zhàn)效能概率評估法細(xì)化的基礎(chǔ)上,結(jié)合現(xiàn)代空戰(zhàn)特點及四代機的特征,研究建立了空戰(zhàn)效能計算評估體系,配合模擬仿真方法完成了導(dǎo)彈互射階段的仿真計算。由效能評估結(jié)果與空戰(zhàn)能力評估結(jié)果的比較可知,吻合情況很好。

(2)由空戰(zhàn)過程分析研究得出,在交戰(zhàn)雙方同時進(jìn)入空戰(zhàn)第三階段即導(dǎo)彈攻擊階段時,空戰(zhàn)將變得異常復(fù)雜,單純依靠計算的方法得到準(zhǔn)確的導(dǎo)彈殺傷目標(biāo)的概率是非常困難的,只有根據(jù)模擬器統(tǒng)計多次模擬仿真得出的結(jié)果,才能近似給出考慮導(dǎo)彈互射時殺傷目標(biāo)的概率。

(3)模擬仿真過程應(yīng)考慮戰(zhàn)術(shù)和裝備匹配問題。若戰(zhàn)術(shù)和裝備匹配較好,則可直接進(jìn)行模擬仿真;否則,應(yīng)在效能評估過程中剔除與裝備不匹配的戰(zhàn)術(shù),避免戰(zhàn)術(shù)決策等因素影響飛機空戰(zhàn)效能的最終評估結(jié)果。

(4)本文只給出了效能評估的方向思路,在研究中假定了很多前提條件。要想準(zhǔn)確地完成空戰(zhàn)效能評估,還是應(yīng)當(dāng)采用計算機模擬仿真。關(guān)于模擬仿真對抗過程中的各子系統(tǒng)仿真的逼真度、計算機控制飛機對抗時的決策系統(tǒng)都是需要進(jìn)一步解決的問題。

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[2] 朱寶鎏,朱榮昌,熊笑非.作戰(zhàn)飛機效能評估[M].北京:航空工業(yè)出版社,1993.

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Analysisandevaluationofair-combateffectivenessbasedonsimulation

JIN Lei1, ZHANG Shu-guang2, SUN Jin-biao3

(1.Airworthiness and Safety Technique Department, China Aviation Polytechnology Establishment, Beijing 100081,China;2.School of Transportation Science and Engineering, Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China;3.Department of Operations and Tactics, Air Force Command College, Beijing 100097, China)

The characteristics of fighting aircraft in modern air-combat missions are analyzed, considering the characteristics of the 4thgeneration fighter and the coupling conditions of each system in fighting aircraft, a calculating system to evaluate the air-combat effectiveness of fighting aircraft is built at probability methodology. Meanwhile, the detecting object rate, success rate of lock-in and firing and missile target destruction rate are used as phase indexes in evaluating air-combat effectiveness of fighting aircraft. According to earmarks of each air-combat phase, the calculating system of effective evaluation assisting simulation results is implemented to accomplish the effectiveness evaluation of fighting aircraft. The evaluation results of air-combat effectiveness and air-combat ability coincide well.

air-combat effectiveness; calculating system; simulation; air-combat ability

2011-03-28;

2011-11-01

金鐳(1981-)，男，黑龍江牡丹江人，工程師，碩士研究生，研究方向為適航性技術(shù)/作戰(zhàn)效能評估。

E926.3

A

1002-0853(2012)01-0087-05

(編輯：姚妙慧)