氣象影響艦載固定翼飛機起降的效能評估研究*

劉現(xiàn)鵬 邵利民 李 偉

(海軍大連艦艇學(xué)院 遼寧 116018)

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氣象影響艦載固定翼飛機起降的效能評估研究*

劉現(xiàn)鵬 邵利民 李 偉

(海軍大連艦艇學(xué)院 遼寧 116018)

為定量分析海洋氣象環(huán)境對航母固定翼艦載機起降的影響,采用量綱分析法分析了影響艦載機起降效能的主要氣象因子,以層次分析法為例給出了艦載機起降安全效能評估模型,給出了風(fēng)、能見度、云底高度對航母固定翼艦載機起降影響的效能評估值,并以一次海霧過程為例,建立了海洋氣象環(huán)境影響艦載固定翼飛機起降效能的三級評估模型。

航母艦載機; 海洋氣象; 效能評估; 層次分析法

Class Number V211

1 引言

作為海上浮動作戰(zhàn)平臺,航空母艦因其本身強大的攻防作戰(zhàn)能力而成為海軍重要的作戰(zhàn)武器,航空母艦的作戰(zhàn)能力往往決定著艦艇編隊整體作戰(zhàn)能力。海洋環(huán)境首先影響艦載武器裝備,繼而制約艦艇、飛機等作戰(zhàn)單元平臺的效能發(fā)揮,最終在航母戰(zhàn)斗群編隊整體作戰(zhàn)效能上體現(xiàn)出來[1]。近年來,隨著我國遼寧艦的服役,我軍急需迅速提升航母作戰(zhàn)訓(xùn)練水平,由于西方國家處于軍事保密的原因,針對航空母艦作戰(zhàn)訓(xùn)練效能的研究鮮有公開發(fā)表的文獻(xiàn),國內(nèi)更無人對海洋氣象環(huán)境對航母固定翼艦載機起降的影響做定量研究。本文擬以海洋氣象環(huán)境影響固定翼艦載機起降效能評估為例,進行相應(yīng)研究。

2 模型因子分析

本研究中,模型設(shè)定航母為中型航母,甲板為滑躍式甲板;設(shè)定艦載機主要性能參數(shù)與蘇-27近似,將人為因素、武器性能等對模型起降效能的影響設(shè)為定值,不考慮甲板尾流、低空風(fēng)切變等突變性因素對模型起降效能的影響。

一般而言,影響艦載機起降的主要因素可大致分為武器性能指標(biāo)、駕駛員操作水平和海洋氣象環(huán)境三個方面。武器性能指標(biāo)對艦載機起降安全的影響主要分為武器性能水平和武器性能可靠性的影響,駕駛員操作狀態(tài)對艦載機起降安全的影響主要為駕駛員駕駛水平的高低和駕駛員的責(zé)任心,海洋氣象環(huán)境對艦載機起降安全的影響可分為能見度[2]、云底高度、風(fēng)速的影響。根據(jù)不同機型,不同起降方式以及作戰(zhàn)目的,艦載機起降所需氣象條件略有差別和側(cè)重,其相互間的影響權(quán)重往往隨環(huán)境的變化而變化。

3 海洋氣象環(huán)境效能評估

目前,在效能評估領(lǐng)域應(yīng)用較廣的方法有蒙特卡洛法、層次分析法、專家評估法、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析(DEA)法等[3～6]。本研究采用層次分析法建立評估模型,將飛機性能指標(biāo)、駕駛員操作水平等指標(biāo)設(shè)為常數(shù),并將海洋氣象要素作為主要輸入?yún)?shù),效能評估模型如圖1所示。在氣象環(huán)境影響飛機起降效能部分,結(jié)合WRF(Weather Forecast Model)模式模擬所得氣象數(shù)據(jù)及艦載機環(huán)境適應(yīng)能力由判斷矩陣給出科學(xué)的權(quán)重(其中判斷矩陣既可事先根據(jù)機型及作戰(zhàn)任務(wù)確定,也可以由指揮員根據(jù)現(xiàn)場需要給出。),再將無量綱化的氣象要素加權(quán)轉(zhuǎn)化為客觀氣象指標(biāo)并最終給出起降安全指數(shù),具體操作流程如圖2所示。

圖1 艦載機起降安全效能評估模型

圖2 艦載機起降安全效能評估流程

在環(huán)境因素中,由于氣象因素的物理量綱不同,因此不同物理量之間變化幅度的大小不能直接代表各環(huán)境效能的指標(biāo),為解決這一問題首先需要對物理量進行無量綱化處理：

(1)

在環(huán)境指標(biāo)量化的過程中,為保證指標(biāo)的客觀性、科學(xué)性,因此必須根據(jù)起降訓(xùn)練的實際情況,由多次訓(xùn)練效果合理確定。在這里,參考蘇-27陸上起飛時對能見度、橫向風(fēng)速、縱向風(fēng)速、云底高度的要求構(gòu)建模型,模型中各環(huán)境要素指標(biāo)的取值范圍為0～1,當(dāng)指標(biāo)值取1時表示固定翼艦載機處于最佳起降環(huán)境,取值為0時表示固定翼艦載機無法起降。需要注意的是,氣象環(huán)境對艦載機起降影響具有“一票否決”制,即某一客觀氣象條件低于設(shè)定閾值時,要求起降安全指標(biāo)為0。

3.1 能見度安全指數(shù)

能見度是影響艦載機起降的重要因素,當(dāng)能見度過低時,艦載機無法實施起降。相關(guān)研究表明[1],當(dāng)能見度大于某一閾值vis1時,其對艦載機起降的影響可以忽略不計(指標(biāo)取1),當(dāng)能見度接近較小閾值vis2時,隨著能見度的降低其指標(biāo)值迅速下降,并在能見度低于閾值vis2時降為0,根據(jù)這一特性對能見度指標(biāo)進行反復(fù)擬合驗證,發(fā)現(xiàn)分段函數(shù)2可較好模擬這一特征。

(2)

式中Cvis表示能見度在環(huán)境因素中的效能指標(biāo),vis表示大氣能見度,vis1表示能見度對艦載機起降產(chǎn)生影響的最大閾值,vis2表示艦載機起降效能為0的最小閾值。

3.2 風(fēng)速風(fēng)向安全指數(shù)

對大多數(shù)艦載機的起降而言對風(fēng)向和風(fēng)速都有一定的要求[7～8],甲板航向與風(fēng)速趨于一致時起降效果最佳,風(fēng)向與航向夾角越大,風(fēng)指標(biāo)越小;艦載機起降時存在最優(yōu)風(fēng)速vopt且風(fēng)速接近最優(yōu)風(fēng)速時,指標(biāo)變化緩慢,經(jīng)擬合可用式(3)近似表示:

CV=cos(v-vopt)cos(θ)

(3)

式中,CV表示風(fēng)速風(fēng)向安全指數(shù),V表示實測風(fēng)速,Vopt表示最佳風(fēng)速,θ表示實測風(fēng)速與航向夾角。

3.3 云底高度安全指數(shù)

云底高度也是影響艦載機起降所需考慮的重要因素,其分布特點和計算方法與能見度指數(shù)類似,可以由式(4)表示。

(4)

式中,Chgt表示云底高度安全指標(biāo),hgt表示云底高度,hgt1表示云底高度對艦載機起降產(chǎn)生影響的最大閾值,hgt2表示艦載機起降效能為0的最小閾值。

4 仿真實驗

對該次實驗,假定其他因素(B1)對艦載機起降安全的效能為0.95且與環(huán)境因素(B2)的權(quán)重皆為0.5。設(shè)定仿真實驗的風(fēng)速在9m/s～12m/s,云底高度低于1000km,能見度低于10km,在此種氣象環(huán)境下建立互反標(biāo)度[9～10],并構(gòu)造判斷矩陣如表1所示。

表1 環(huán)境因素效能計算矩陣

經(jīng)過計算可得,判斷矩陣的最大特征值λmax=4.2686,對應(yīng)特征向量為ω=(0.7886,0.2155,0.1656,0.5516),由公式CI=(λmax-n)/(n-1)可得判斷矩陣指標(biāo)CIB-C=0.0895。如表2所示隨機一致性指標(biāo)[11],計算可得CRB-C=CIB-C/RI=0.0984<0.1,可知環(huán)境因素模型部分的判斷矩陣通過了一致性檢驗,層次結(jié)構(gòu)較為合理。由于模型假定B1與B2具有相同的權(quán)重系數(shù),即A相對B1、B2層次的一致性評估指標(biāo)CRA-B=0。因此模型整體的一致性評估指標(biāo)即等于CRA-C=CRB-C=0.0984<0.1,由此可見本評估模型總體的一致性較為滿意,層次結(jié)構(gòu)較為合理。

表2 RI值查詢表

4.1 區(qū)域仿真實驗

如圖3所示為WRF(Weather Research Model)中尺度氣象模式模擬的2014年2月1日09時(北京時,下同)我國近海氣象環(huán)境場,圖中填色值為海拔19m處能見度,等值線為風(fēng)速分布。此時,從黃海中部至東海北部的大片海域能見度不足1000m,江蘇浙江至韓國濟州島一帶和黃海北部存在9m/s左右的風(fēng)場。仿真實驗在該種氣象條件下對圖中海域進行效能分析,側(cè)向風(fēng)速、橫向風(fēng)速、能見度、風(fēng)速與效能之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系采用式(2)～式(4)。

圖3 能見度分布圖(單位：m)

如圖4所示,為簡化模型,假設(shè)航母皆為東西方向靜止于海面,則此時縱向測風(fēng)即為緯向風(fēng)速U,橫向測風(fēng)即為經(jīng)向風(fēng)速V,對比圖3可知,在大霧天氣,能見度小于100m的海域,固定翼飛機起降安全效能值在0.3以下,即飛機不適宜起降;在黃海北部的大風(fēng)區(qū)域,起降效能也在0.7以下,起降環(huán)境不佳;在霧區(qū)邊緣,存在起降效能梯度極大的區(qū)域,因此在航母作戰(zhàn)時可利用該區(qū)域效能分布特點,實現(xiàn)艦載機起降后迅速隱藏航母,既保證艦載機起降安全又提高航母生存能力,具有很高的軍事應(yīng)用價值。

圖4 效能分布圖(單位：1)

4.2 單點仿真實驗

為細(xì)致刻畫此次模擬實驗、檢驗評估模型,選取圖3中A、B、C、D所示四點的海洋氣象環(huán)境進行仿真實驗,具體氣象要素如表3所示。

表3 模擬的四站點海洋氣象要素

利用量綱分析法對四個點的氣象環(huán)境效能進行評估,進而求得其艦載機起降效能,已知ω0=(0.7887,0.2156,0.1657,0.5518),計算可得四點的環(huán)境效能分別為：A=0.624,B=0.315,C=0.583,D=0.799;艦載機起降安全效能分別為：FA=0.787,FB=0.633,FC=0.767,FD=0.875。由此可見,此四個點中最適宜艦載機起降的點位D點,其次為A點,再次為C點,B點的起降效能最差,最不利于起降。

5 結(jié)語

本文采用層次分析法對固定翼飛機在滑躍式甲板起降的效能進行了理論研究,綜合考慮了裝備性能和海洋氣象環(huán)境對艦載機起降效能的影響,通過層次分析得出：艦載固定翼飛機受橫向風(fēng)速影響最大,其次是能見度的影響。綜合考慮模型計算的簡單性和固定翼飛機對環(huán)境要素的依賴關(guān)系建立了評估指標(biāo)分段函數(shù),首次將氣象要素定量轉(zhuǎn)化為艦載機起降效能。該種評估指標(biāo)體系的研究一方面給出了定量化海洋氣象環(huán)境對艦載機起降影響的效能計算方法,一方面對航母艦載機起降和艦艇隱蔽作戰(zhàn)具有一定的指導(dǎo)作用。最后通過指標(biāo)合成,給出了一次模擬海況下的固定翼飛機起降效能分布圖,并對選取的四個樣本海域的艦載機起降效能進行分析,得出最優(yōu)海環(huán)境。

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Efficiency Evaluation of Meterorology’s Impact on Aircraft Flight

LIU Xianpeng SHAO Limin LI Wei

(Dalian Naval Academy,Dalian 116018)

Aiming at the influence of meterological condition to aircraft flight,the marine meterological environment factors of impacting aircraft flight are analyzed and discussed by using hierarchy analytical technique.The relative evaluation values of wind,visibility and height of cloud button are given by comparing them to each other,and a three-grade evaluation model of anti-submarine efficiency is established on a sea-fog process simulate

aircraft,marine meteorology,efficiency evaluation,analysis hierarchy process

2014年8月1日,

2014年9月17日

劉現(xiàn)鵬,男,碩士,研究方向:海洋環(huán)境對艦載機起降效能影響。

V211

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.032