基于AHP的高超聲速飛行器動(dòng)力系統(tǒng)性能評價(jià)方法研究

馬夢穎+楊旸+費(fèi)王華

摘要： 針對組合循環(huán)動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用于高超聲速飛行器的背景，構(gòu)建了組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（簡稱組合發(fā)動(dòng)機(jī)）性能指標(biāo)體系框架。采用AHP方法確定了組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)權(quán)重分布，建立了基于AHP的組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能評估方法。本方法可通過對不同組合動(dòng)力方案綜合性能的量化評價(jià)，為高超聲速飛行器方案優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

Abstract： The evaluation index system of combined cycle engine used for hypersonic maneuvering vehicle was established. AHP is used to evaluate the performance of combined cycle engine，including the order of the performance index. In this method， it was able to be evaluated quantificationally that the performance of several schemes of combined cycle engine， in order to optimize the conceptual design of hypersonic maneuvering vehicle.

關(guān)鍵詞： 高超聲速飛行器；組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)；性能評估；AHP

Key words： hypersonic vehicle；combined cycle engine；performance evaluation；AHP

中圖分類號：V421.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）35-0025-03

0 引言

組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)具有工作包線寬和推力調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)全空域、全速域飛行，在重復(fù)使用天地往返領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（簡稱組合發(fā)動(dòng)機(jī)）是高超聲速飛行器實(shí)現(xiàn)全域飛行的關(guān)鍵系統(tǒng)，本文采用AHP方法，研究了一種對組合發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行性能指標(biāo)評價(jià)的方法，可對組合動(dòng)力飛行器動(dòng)力系統(tǒng)的總體性能進(jìn)行綜合、定量、高效評估。應(yīng)用本方法可對不同組合動(dòng)力方案滿足總體需求的程度進(jìn)行直觀和量化的評價(jià)，能夠?qū)︼w行器總體多方案優(yōu)化提供量化依據(jù)；對先進(jìn)組合動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展而言，該方法給出了飛行器總體對組合發(fā)動(dòng)機(jī)的性能指標(biāo)需求及需求權(quán)重分布，為組合發(fā)動(dòng)機(jī)的方案優(yōu)化及系列化發(fā)展提供參考和牽引。

1 組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能評價(jià)指標(biāo)體系

1.1 性能評價(jià)體系構(gòu)架

目前對組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)評價(jià)體系尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外公開研究文獻(xiàn)極少，參考相關(guān)武器裝備對發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能評價(jià)體系構(gòu)架，構(gòu)建組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能評價(jià)體系。根據(jù)組合動(dòng)力自身技術(shù)特點(diǎn)和高超聲速飛行器總體應(yīng)用對動(dòng)力系統(tǒng)的需求，按照實(shí)用性、代表性和獨(dú)立性的原則，提出組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)評價(jià)體系基本構(gòu)架如圖1所示。其中，能力層面的包含組合發(fā)動(dòng)機(jī)的基本性能和針對高超聲速飛行器應(yīng)用需求提出的增強(qiáng)性能，應(yīng)用層面則包括經(jīng)濟(jì)性、可靠性等。

1.2 評價(jià)指標(biāo)選擇

傳統(tǒng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)數(shù)量眾多，僅《GJB-3387-98火箭發(fā)動(dòng)機(jī)術(shù)語》中涉及液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)定義約100條；《QJ1190-87沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)術(shù)語》中涉及75條沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)定義。結(jié)合傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)主要性能指標(biāo)選取組合發(fā)動(dòng)機(jī)基本性能。根據(jù)高超聲速飛行器對組合發(fā)動(dòng)機(jī)寬包線飛行、多模態(tài)、多次開機(jī)等性能需求，選取組合發(fā)動(dòng)機(jī)增強(qiáng)性能、經(jīng)濟(jì)性及可靠性，見表1。

基本性能反映飛行器總體對組合發(fā)動(dòng)機(jī)基本能力的需求，決定總體方案閉合的重要性能參數(shù)，均從構(gòu)成組合發(fā)動(dòng)機(jī)的單一動(dòng)力類型性能指標(biāo)中選取，但指標(biāo)的內(nèi)涵和界定與單一動(dòng)力已有所不同，例如，對于推力指標(biāo)，組合發(fā)動(dòng)機(jī)推力不僅反映設(shè)計(jì)狀態(tài)推力，還應(yīng)考慮不同工作模態(tài)下的推力特性。

增強(qiáng)性能反映了為滿足全空域、全速域等總體性能，對組合發(fā)動(dòng)機(jī)提出的性能提升方面的需求。充分體現(xiàn)了組合發(fā)動(dòng)機(jī)與單一動(dòng)力相比的特有能力和性能優(yōu)勢。

經(jīng)濟(jì)性關(guān)系到飛行器總體應(yīng)用中的能量消耗與成本，所選性能指標(biāo)綜合反映推進(jìn)劑能量及消耗水平。

可靠性關(guān)系到飛行器總體應(yīng)用中穩(wěn)定工作及長時(shí)間可靠性，反映了組合發(fā)動(dòng)機(jī)與工作時(shí)間和起動(dòng)能力相關(guān)的綜合性能。

1.3 組合發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能評價(jià)模型

組合發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能水平通過以下公式定量計(jì)算獲得：

其中R為發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能總分；Si為各類性能層面下具體影響因素的（即性能指標(biāo)）計(jì)分值，R與Si的取值范圍相同，范圍大小由評價(jià)具體性能指標(biāo)的劃分等級確定，例如對具體性能指標(biāo)按照1～5分級打分，則1

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，結(jié)合總體需求，可以規(guī)定對某得分段范圍的評價(jià)，例如4≤R≤5代表組合發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能優(yōu)良，可作為首選方案；3≤R<4組合發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能一般，可作為備選方案；R<3則組合發(fā)動(dòng)機(jī)的綜合性能較差，需進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)以達(dá)到總體要求。

2 基于AHP的組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)評價(jià)方法

AHP（Analytic Hierarchy Process）層次分析法是美國運(yùn)籌學(xué)家T.L.Saaty教授于二十世紀(jì)70年代提出的一種實(shí)用的多方案或多目標(biāo)的決策方法，是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法。常被運(yùn)用于多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、多要素、多層次的非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜決策問題，具有系統(tǒng)性、實(shí)用性和簡潔性的有點(diǎn)，在航空航天、國防軍事、工程、經(jīng)濟(jì)、乃至服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2.1 AHP分析流程

采用AHP法對組合發(fā)動(dòng)機(jī)各性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，就是通過對性能指標(biāo)進(jìn)行兩兩對比判斷重要性等級，并對比較結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，獲得最終的性能指標(biāo)權(quán)重關(guān)系。基本分析流程如圖2所示。首先，建立層次結(jié)構(gòu)模型，明確最高層、中間層和最低層，繪出層次結(jié)構(gòu)圖；第二，構(gòu)造判斷矩陣，確定各層次、各因素之間的相對重要性；第三，進(jìn)行層次單排序，計(jì)算對于上一層，本層各因素的權(quán)重；第四，對判斷矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。最后，進(jìn)行層次總排序，確定最低層所有因素對于最高層的相對重要性的排序權(quán)值。

2.2 建立層次結(jié)構(gòu)模型

針對初步選擇出的組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能評價(jià)指標(biāo)建立層次結(jié)構(gòu)模型，包括1個(gè)最高層、4中間層和13個(gè)最低層。

最高層：C——組合發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能。

中間層：C1——基本性能；C2——增強(qiáng)性能；

C3——經(jīng)濟(jì)性；C4——可靠性。

最低層：

C11——推力

C12——單位面積推力

C13——推質(zhì)比

C14——干質(zhì)量

C21——工作馬赫數(shù)范圍

C22——工作高度范圍

C23——可用攻角范圍

2.3 構(gòu)造判斷矩陣

針對中間層和最低層分別構(gòu)造判斷矩陣，對某一層次中的各元素ui（i=1，2，...，n），進(jìn)行兩兩比較，并用1～9的比例標(biāo)度進(jìn)行定量衡量，9級比例標(biāo)度的定義如下：

1——兩元素相比同等重要；

3——前者比后者稍重要；

5——前者比后者明顯重要；

7——前者比后者強(qiáng)烈重要；

9——前者比后者極端重要。

2、4、6、8為中間等級，1/i（i=1～9）表示兩者重要性相反。

兩兩比較結(jié)果所形成的標(biāo)度即構(gòu)成各性能指標(biāo)ui對于某類型性能指標(biāo)的判斷矩陣。

2.4 各指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

采用層次單排序法，計(jì)算上述判斷矩陣的最大特征根和？姿max特征向量wj，并計(jì)算一致性比例C.R.。

其中，n為矩陣階數(shù)，R.I.為隨機(jī)一致性指標(biāo)。當(dāng)C.R.<0.1時(shí)，認(rèn)為權(quán)重計(jì)算結(jié)果滿足一致性要求，否則重新構(gòu)建判斷矩陣。

通過對性能指標(biāo)類型判斷矩陣的求解和調(diào)整，C.R.=0.0370<0.1，滿足一致性要求。四項(xiàng)性能指標(biāo)類型的權(quán)重系數(shù)為[0.2746，0.5753，0.0911，0.0590]，其中“增強(qiáng)性能”和“基本性能”最重要，其權(quán)重分別為0.5753和0.2746，該結(jié)果與認(rèn)識基本一致。

通過對基本性能判斷矩陣的求解和調(diào)整，C.R.=0.0339<0.1，滿足一致性要求。4項(xiàng)基本性能指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為[0.1355，0.3337，0.4508，0.0800]，權(quán)重分布如圖3所示，其中“推質(zhì)比”和“單位面積推力”最重要，其權(quán)重分別為0.4508和0.3337。

通過對增強(qiáng)性能判斷矩陣的求解和調(diào)整，C.R.=0.0269<0.1，滿足一致性要求。5項(xiàng)目增強(qiáng)性能指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為[0.2387，0.4515，0.1549，0.0946，0.0603]，權(quán)重分布如圖3所示，其中“高度范圍變化范圍”、“馬赫數(shù)變化范圍”和“可用攻角范圍”較為重要，其權(quán)重分別為0.4515，0.2387，0.1549。

經(jīng)濟(jì)性、可靠性判斷矩陣中指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別為[0.2491，0.7509]和[0.6667，0.3333]，權(quán)重分布如圖3所示，其中相對重要的性能指標(biāo)分別為“推進(jìn)劑密度比沖”和“累計(jì)工作時(shí)間”。

2.5 計(jì)算總權(quán)重

采用層次總排序法，根據(jù)13項(xiàng)性能指標(biāo)對于4類性能的權(quán)重，可計(jì)算得到各項(xiàng)性能指標(biāo)對于組合發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的總權(quán)重為：[0.0372，0.0916，0.1238，0.0220，0.1373，

0.2597，0.0891，0.0544，0.0347，0.0227，0.0684，0.0393，0.0197]。

3 組合發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能指標(biāo)評價(jià)方法的應(yīng)用

在方案論證階段，考慮基本性能和增強(qiáng)性能的組合發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能計(jì)算模型（1）中的wi采用總權(quán)重計(jì)算結(jié)果，Si需要根據(jù)具體的組合發(fā)動(dòng)機(jī)在上述13項(xiàng)性能指標(biāo)中的評分確定。

總權(quán)重分布如圖4所示，權(quán)重較高的指標(biāo)為飛行高度范圍、飛行馬赫數(shù)范圍、推質(zhì)比、單位面積推力、可用攻角范圍、推進(jìn)劑密度比沖和推力比，其中基本性能2項(xiàng)，增強(qiáng)性能4項(xiàng)，經(jīng)濟(jì)性1項(xiàng)，比較合理地反映了高超聲速飛行器總體對組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能的需求分布。

在Si項(xiàng)的選擇方面，目前公開文獻(xiàn)中組合發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)有限，且針對組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的定義和規(guī)范尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，部分存在爭議。因此，有必要對組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)項(xiàng)目制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按照可量化、可測量、可操作的原則完善性能指標(biāo)的定義、測量規(guī)范或計(jì)算方法，為該方法中Si項(xiàng)的確定提供依據(jù)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)高超聲速飛行器對組合發(fā)動(dòng)機(jī)的性能需求，構(gòu)建了綜合性能指標(biāo)評價(jià)框架。采用AHP建立了組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)評價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)了對組合發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能的量化評估。隨著對組合發(fā)動(dòng)機(jī)研究與應(yīng)用的不斷深入，將逐步補(bǔ)充完善應(yīng)用層面的性能指標(biāo)項(xiàng)目，健全組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能指標(biāo)評價(jià)體系。綜合評價(jià)組合發(fā)動(dòng)機(jī)性能需考慮任務(wù)需求、總體方案、動(dòng)力方案等多因素，本文提出的評價(jià)方法是對組合動(dòng)力在高超聲速飛行器中應(yīng)用的綜合性能進(jìn)行評價(jià)的一種嘗試，具有一定的理論依據(jù)，符合綜合、定量與高效的評估要求，后續(xù)將在應(yīng)用和實(shí)踐中進(jìn)行驗(yàn)證和不斷完善。

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