面向型號設計的直升機生存力評價方法初探

徐 明，李 黔

(中國直升機設計研究所，江西 景德鎮(zhèn) 333001)

0 引言

統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，生存力增加1%，戰(zhàn)斗有效性就增加26%，因此增強生存力是提高飛行器作戰(zhàn)效能的重要途徑。現(xiàn)代軍用直升機為了保證飛行員安全與戰(zhàn)時出動率，需要全面提升生存力。其典型案例是2002年俄羅斯一架米26運輸直升機被車臣武裝擊中墜毀，由于缺乏生存力措施，機上147人死亡118人。因此，未來的直升機型號設計中，生存力設計將會處于越來越重要的地位。

基于提高飛行器生存力的需求，美國建立了生存力聯(lián)合技術協(xié)調(diào)組、易損性縮減小組、敏感性減縮小組、生存力評估小組、聯(lián)合防空殺傷力服務機構、聯(lián)合鑒定支持活動(JASA)，形成了從數(shù)據(jù)收集到設計指導，再到鑒定測評的完整的生存力評價體系。我國固定翼飛機也制定了專門的飛機生存力標準規(guī)范GJB 1301-1991《飛機生存力大綱的指導和實施》[1]，而直升機的生存力只有GJB720.8A-2012《軍用直升機強度規(guī)范 第8部分：結構生存力》[2]，以及一部已經(jīng)廢止使用的GJB 3696-1999《軍用直升機生存力要求》[3]，存在完整性不足，實施困難等問題。

基于此，本文從直升機生存力的易損性、敏感性出發(fā)，對直升機的隱身能力、駕駛艙、油箱等關鍵部件的抗打擊能力建立評估方法，并且依據(jù)潛在的武器威脅評估結果，指導直升機型號設計中的生存力設計。

1 直升機生存力建模

參考固定翼飛機生存力的表達方法，直升機的生存力可以表示為PS，是由直升機的敏感性與易損性組成，可表示成：

PS=1-PdPhPk

(1)

式中，Pd為被威脅對象(雷達)發(fā)現(xiàn)的概率，Ph為被威脅對象(導彈、火箭彈)擊中的概率，Pk為被威脅對象(彈體破片)殺傷的概率。

1.1 直升機敏感性分析

直升機的敏感性主要取決于敵方探測系統(tǒng)、武器跟蹤系統(tǒng)的性能，以及直升機自身的可探測性和機動能力，具體表現(xiàn)為直升機被發(fā)現(xiàn)的概率和被擊中的概率。

1.1.1 發(fā)現(xiàn)概率計算模型

對于一定的雷達系統(tǒng)，當虛警率一定時，其在距離上對某一目標的發(fā)現(xiàn)概率不變，即假設雷達虛警概率為Pfa0，對于距離為R0、RCS為σ0的目標，可檢測信噪比為D0，雷達發(fā)現(xiàn)目標的概率為Pd0，那對于距離為R處、RCS為σ的目標，目標信噪比D和雷達發(fā)現(xiàn)概率Pd為[4]：

(2)

(3)

1.1.2 擊中概率計算模型

對于威脅武器(導彈、火箭彈)，當其脫靶距離關于目標瞄準點為圓對稱分布時，武器擊中直升機的概率為[4]：

(4)

式中，Ap為直升機易損部位的迎擊面積，σr為威脅武器脫靶距離的圓標準差，表示威脅體跟蹤和截擊目標的能力。脫靶距離不僅僅取決于威脅系統(tǒng)的火控/制導精度，而且也取決于跟蹤雷達系統(tǒng)的跟蹤精度，其計算公式為[5]：

(5)

式中，c1、c2、c3為常數(shù)，Rave=0.619R。

1.2 直升機易損性分析

直升機的易損性是指直升機在給定擊中條件下的被殺傷概率，因此本文只考慮直升機的損傷概率，不考慮直升機緊急著陸后的抗墜毀性。為了提高直升機的易損性，可以在關鍵部位加裝裝甲，或者將關鍵設備布置在結構框梁內(nèi)側，形成阻擋保護。

對于加裝防彈裝甲、燃油自密封、框梁保護等措施，本文統(tǒng)一以等效靶厚度hd表示[6]，設hi和qi分別為材料的厚度和強度極限，則不同材料轉換為強度極限為qd的某種材料的等效靶厚度可以表示為：

hd=hiqi/qd

(6)

假設武器爆炸后所有破片的打擊直升機時的速度大小、方向相同，且方向垂直于部件表面，根據(jù)動能殺傷準則[6]，致命性部件i表面受單個武器破片打擊后的殺傷概率Pki為：

(7)

式中的eb為致命傷部件表面的撞擊比動能，計算公式為：

(8)

式中，m為單個破片質(zhì)量，S=Km2/3為破片平均迎風面積，K為破片形狀系數(shù)，υd為破片的擊中速度，計算公式如下：

(9)

式中，CD為破片阻力系數(shù)，ρa為當?shù)乜諝饷芏?，?為武器破片爆炸后的初速度，計算公式如下：

(10)

武器爆炸后會形成N個破片，其中能擊中直升機的破片數(shù)量為n0，計算公式如式(11)：

(11)

式中，φmin、φmax為破片靜態(tài)前、后緣擴散角，υm為武器飛行速度。

根據(jù)破片對致命傷部件表面的殺傷準則，第j個致命傷部件表面受到n0片破片擊中后的被殺傷概率為：

(12)

某直升機的關鍵部件有m個，則整個直升機的被殺傷概率為：

(13)

2 案例研究

本文以美國AH-64攻擊直升機和CH-53運輸直升機為算例，應用已經(jīng)建立的模型對直升機的駕駛艙、燃油箱、垂尾等關鍵部件進行評估，從易損性、敏感性方面評估其采用生存力提升措施(駕駛艙防彈、燃油防爆)后的設計效果(不考慮電子自衛(wèi)措施)。首先選擇某型空空導彈、便攜式火箭彈、航空火箭彈作為兩型直升機的潛在威脅對象，3款武器的基本性能指標如表1所示。

表1 威脅來源的基本性能

AH-64攻擊直升機采用串列式駕駛艙布局，燃油箱布置在機身腹部，在生存力提升設計中，駕駛艙可增加防護裝甲(等效靶厚度增加30mm)，燃油箱采用了自密封設計(等效靶厚度增加5mm)，采用本文模型，對比分析生存力提升前后的殺傷概率，計算結果如表2所示。

表2 AH-64直升機生存力評估結果

在生存力提升設計過程中，CH-53運輸直升機在機身前部布置了防彈裝甲(等效靶厚度增加30mm)，機身中部油箱選裝了防爆組件(等效靶厚度增加5mm)，該型機加裝相關保護裝置前后的生存力評估結果如表3所示。

表3 CH-53直升機生存力評估結果

從表2、表3可以看出，防彈裝甲、燃油防爆裝置可以降低直升機被敵方武器殺傷的概率，但對整個直升機的生存力提升有限，特別是對于航空導彈當量的爆炸性武器，基本不能產(chǎn)生保護性效果。

由于直升機的雷達反射截面較大，其被雷達發(fā)現(xiàn)、鎖定的概率較高，即使加裝了防護裝置，對整個生存力的影響相對較小，因此在增加防彈裝甲的同時，加裝電子自衛(wèi)系統(tǒng)、實施隱身設計可以進一步提升直升機的生存力，這也是未來提升直升機戰(zhàn)場生存力的主要改進方向。

3 結束語

以模擬直升機真實使用情況為背景，本文從敏感性和易損性兩方面建立了直升機生存力數(shù)值評估方法，通過算例分析，驗證了該方法的正確性與可行性，為直升機型號設計中的生存力評估提供了方法與量化依據(jù)。