兩棲攻擊艦艦載直升機(jī)作戰(zhàn)與保障能力評估

陶俊權(quán)，韓 維，蘇析超，李正陽，梁洪瑜

(1.海軍航空大學(xué),山東 煙臺 264001;2.91404部隊,河北 秦皇島 066000)

1 引言

相對于其他海戰(zhàn)形式，兩棲登陸作戰(zhàn)是海戰(zhàn)中最頻繁、最慘烈的一種作戰(zhàn)形式。兩棲兵力投送為兩棲登陸作戰(zhàn)提供兵力支持、后勤保障，及時有效地完成兩棲兵力投送任務(wù)對登陸作戰(zhàn)的成功至關(guān)重要[1]。在超地平線突擊登陸等新式兩棲登陸作戰(zhàn)模式的廣泛推廣下，基于直升機(jī)垂直突擊的立體登陸逐漸成為登陸作戰(zhàn)的主導(dǎo)模式。艦載直升機(jī)是兩棲攻擊艦的主要作戰(zhàn)力量，是兩棲攻擊艦編隊履行使命任務(wù)的主要兵力[2]，其作戰(zhàn)任務(wù)主要包括投送兵力垂直上陸、對岸火力支援和制空、制海作戰(zhàn)等任務(wù)。對艦載直升機(jī)作戰(zhàn)與保障能力進(jìn)行評估，可為兩棲攻擊艦裝備建設(shè)規(guī)劃提供決策支持，同時，也對及時完成兩棲兵力投送任務(wù)，促進(jìn)兩棲攻擊艦綜合作戰(zhàn)能力提升提供強(qiáng)力支撐[3]。

目前，國內(nèi)學(xué)者對兩棲攻擊艦的總體作戰(zhàn)能力評估進(jìn)行了一定的研究[4-7]，但多數(shù)集中在對兩棲攻擊艦、兩棲裝備體系、兩棲編隊體系的層面進(jìn)行研究，而對于兩棲攻擊艦艦載直升機(jī)的作戰(zhàn)與保障能力研究相對較少。文獻(xiàn)[8]對兩棲攻擊艦艦載直升機(jī)兵力持續(xù)運用進(jìn)行了研究，建立了預(yù)留兵力持續(xù)展開模型，利用蘭徹斯特方程求解預(yù)留兵力展開的最佳速率。文獻(xiàn)[9]對兩棲攻擊艦直升機(jī)出動回收流程進(jìn)行分析，梳理了艦載直升機(jī)的主要作業(yè)流程并分析影響出動的主要因素，建立了直升機(jī)出動回收全流程模型。目前為解決能力評估問題所使用的方法較多，如多指標(biāo)綜合評價法、解析法、仿真法等[10]。多指標(biāo)綜合評價法需借助專家經(jīng)驗并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)值化權(quán)重，在參考信息少的情況下為決策者提供可信的信息，但對于指標(biāo)集復(fù)雜的模型，該方法無法反應(yīng)指標(biāo)間的內(nèi)嵌信息且采集樣本工作量過大[11]。數(shù)據(jù)解析法利用統(tǒng)計學(xué)及相關(guān)數(shù)學(xué)方法把握目標(biāo)本質(zhì)特征進(jìn)行論證，可以將抽象化的信息具象為數(shù)據(jù)表達(dá)，但也存在模型精準(zhǔn)度不高問題。建模仿真法能夠在短時間內(nèi)多次重復(fù)模擬仿真方案的實施過程，比其他方法更清楚的了解實施情況的統(tǒng)計規(guī)律，但受制于仿真模型的限制，降低了評估的可信度[12]。因為上述方法從不同的角度對目標(biāo)進(jìn)行能力評估，單一評估方法因適用范圍不同有其局限性，通過采取多種方法進(jìn)行組合評價，可以保留方法的優(yōu)越性而對缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)，進(jìn)而提高評估結(jié)果的可信度。

艦載直升機(jī)作戰(zhàn)與保障能力評估，是評價兩棲攻擊艦艦載直升機(jī)在特定作戰(zhàn)背景下，采用特定出動回收模式，完成兵力投送或火力支援任務(wù)的作戰(zhàn)及保障流程的綜合作戰(zhàn)與保障能力。本研究以兩棲攻擊艦垂直兵力投送作為主要任務(wù)目標(biāo)，為全面評估艦載直升機(jī)兵力投送的作戰(zhàn)與保障能力，從裝載投送能力、掩護(hù)突防能力、航空保障能力、艦載機(jī)維修保障能力等4個方面著手，構(gòu)建評價指標(biāo)體系，并結(jié)合解析法、指數(shù)法、仿真模擬評估法的優(yōu)缺點，進(jìn)行靈活組合評價。

2 艦載直升機(jī)作戰(zhàn)與保障能力指標(biāo)體系構(gòu)建

為系統(tǒng)分析兩棲攻擊艦艦載直升機(jī)機(jī)群兵力投送的體系能力，采用三層層次結(jié)構(gòu)來構(gòu)建度量作戰(zhàn)與保障能力的指標(biāo)體系。指標(biāo)體系主要分為綜合能力層，次級能力層和技術(shù)指標(biāo)層。在層次結(jié)構(gòu)中，各層次系統(tǒng)功能不同，綜合能力層主要從總體或關(guān)鍵環(huán)節(jié)的指標(biāo)能力來衡量艦載直升機(jī)作業(yè)流程作戰(zhàn)與保障能力；次級能力層是將綜合能力層進(jìn)行分解，提取影響流程的主要運行系統(tǒng)或裝備的屬性或能力；將次級能力層進(jìn)一步往下細(xì)分，即為技術(shù)指標(biāo)層，選取次級能力所屬的性能指標(biāo)進(jìn)行量化和度量。

層次結(jié)構(gòu)中每一層的效能參數(shù)依賴于其下屬各層的參數(shù)。各層次效能參數(shù)之間存在著鏈狀關(guān)系，下一層次的能力參數(shù)就是上一層次參數(shù)的關(guān)聯(lián)影響因素的抽象表達(dá)。因此，某一層次參數(shù)的變化將影響其上層各層次中的參數(shù)，但這種影響是逐層減弱的。總體指標(biāo)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體指標(biāo)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Overall index structure chart

3 艦載直升機(jī)作戰(zhàn)與保障能力評估方法

艦載直升機(jī)作戰(zhàn)與保障能力評估的過程，實質(zhì)上是一個由底層技術(shù)指標(biāo)向上層指標(biāo)逐層映射的過程。解析法、指數(shù)法、仿真模擬評估法[11]，不同評估方法各有千秋，為客觀反映效能與能力的度量，本研究根據(jù)不同作戰(zhàn)與能力指標(biāo)的實際情況，靈活選取相適應(yīng)的評估模型進(jìn)行組合評估。

3.1 裝載投送能力評估模型

兩棲攻擊艦艦載直升機(jī)的主要作戰(zhàn)任務(wù)是兵力投送。指數(shù)模型是評估其作戰(zhàn)效能較為全面而成熟的方法，該方法首先提出一個統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)，其次是建立在經(jīng)驗統(tǒng)計和大量試驗基礎(chǔ)之上的，在量化方面有所前進(jìn)。在應(yīng)用方面，指數(shù)法具有操作性強(qiáng)，實用性好等特點，適用于各個變量之間的分析應(yīng)用。

艦載運輸直升機(jī)的裝載投送能力，主要受到以下幾個因素影響：載重能力(L)、遠(yuǎn)航能力(R)和機(jī)動能力(B)，具體的裝載投送能力指數(shù)評估模型可表述為[13]：

(1)

式中：Ny為波次出動艦載運輸直升機(jī)數(shù)量；lk為第k架運輸直升機(jī)運送人數(shù)；LK為基準(zhǔn)載重能力；rk為第k架運輸直升機(jī)的投送航程；RK為基準(zhǔn)航程；tk為第k架運輸直升機(jī)的最大航時；Tk為基準(zhǔn)航時；Bk為第k架運輸直升機(jī)的機(jī)動性指數(shù)，作為評價運輸直升機(jī)的飛行性能的評價標(biāo)準(zhǔn)，具體的評價公式如下：

(2)

式中：Vmax為最大速度，km/h；Hd為動升限，(km)；nymax為最大正過載，nymin為最小負(fù)過載，g；Vy為最大爬升率，m/s。

3.2 掩護(hù)突防能力評估模型

掩護(hù)突防能力主要衡量用于護(hù)航的突擊運輸直升機(jī)的作戰(zhàn)性能，同樣采用指數(shù)模型進(jìn)行評估[13]。

(3)

A1的計算式為：

A1=A1g+A1r+A1m

(4)

式中：A1g、A1r、A1m分別指航炮火力指數(shù)、火箭彈火力指數(shù)、導(dǎo)彈火力指數(shù)。

3.3 航空保障能力評估模型

航空保障能力涉及空間、時間、人員、設(shè)施設(shè)備等復(fù)雜多資源約束，為直升機(jī)循環(huán)出動作戰(zhàn)提供艦面的機(jī)務(wù)和勤務(wù)保障支持，主要包括燃料保障、電源保障、機(jī)載武器保障、慣導(dǎo)對準(zhǔn)保障、艦面調(diào)運保障、起飛離場保障和回收著艦保障等。本研究提出一類結(jié)合約束條件模型和時間解析模型的航空保障能力評估模型。所謂約束條件模型，是指航空保障系統(tǒng)或作業(yè)流程滿足約束的能力，它通過提供前提約束條件或行為準(zhǔn)則來限定或優(yōu)化作業(yè)流程，并最終影響效能的頂層指標(biāo)。這類模型多來自實踐經(jīng)驗或?qū)＜乙庖?。另一類時間解析模型則將作業(yè)時間作為衡量航空保障能力的主要指標(biāo)，通過構(gòu)建參數(shù)解析模型來評估航空保障系統(tǒng)對作業(yè)流程的時間影響關(guān)系，當(dāng)時間參數(shù)值越小，說明航空保障能力越強(qiáng)。航空保障能力的評估模型可表示為

Ch=Tp+max(Td,Tg)+Tw+Tz+Tq+Th

(5)

式中：Tp為航空燃料保障能力；Td為航空電源保障能力；Tg為航空慣導(dǎo)對準(zhǔn)保障能力，慣導(dǎo)對準(zhǔn)與通電檢查可并行作業(yè)，因此對兩者取大；Tw為機(jī)載武器保障能力；Tz為艦面調(diào)運保障能力；Tq為起飛離場保障能力；Th為回收著艦保障能力。以下具體闡述每個能力的評價模型。

3.3.1航空燃料保障能力

航空燃料保障能力Tp與“可同時加油艦載機(jī)數(shù)量nts”、“加油停機(jī)位覆蓋率Rp”、“加油流量Lp”、“加油設(shè)備可用度Aop”、“加油設(shè)備故障率Ppr”、“加油故障響應(yīng)時間tpf”等指標(biāo)相關(guān)，其評估模型可描述如下：

1)約束條件模型為：

(6)

式中:Tz為甲板停機(jī)位就近轉(zhuǎn)運時間，該約束條件模型用于表示當(dāng)加油停機(jī)位覆蓋率不滿足100%時，需要轉(zhuǎn)換到就近能加油的停機(jī)位，從而構(gòu)造一個時間的罰函數(shù)。

2)解析模型為：

① 當(dāng)[nts·Aop]≥N波次時，表示當(dāng)加油設(shè)備數(shù)量足夠并行開展加油作業(yè)，

(7)

式中：N波次為波次出動艦載機(jī)數(shù)量；Wk為第k型艦載直升機(jī)油箱容量。

② 當(dāng)[nts·Aop]

(8)

3.3.2航空電源保障能力

航空電源保障能力Td與“可同時通電艦載機(jī)數(shù)量ndts”、“供電停機(jī)位覆蓋率Rd”、“供電保障車數(shù)量ndk”、“供電設(shè)備可用度Agd”、“供電設(shè)備故障率Pgd”、“供電故障響應(yīng)時間tdf”等指標(biāo)相關(guān)，其評估模型可描述如下：

1)約束條件模型為：

(9)

其中，該約束條件模型用于表示當(dāng)供電停機(jī)位覆蓋率不滿足100%時，需要轉(zhuǎn)換到就近能通電的停機(jī)位，從而構(gòu)造一個時間的罰函數(shù)。

2)解析模型為：

① 當(dāng)[ndts·Agd]+ndk≥N波次時，表示當(dāng)通電設(shè)備數(shù)量足夠并行開展通電作業(yè)，

(10)

式中：tdk為第k型艦載直升機(jī)通電檢查時間。

② 當(dāng)[ndts·Agd]+ndk

(11)

3.3.3機(jī)載武器保障能力

機(jī)載武器保障能力Tw與“掛彈小組配置數(shù)量nwp”、“甲板武器儲備量Rw”、“武器升降機(jī)數(shù)量nws”、“武器升降機(jī)可用度Aws”、“彈藥出庫速率Vws”、“武器保障系統(tǒng)故障率Pwq”、“故障響應(yīng)時間twf”等指標(biāo)相關(guān)，其評估模型可描述如下：

1)約束條件模型為：

(12)

式中：Nwr表示波次出動艦載突擊直升機(jī)的彈藥需求量，該需求量以武器轉(zhuǎn)運車一次裝載量為單位，如武器轉(zhuǎn)運車一次可轉(zhuǎn)移掛載四枚空地導(dǎo)彈或一筒量的火箭彈進(jìn)行掛載，則可視為1個需求量。當(dāng)甲板儲備彈藥量不滿足波次需求時，需要從彈庫轉(zhuǎn)運進(jìn)行補(bǔ)充。

2)解析模型為：

① 當(dāng)Nwr≤nwp時，表示當(dāng)掛彈小組配置數(shù)量足夠并行開展掛彈作業(yè)，

(13)

式中：twk為可并行掛載的第k型武器掛載時間。

② 當(dāng)Nwr>nwp時，表示當(dāng)掛彈小組配置數(shù)量不足，需排隊開展掛彈作業(yè)，

(14)

3.3.4慣導(dǎo)對準(zhǔn)保障能力

慣導(dǎo)對準(zhǔn)保障能力Tg與“同時慣導(dǎo)對準(zhǔn)艦載機(jī)數(shù)量ngts”、“慣導(dǎo)對準(zhǔn)系統(tǒng)可用度Ag”、“慣導(dǎo)對準(zhǔn)系統(tǒng)故障率Pg”、“慣導(dǎo)對準(zhǔn)響應(yīng)時間tgf”等指標(biāo)相關(guān)，其解析評估模型可描述為：

(15)

式中：tgk為第k型艦載直升機(jī)慣導(dǎo)對準(zhǔn)時間。

3.3.5艦面調(diào)運保障能力

艦面調(diào)運保障能力Tz與“升降機(jī)數(shù)量nsj”、“升降機(jī)可用度Asj”、“升降機(jī)可載艦載機(jī)數(shù)量nyj”、“升降機(jī)輪轉(zhuǎn)時間Tlz”、“升降機(jī)故障率Psj”、“升降機(jī)故障響應(yīng)時間tsf”、“牽引車數(shù)量nqs”、“牽引車可用度Aqy”、“牽引速度Vqy”、“牽引車故障率Pqy”、“牽引故障響應(yīng)時間tqf”等指標(biāo)相關(guān)，其解析評估模型可描述為：

(16)

式中：Ljz、Lkz分別表示甲板和機(jī)庫轉(zhuǎn)運平均距離；Tx為系留或解系留時間。等式的前一項代表升降機(jī)轉(zhuǎn)運能力，后一項代表牽引車轉(zhuǎn)運能力。

(17)

在兩棲攻擊艦的航空保障中，艦面調(diào)運保障主要作用在直接出動準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，當(dāng)波次機(jī)群輪轉(zhuǎn)之后，可直接在起降區(qū)一站式完成再次出動準(zhǔn)備，無需再進(jìn)行轉(zhuǎn)運作業(yè)。

3.3.6起飛離場保障能力

起飛離場能力Tq與“可同時起飛艦載機(jī)數(shù)量ntsq”、“可保障同時開車數(shù)量ntsk”、“起飛時間間隔ΔTqf”等指標(biāo)相關(guān)，其評估模型可描述為：

1)約束條件模型：

(18)

式中：BM表示足夠大實數(shù)，作為不滿足波次出動艦載直升機(jī)數(shù)量小于可同時起飛數(shù)量這一約束的懲罰項。

2)解析模型：

(19)

式中：tkc表示開車及起飛前準(zhǔn)備時間。

3.3.7回收著艦保障能力

回收著艦?zāi)芰h與“可同時回收艦載機(jī)數(shù)量ntsz”、“著艦引導(dǎo)成功率Pzj”、“著艦回收時間間隔ΔTzj”、“著艦引導(dǎo)系統(tǒng)故障率Pyd”、“著艦引導(dǎo)故障響應(yīng)時間tzf”等指標(biāo)相關(guān)，其評估模型可描述如下：

1)約束條件模型為：

(20)

式中：BM表示足夠大實數(shù)，作為不滿足波次回收艦載直升機(jī)數(shù)量小于可同時回收數(shù)量這一約束的懲罰項。

2)解析模型為：

(21)

式中：tff表示復(fù)飛著艦時間。

需要說明的是，以上采用約束條件模型和解析模型相結(jié)合的形式給出各航空保障的評估方法，以上評估指標(biāo)同樣可采用基于仿真的方法提取，即統(tǒng)計各保障環(huán)節(jié)的平均作業(yè)時間作為各子能力的評估值。

3.4 艦載機(jī)維修保障能力評估模型

鑒于艦載機(jī)維修保障具有較強(qiáng)的隨機(jī)性，難以用確定性的模型加以評估，本節(jié)采用基于仿真的統(tǒng)計分析方法構(gòu)建艦載機(jī)維修保障能力評估模型。在綜合對比GJB451A—2005《可靠性維修性保障性術(shù)語》[14]、GJB1909A—2009《裝備可靠性維修性保障性要求論證》[15]等國軍標(biāo)的基礎(chǔ)上，以使用可用度模型作為維修保障能力的綜合評價指標(biāo)，并結(jié)合艦載直升機(jī)的保障特點，提出了適應(yīng)性改進(jìn)模型如下：

(22)

式中：Cw為艦載機(jī)維修保障能力指標(biāo)；Tbm為平均故障間隔時間；衡量艦載機(jī)裝備的故障頻率；Tdw為平均故障定位時間；Twx為平均直接維修工時；Tsbd為平均設(shè)備保障延誤時間；Tbjd為平均備件供應(yīng)延誤時間；Pwx為維修項目覆蓋率；ps為艦載機(jī)故障后有維修設(shè)備需求的概率；Psb為維修設(shè)備配套率；Asb為維修設(shè)備完好率。其中，平均備件供應(yīng)延誤時間根據(jù)編隊航空兵飛機(jī)備件供應(yīng)體制，可近似為

(23)

式中：pb為艦載機(jī)故障后，不需要備件可以修復(fù)的修理工作概率；pjk為兩棲攻擊艦航材倉庫的備件滿足率；tjk為從兩棲攻擊艦航材倉庫獲取備件的平均反應(yīng)時間；Pbk為編隊航材倉庫的備件滿足率；tbk為從編隊航材倉庫獲取備件的平均反應(yīng)時間；tjd為基地級備件輸送的平均時間。式(22)各項參數(shù)可通過仿真模型得出或經(jīng)過長期使用統(tǒng)計得出。

3.5 艦載直升機(jī)頂層作戰(zhàn)與保障能力評估方法

基于解析模型的綜合能力評估方法是通過構(gòu)建疊加組合的關(guān)系方程將裝載投送能力Cy、掩護(hù)突防能力Ct、航空保障能力Ch和艦載機(jī)維修保障能力Cw映射為艦載直升機(jī)作業(yè)流程綜合能力值，考慮到航空保障能力的度量為各環(huán)節(jié)保障時間值，時間越小能力越強(qiáng)，因此綜合能力為負(fù)相關(guān)，其余能力指標(biāo)均為正相關(guān)，從而建立基于解析模型的綜合能力為

(24)

4 艦載直升機(jī)作戰(zhàn)與保障能力評估案例分析

在建立起作戰(zhàn)與保障能力評估模型后，為了驗證模型的有效性，參考現(xiàn)階段各國兩棲攻擊艦的性能表現(xiàn)，對3種兩棲攻擊艦技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析。因數(shù)據(jù)過多，篇幅有限，本文對艦載直升機(jī)作戰(zhàn)與保障能力分別進(jìn)行部分?jǐn)?shù)據(jù)的分析，其作戰(zhàn)能力由裝載投送能力代表，保障能力由航空燃料保障能力代表。3種兩棲攻擊艦裝載投送能力如表1所示。

表1 裝載投送能力Table 1 Loading and delivery capacity

基于上述輸入，由式(1)裝載投送模型，有：

計算可得，3種兩棲攻擊艦裝載投送能力Cy分別為18.39、12.62、19.67。保障能力以航空燃料保障能力為例，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 航空燃料保障能力Table 2 Aviation fuel support capability

首先根據(jù)約束條件模型式(6)，滿足覆蓋率約束，Mp=0，其次，通過判斷滿足[nts·Aop]

計算可得，3種兩棲攻擊艦航空燃料保障能力Tp分別為8.98 min、6.25 min、4.76 min。

最終確定的各指標(biāo)的數(shù)據(jù)值如表3所示。

表3 綜合能力值Table 3 Comprehensive capability value

利用式(24)確定各方案的綜合效能C的值分別為：178.20，92.94，78.85。從評估結(jié)果可以看出，美國兩棲攻擊艦A所搭載的艦載直升機(jī)性能優(yōu)異，在裝載投送能力及掩護(hù)突防能力上要顯著優(yōu)越于其他2種兩棲攻擊艦所載直升機(jī)，但在航空保障維修能力方面，美國兩棲攻擊艦A與B相差不大，但均優(yōu)于法國兩棲攻擊艦C，3種兩棲攻擊艦在艦載機(jī)維修保障方面因技術(shù)水平差異存在著一定的能力差距。最終的排名結(jié)果為美國兩棲攻擊艦A>美國兩棲攻擊艦B>法國兩棲攻擊艦C。

5 結(jié)論

本文建立了一種基于指數(shù)法、解析法、仿真模擬評估的多層次能力評估模型，能夠?qū)蓷襞炁炤d直升機(jī)作戰(zhàn)與保障能力進(jìn)行有效的綜合評估。該模型經(jīng)驗證合理可行，但在具體計算中應(yīng)在該建模思想的指導(dǎo)下綜合考慮可以獲得的數(shù)據(jù)情況，以合理調(diào)整具體的計算模型。本文中能力評估結(jié)果為解析模型下的計算結(jié)論，僅具有參考價值。