臨近空間高超聲速ISR平臺作戰(zhàn)能力評估

劉濟(jì)民，張朝陽，顏仙榮，沈 伋

（海軍研究院，上海 200436）

臨近空間高超聲速飛行器，一般是指飛行馬赫數(shù)不小于5，以吸氣式發(fā)動(dòng)機(jī)或其組合發(fā)動(dòng)機(jī)為主要?jiǎng)恿ρb置且能在大氣層中（飛行高度在20 ～100 km 之間）進(jìn)行遠(yuǎn)程飛行的飛行器。臨近空間高超聲速無人偵察機(jī)突防能力強(qiáng)，能在很短的時(shí)間內(nèi)到達(dá)全球的任何熱點(diǎn)地區(qū)，深入縱深，執(zhí)行重大突發(fā)事件的情報(bào)搜集、監(jiān)視和偵察任務(wù)。與常規(guī)偵察機(jī)相比，高超聲速飛機(jī)的實(shí)時(shí)偵察具有獨(dú)特的優(yōu)越性，在軍事上具有巨大的戰(zhàn)略意義。

武器裝備作戰(zhàn)能力評估是武器裝備論證中的重要工作。對于軍方而言，概念設(shè)計(jì)的衡量指標(biāo)是武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力，是提出武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)的依據(jù)，常用于指導(dǎo)工業(yè)部門進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。因此，對高超聲速ISR（Intelligence，Surveillance，Reconnaissance）平臺進(jìn)行作戰(zhàn)能力評估，確定影響系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的主要因素，對下一步開展該型裝備的論證和研制具有重要意義。

國內(nèi)對高超聲速攻擊武器和臨近空間低速平臺的作戰(zhàn)效能做了一些研究，但對臨近空間高超聲速飛行器的作戰(zhàn)效能評估還未見諸報(bào)道。作戰(zhàn)能力是裝備的固有屬性，是裝備作戰(zhàn)效能的基礎(chǔ)。無人機(jī)是無人偵察機(jī)系統(tǒng)效能的主要影響因素，其效能在無人偵察機(jī)系統(tǒng)效能中占有很高的權(quán)重。高超聲速ISR 飛行器目前還處于概念設(shè)計(jì)階段，本文僅對其作戰(zhàn)能力進(jìn)行初步評估，所得結(jié)論將為下一步開展高超聲速ISR飛行器的研制立項(xiàng)提供參考依據(jù)。

1 作戰(zhàn)能力評估模型

武器裝備作戰(zhàn)能力評估指標(biāo)的構(gòu)建需基于其作戰(zhàn)任務(wù)，同時(shí)要遵循系統(tǒng)性、獨(dú)立性、一致性、科學(xué)性、可測性和可比性等構(gòu)建原則。對高超聲速ISR飛行器來說，其主要作戰(zhàn)任務(wù)是對高危區(qū)域和時(shí)敏目標(biāo)進(jìn)行情報(bào)偵察。本文基于高超聲速ISR 平臺的使命任務(wù)，對概念方案設(shè)計(jì)指標(biāo)滿足作戰(zhàn)任務(wù)需求的程度進(jìn)行綜合衡量。

1.1 使命任務(wù)分析

高超聲速ISR飛行器可深入對方軍事部署前沿進(jìn)行抵近偵察，掌握對方航母編隊(duì)等高價(jià)值目標(biāo)的動(dòng)向和位置信息，為作戰(zhàn)指揮中心提供戰(zhàn)場態(tài)勢信息，為遠(yuǎn)程精確打擊提供目標(biāo)指示信息，為信息化戰(zhàn)爭提供戰(zhàn)役戰(zhàn)術(shù)情報(bào)支持。

高超聲速ISR飛行器是未來海上信息化戰(zhàn)爭的主體?？芍攸c(diǎn)發(fā)揮其突防能力強(qiáng)、生存力高、單位時(shí)間偵察范圍廣、反應(yīng)快等特點(diǎn)，用于執(zhí)行海洋方向的戰(zhàn)略偵察、廣闊海域情報(bào)收集、對大型艦艇編隊(duì)等高危險(xiǎn)目標(biāo)的凌空偵察、遠(yuǎn)程精確打擊的目標(biāo)指示以及戰(zhàn)場評估等多種作戰(zhàn)任務(wù)。高超聲速ISR飛行器的作戰(zhàn)能力是體現(xiàn)其完成上述作戰(zhàn)任務(wù)的本領(lǐng)或潛力。

1.2 評估指標(biāo)體系的建立

要完成上述使命任務(wù)，就必須具備相應(yīng)的能力。依據(jù)指標(biāo)體系構(gòu)建的原則，綜合考慮高超聲速ISR 飛行器的飛行特性及技術(shù)發(fā)展水平等因素，并參考已有研究成果，建立高超聲速ISR平臺的作戰(zhàn)能力評估指標(biāo)體系，如圖1所示。

圖1 高超聲速ISR平臺作戰(zhàn)能力評估指標(biāo)體系Fig.1 Index system for operational capability evaluation

指數(shù)法是武器系統(tǒng)效能評估的有力工具，其主要特點(diǎn)是快速方便，并能夠結(jié)合人的經(jīng)驗(yàn)，定量地對比評價(jià)武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力，因此，被廣泛應(yīng)用于武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)能力評估之中。在武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力評估中引入指數(shù)概念，可以把一些因素化為可對比的相對于同一個(gè)量的數(shù)值。高超聲速ISR平臺的綜合作戰(zhàn)能力可定義如下：

式（1）中：C為各個(gè)能力指標(biāo)的歸一化值；w為相應(yīng)能力指標(biāo)的權(quán)重，具體值由1.3節(jié)分析所得。

1.3 評估權(quán)重的確定

起降能力、廣域?qū)捤俜秶鷥?nèi)工作能力和有效載荷裝載能力的權(quán)重值分別參考《無人偵察機(jī)效能分析方法》（GJB 6704—2009）中無人機(jī)起降方式、飛行品質(zhì)和任務(wù)載荷效能的權(quán)重值；偵察覆蓋能力和快速偵察能力的權(quán)重值參考文獻(xiàn)[13]。高超聲速ISR平臺作戰(zhàn)能力各指標(biāo)的基準(zhǔn)權(quán)重值，如表1所示。

表1 各項(xiàng)作戰(zhàn)能力的基準(zhǔn)權(quán)重值Tab.1 Weight values for each operational capability

廣域?qū)捤俜秶鷥?nèi)工作能力不僅體現(xiàn)了平臺的機(jī)動(dòng)能力和生存能力，而且與平臺的可用度、可信度和環(huán)境適應(yīng)能力也直接相關(guān)。因此，廣域?qū)捤俜秶鷥?nèi)工作能力的權(quán)重值最大。

2 作戰(zhàn)能力評估準(zhǔn)則

高超聲速ISR平臺主要搭載光電設(shè)備和合成孔徑雷達(dá)（SAR）等任務(wù)載荷，利用高空快速到達(dá)的優(yōu)勢，承擔(dān)高威脅和大縱深環(huán)境下的情報(bào)偵察、攻擊引導(dǎo)和戰(zhàn)效評估等作戰(zhàn)任務(wù)。依據(jù)其使命任務(wù)，建立相應(yīng)的作戰(zhàn)能力評估準(zhǔn)則。

2.1 快速反應(yīng)能力

遠(yuǎn)程精確打擊是主動(dòng)防御作戰(zhàn)的主要作戰(zhàn)樣式，遠(yuǎn)程快速偵察和打擊能力是實(shí)施遠(yuǎn)程精確打擊的關(guān)鍵能力?？焖佟?zhǔn)確、詳盡地感知戰(zhàn)場態(tài)勢，掌握敵方目標(biāo)和戰(zhàn)場環(huán)境的相關(guān)信息，進(jìn)而先敵發(fā)現(xiàn)，有效識別強(qiáng)敵重心，是取得戰(zhàn)場主動(dòng)權(quán)的先決條件，在“發(fā)現(xiàn)—跟蹤—打擊—評估”整個(gè)攻擊環(huán)中，對目標(biāo)實(shí)施快速偵察起到關(guān)鍵作用。

高超聲速ISR 飛行器可按照作戰(zhàn)需求隨時(shí)起飛，能快速遠(yuǎn)程突破對方防空體系，快速到達(dá)任務(wù)區(qū)進(jìn)行偵察，準(zhǔn)確把握整個(gè)戰(zhàn)場態(tài)勢的變化?？焖賯刹炷芰捎蓡挝粫r(shí)間偵察面積來衡量，其單位為km/s。

式（2）中：為巡航速度；為偵察設(shè)備的可探測距離（“全球鷹”的為200 km），下同。

2.2 偵察覆蓋能力

廣闊海域情報(bào)收集、遠(yuǎn)程精確打擊的目標(biāo)指示和大縱深環(huán)境下的戰(zhàn)略偵察等作戰(zhàn)任務(wù)需要高超聲速ISR飛行器具有遠(yuǎn)程覆蓋能力。高超聲速ISR平臺的偵察覆蓋能力可用單次任務(wù)空中不加油情況下總的可偵察面積來確定，其單位為km。

式（3）中：為最大續(xù)航時(shí)間；為高超聲速ISR平臺的最大航程。

2.3 起降能力

除了巡航速度，起降方式也是影響快速反應(yīng)能力的重要方面。高超聲速ISR飛行器有3種起降方式。

1）火箭助推，滑翔著陸。采用火箭將高超聲速ISR 飛行器推到要求的高度和速度，隨后，高超聲速ISR 飛行器自身的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)自主飛行，降落時(shí)采用無動(dòng)力滑翔降落。

2）載機(jī)放飛，滑翔著陸。由大型飛機(jī)掛載，飛行到預(yù)定高度后釋放，高超聲速ISR 飛行器的助推器點(diǎn)火將其推到預(yù)定的高度和速度后，超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火，實(shí)現(xiàn)巡航飛行，降落時(shí)也采用無動(dòng)力滑翔降落。

3）自主水平起降。全程由高超聲速ISR 飛行器自身的渦輪基組合循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)（TBCC）提供動(dòng)力。

具有自主水平起降能力的無人機(jī)出勤故障率比采用第1 或第2 種起降方式的無人機(jī)要低很多。此外，在經(jīng)濟(jì)性上，自主水平起降方式的效費(fèi)比高于前2種方式。起降能力用來表示。

2.4 廣域?qū)捤俜秶鷥?nèi)工作能力

高超聲速飛行器正向著速域更寬、空域更廣、航程更遠(yuǎn)的方向發(fā)展。高超聲速ISR飛行器采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力，由于其獨(dú)特的工作方式，對飛行高度和速度很敏感，只能在特定的高度和速度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。另外，高超聲速ISR飛行器需要采用高升阻比氣動(dòng)布局，寬速域范圍的氣動(dòng)特性是1 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。因此，氣動(dòng)和推進(jìn)上的約束嚴(yán)重制約了高超聲速飛行器的飛行包線，使其只能在很窄的“飛行走廊”中飛行，從而降低了其作戰(zhàn)適用性。

可以采用高度和速度的可變化范圍來衡量其飛行條件適應(yīng)能力，用公式表示如下：

式（4）（5）中：和分別為巡航速度和巡航高度；和分別為可保證高超聲速ISR飛行器穩(wěn)定工作的速度和高度變化范圍。總的飛行條件適應(yīng)能力為：

和為加權(quán)系數(shù)，其和等于1。為了簡化起見，暫取==0.5。

2.5 有效載荷裝載能力

有效載荷裝載能力是描述平臺攜帶任務(wù)載荷的能力。無人偵察機(jī)主要的成像偵察任務(wù)載荷有光電設(shè)備和SAR。高超聲速ISR 飛行器的總重量由機(jī)體結(jié)構(gòu)重量、燃油重量和有效載荷重量組成，用公式表示如下：

本文采用有效載荷效率，即用有效載荷的重量與飛行器最大起飛重量之比來衡量有效載荷裝載能力：

3 計(jì)算結(jié)果與分析

以文獻(xiàn)[20]中的高超聲速ISR平臺和美國正在研究的SR-72為例，對二者的作戰(zhàn)能力進(jìn)行計(jì)算，并進(jìn)行對比分析。

3.1 基本性能計(jì)算

高超聲速ISR 飛行器主要用于執(zhí)行偵察任務(wù)，故其偵察能力評估在總體方案評價(jià)過程中尤為重要，而對偵察能力影響最大的總體基本性能參數(shù)主要包括巡航速度、升限、航程、最大續(xù)航時(shí)間和有效載荷重量。為評估高超聲速ISR 平臺的作戰(zhàn)能力，必須對航程、升阻比和容積率等至關(guān)重要的基本性能參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

表2 為高超聲速ISR 平臺和SR-72 的主要技戰(zhàn)術(shù)性能，SR-72的性能指標(biāo)根據(jù)相關(guān)資料得到。

表2 高超聲速ISR平臺與SR-72基本性能Tab.2 Main performance of hypersonic ISR vehicle and SR-72

表2 中：為巡航馬赫數(shù)；為航程；/為巡航狀態(tài)下的升阻比；機(jī)高為平臺機(jī)身的高度，不包含起落架等其他裝置的高度。

3.2 作戰(zhàn)能力計(jì)算

在基本性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，對、、、和共5個(gè)作戰(zhàn)能力指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。高超聲速ISR平臺可穩(wěn)定工作的飛行馬赫數(shù)為5.0 ～7.0，飛行高度范圍為29 ～34 km；SR-72 的飛行馬赫數(shù)為5.0 ～7.0，飛行高度為25 ～30 km 。由上可對高超聲速ISR 平臺和SR-72的各個(gè)作戰(zhàn)能力指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表3。

表3 ISR平臺與SR-72作戰(zhàn)能力指標(biāo)對比Tab.3 Comparison of operational capabilities

由于作戰(zhàn)能力指標(biāo)的量綱和數(shù)量級均不相同，故不便于綜合作戰(zhàn)能力的計(jì)算。為了消除不同指標(biāo)間的不可公度性的影響，需對作戰(zhàn)能力指標(biāo)值進(jìn)行規(guī)范化處理。由于、、和指標(biāo)都是效益型指標(biāo)，即指標(biāo)數(shù)值越大，對于評估結(jié)果就越有利，其歸一化處理方法如下：

式（9）中：為作戰(zhàn)能力指標(biāo)的計(jì)算值；為歸一化特征值，本文取該特征值為對應(yīng)指標(biāo)中的最大值。

參考GJB 6704—2009，高超聲速ISR 平臺的自主起降能力歸一化值為：

按照上述方法對各個(gè)作戰(zhàn)能力指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 ISR平臺與SR-72作戰(zhàn)能力歸一化指標(biāo)Tab.4 Normalization of operational capability indicators

通過式（1）可計(jì)算得到高超聲速ISR 平臺和SR-72 的綜合作戰(zhàn)能力分別為0.938 5 和0.486 9。在5 項(xiàng)作戰(zhàn)能力指標(biāo)中，快速偵察能力指標(biāo)、起降能力指標(biāo)和廣域?qū)捤俜秶鷥?nèi)的工作能力指標(biāo)相同。SR-72 在偵察覆蓋能力指標(biāo)上占優(yōu)，而文獻(xiàn)[20]中的高超聲速ISR 平臺在有效載荷裝載能力指標(biāo)上占優(yōu)，總的作戰(zhàn)能力強(qiáng)于SR-72，原因是SR-72的有效載荷裝載能力太小，80×10kg的最大起飛質(zhì)量只能裝載2.5×10kg 的有效載荷。若SR-72 的有效載荷質(zhì)量能夠達(dá)到5.5×10kg，則SR-72 的作戰(zhàn)能力與文獻(xiàn)[20]中的高超聲速ISR平臺基本相當(dāng)。

當(dāng)把飛行器的升阻比/、巡航速度和推進(jìn)系統(tǒng)的比沖視為常數(shù)時(shí)，航程可用Breguet 公式表示為：式（11）中，為燃油結(jié)構(gòu)質(zhì)量比。

進(jìn)一步分析可知，由于SR-72 采用翼身融合體氣動(dòng)布局，其巡航狀態(tài)下最大升阻比僅為1.6，為了達(dá)到4 800 km 的航程，必須盡量提高其燃油結(jié)構(gòu)質(zhì)量比。由式（11）可知，SR-72 巡航狀態(tài)下較低的升阻比限制了其有效載荷裝載能力的提高。

3.3 結(jié)果分析

由計(jì)算結(jié)果可知：文獻(xiàn)[20]中的高超聲速ISR 平臺的綜合作戰(zhàn)能力優(yōu)于SR-72，在單項(xiàng)作戰(zhàn)能力上各有所長。SR-72翼身融合體布局的外形設(shè)計(jì)在各個(gè)速度段均有著較好的氣動(dòng)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)水平自主起降。另外，SR-72 高超聲速無人偵察機(jī)采用翼身融合體設(shè)計(jì)布局，可以大大提高飛機(jī)所能攜帶的燃油量，燃油結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較大，可以滿足超大航程的設(shè)計(jì)需求。SR-72高超聲速無人偵察機(jī)所采用的翼身融合體的氣動(dòng)布局在氣動(dòng)性能上還略有不足，在高速巡航狀態(tài)下的最大升阻比在1.6 左右。因此，只從升阻比來考慮，SR-72 還存在較大差距。采用類乘波氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)的高超聲速ISR平臺在巡航狀態(tài)下的升阻比較大，在一定程度上彌補(bǔ)了燃油結(jié)構(gòu)質(zhì)量比較小的缺陷，若能在輕質(zhì)高強(qiáng)度耐高溫材料、結(jié)構(gòu)熱防護(hù)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)上有所突破，同樣可滿足超大航程設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)論

臨近空間高超聲速ISR平臺是搭載偵察任務(wù)載荷完成情報(bào)偵察任務(wù)的基礎(chǔ)，平臺能力的正常發(fā)揮是任務(wù)載荷發(fā)揮能力的重要支撐。本文基于高超聲速ISR平臺的使命任務(wù)，建立了高超聲速ISR 平臺作戰(zhàn)能力的評估指標(biāo)體系，運(yùn)用指數(shù)評估法，對其作戰(zhàn)能力作出初步評估。乘波氣動(dòng)布局的不足就是體積效率低，導(dǎo)致承載能力不足，但其巡航狀態(tài)下的升阻比明顯高于其他構(gòu)型，使得類乘波構(gòu)型高超聲速ISR 平臺的綜合作戰(zhàn)能力優(yōu)于采用翼身融合體氣動(dòng)布局的SR-72。