无人机电磁弹射器效能分析*

暴 宇，吴 峻，赵宏涛（.国防科技大学机电工程与自动化学院，长沙 40073；.空军预警学院，武汉 43009）

无人机电磁弹射器效能分析*

暴 宇1，吴 峻1，赵宏涛2
（1.国防科技大学机电工程与自动化学院，长沙 410073；2.空军预警学院，武汉 430019）

无人机电磁弹射器是一个由多子系统构成的装备，且各部分之间联系紧密，并不同程度的影响着整体效能。为了确定各组成部分与电磁弹射器效能的影响关系，对其进行系统评价，将系统的整体效能分解为几种典型的效能指标，并采用关联矩阵法（RMA）对由弹射器子系统和效能指标构成的评价体系进行分析。明确了电磁弹射器各部分对系统效能的影响程度，并给出了提高电磁弹射器效能指标的几点建议。

无人机，电磁弹射器，系统评价，效能指标，影响程度

0 引言

电磁弹射器是新型的无人机发射装备，其原理与航母用的舰载机电磁弹射系统原理类似，是一种利用电磁推力使无人机在短距离内实现全程可控加速的设备［1］。它可以分为直线弹射电机、储能设备、电力变换设备和控制与检测设备4大部分［2］，整个系统结构紧密，易于维护，机动性强。电磁弹射器各部分联系密切，由子系统之间相互配合完成弹射任务。

文献［3］建立了由效能指标构建的无人机发射装置方案评价模型，利用综合评价技术对几种传统的发射方案进行评估，为无人机发射方式的选择提供了科学依据。文献［4］基于层次分析法建立了舰载无人机电磁弹射器应用能力的幂指数模型，为确定研制重点和关键部件选型提供参考。为了更好地发挥电磁弹射器的作用、优化系统组成、升级系统部件，本文从系统整体角度作出分析评估，结合两参考文献对系统分析建立的评价结构，将电磁弹射器的4个组成部分和效能指标构成评价体系，以确定弹射器各部分对效能的影响，同时为提高效能指标给出了几点参考性的结论。

在分析方法上，对于电磁弹射器这样的综合系统，需要将系统分解为多个目标，建立多目标的评价体系。常用的多目标体系分析法有很多，如关联矩阵法、关联树法、可能-满意度法、层次分析法等。针对本系统具有的多目标性，评价指标不唯一，衡量各个评价指标的评价尺度不同的特点，对电磁弹射器整体效能的分析采用步骤简单且行之有效的关联矩阵法。利用关联矩阵法对复杂系统问题的评价思维过程数学化，将复杂系统各部分的重要度依据效能指标的不同量化，进而确定部分对整体效能的影响。

1 电磁弹射器效能

电磁弹射器的任务是对不同型号无人机在不同环境条件下完成稳定可靠的发射。由于电磁弹射器的整体应用能力综合性强，所以利用军事运筹学中作战效能的概念对系统进行评价。作战效能是指武器或武器系统在作战中发挥作用的有效程度［5］，用来描述武器在特定作战环境下完成预期目标的能力［6］。武器的整体效能与其不同方面的应用能力关联紧密，故可以将整体效能分解为多个效能指标，以便对系统分析。

无人侦察机电磁弹射器作为一种武器装备，具有高效率、高安全性、高可靠性、低维护成本、宽适用范围等诸多优势，基于作战情况的复杂性和作战要求的多重性，其效能的影响因素需要从适应战场环境、提高作战能力、提升部队战斗力等多方面进行考虑，得到效能指标主要有弹射能力、机动性、通用性、可靠性以及可控性能力。

弹射能力主要指电磁弹射器的功率属性，与能够承受的载荷、推力大小以及弹射效果等影响系统完成弹射任务的直接因素相关；机动性是指电磁弹射器在作战任务中运输、装卸等的便捷能力；通用性是指电磁弹射器对于不同型号无人机以及不同环境下的兼容能力；可靠性是保障完成作战任务能力，主要包括设备运行的可靠性以及维护的难易程度；可控性能力是指对发射过程控制以及系统参数的调节。这5种效能指标能够从不同方面反应电磁弹射器的整体效能。

2 基于关联矩阵法的系统分析

对一个复杂的系统进行分析评价时，通常希望能够把指标量化，从而可以根据特定的评判标准说明问题。在系统工程中，关联矩阵法是多目标系统评价常用的一种方法［7］，通过将多目标问题分解为指标之间的重要度对比，使评价过程简化、清晰。它的应用过程是:从不同的考虑角度，确定不同的指标模块（又称一级指标），然后将指标模块分解获得二级指标（有些复杂的量表还包括三级指标），建立起具有层次结构的评估体系。关联矩阵法的特点是操作性强、步骤简单，在指标确定的同时赋予权重，即对其各评估要素从不同角度区别对待，从而使得定性指标的量化更科学可靠。

2.1 电磁弹射器效能分析体系的建立

将无人机电磁弹射器整体效能分解为弹射能力、机动性、通用性、可靠性、可控性能力等5个效能指标，每一个效能指标都与电磁弹射器各组成部分有关，以此建立电磁弹射器效能的分析体系，其层次结构分3层，顶层为系统整体的效能，第2层为分解的5个效能指标，底层为电磁弹射器的4个组成部分，结构关系表示如图1所示。

2.2 确定权重体系

建立了分析体系后，需要对各指标量化，确定每个评价指标的相对重要度（即权重）以及关于不同评价指标的价值评定量，这也是应用关联矩阵法的关键。目前确定权重和评价尺度较为常用的有逐项比较法和A·古林法（KLEE法），前者较为简便，后者在对各评价目标间的重要性要作出定量估计时显得更为有效。根据对电磁弹射器的分析需求，采用KLEE法，其关联矩阵构成的基本思路是:

1）把评价指标以任意顺序排列起来，正向依次比较相邻指标间的重要性，并确定重要性比例（即ri），比例越高则相对重要性越高；

2）以最后一项指标为基准，值设为1，逆向计算各指标重要度（即ki）；

3）将重要度归一化，即为权值（即Wi、Sij）。

建立的关联矩阵结果如下页表1、表2所示。

底层电磁弹射器的4个组成部分对顶层效能的综合评定值按下式计算，

表2 不同效能指标下各部分关联矩阵

根据表1、表2的结果，利用式（1）计算电磁弹射器每一部分在每种效能指标下相对整体效能的综合评定值，得到表3。

表3中的每个评定值都是相对于系统整体的，无论是横向还是纵向都具有可比性，且横向和纵向的权值加和为1，计算出的各效能指标相对整体效能重要度的合计值与表1建立的关联矩阵数值一致，表明所建立的评价体系具有合理性。

2.3 分析结果

对表3从横向和纵向两个角度分别进行分析，可以得到电磁弹射器各部分与整体效能的关系。其中每一项比重是针对系统全局的权值。

横向分析可以得到不同效能指标下各部分的贡献程度，有助于在提升系统性能时确定研究重点。不同指标的分析结果如下:

1）弹射能力指标:直线电机和储能设备所占比重最大，都为0.126 021；

2）机动性:直线电机影响最大占0.035 5；

3）通用性:直线电机比重为0.045 045，储能设备和电力变换设备其次，为0.030 173；

4）可靠性:4部分影响程度相同为0.071 5；

5）可控性能力:控制与检测设备占0.066 209，为4部分影响最大项。

纵向分析可以得到同一部分对不同效能指标的贡献程度。例如对于直线弹射电机这一部分，在弹射能力指标上评定值为0.126 021，相比该部分贡献其他效能指标的程度值最大。如果将同一组成部分对不同效能指标贡献量相加可得到“和”权重，即其对整体效能的影响程度，直线弹射电机、储能设备、电力变换设备和控制与检测设备四大部分所占“和”权重依次为0.301 947，0.265 321，0.206 413和0.226 319。

比较5种效能指标权值合计可以看出，将分解的弹射能力、机动性、通用性、可靠性、可控性能力量化后得到对电磁弹射器整体效能的重要程度分别为0.357，0.071，0.143，0.286，0.143。

表3 各因素综合评定值

2.4 仿真验证

将电磁弹射器按照4级10分制，即评分集合R={［0，5），［5，6），［6，8），［8，10）}对应评价等级{较差，一般，良好，优秀}的方式进行评估。假设对一电磁弹射器的评价结果为5分，记作一般，以图1所建立的指标体系为基础，单独改变某一组成部分的指标值，并保持其他指标不变，观察其整体作战效能的变化。将不同组成部分的指标性能提高1倍时，对整体效能评价影响进行仿真结果如图所示。

图2 各部分性能改变对效能影响

图中，“初始设备”为指标提升前的电磁弹射器，从左至右分别为不同组成部分指标提升后的整体效能评价。从结果可以看出，性能提升后，均使得电磁弹射器整体评价结果达到了6分即良好以上，其中，直线弹射电机改变使整体效能评分上升最高，而电力变换设备影响较小，与所得结论相符。

3 结论

将电磁弹射器的整体效能分解为弹射能力、机动性、通用性、可靠性、可控性能力5个效能指标，建立整体效能的系统分析体系，利用系统工程中对系统进行评价的关联矩阵法进行分析，以此为基础分析了各部分对整体效能的影响，结论如下:

1）电磁弹射器弹射能力的强化应重点考虑直线电机和储能设备性能的提升；

2）机动性能力的提高需要重点考虑直线电机的结构、质量等设计；

3）通用性的提高需要从直线电机的设计、储能设备的选型和电力变换设备考虑；

4）在可控性能力方面，控制与检测设备相对比较重要，故应作为研究重点；

5）从对整体效能影响程度考虑，无人机电磁弹射器研究重点应依次为:直线弹射电机、储能设备、控制与检测设备和电力变换设备；

6）5个效能指标中，弹射能力的强弱对整体应用影响最大，可靠性的重要度其次，机动性对电磁弹射器整体应用能力影响相对最小。

所得结论突出了研制重点，明确各部分关系，同时也为电磁弹射器效能的提升给出了参考。

［1］张明元，马伟明，汪光森，等.飞机电磁弹射系统发展综述［J］.舰船科学技术，2013，35（10）:1-5.

［2］Richard R B.Electromagnetic aircraft launch system development considerations［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2001，37（1）:52-54.

［3］王永刚，裴锦华，梁德旺.综合评价技术在无人机发射装置方案设计中的应用［J］.战术导弹技术，2005（5）: 24-27.

［4］赵宏涛，吴峻.舰载无人机电磁弹射器应用能力分析［J］.舰船科学技术，2010，32（3）:78-80.

［5］总参谋部，总政治部，总后勤部，等.中国人民解放军军语［M］.北京:军事科学出版社，1997.

［6］付东，方程，王震雷.作战能力与作战效能评估方法研究［J］.军事运筹与系统工程，2006，20（4）:35-39.

［7］白思俊.系统工程［M］.北京:电子工业出版社，2006.

Effectiveness Analysis of UAV Electromagnetic Catapult

BAO Yu1，WU Jun1，ZHAO Hong-tao2
（1.School of Mechatronics Engineering and Automation，National University of Defense Technology，Changsha 410073，China；2.Air Force Early Warning Academy，Wuhan 430019，China）

UAV electromagnetic catapult is a device consists of multiple subsystems which are closely related，and affect the overall effectiveness in different degree.In order to determine the effect between each part and UAV electromagnetic catapult，the system needs to be evaluated，the overall effectiveness of the system is decomposed into several typical effectiveness indexes，using the relational matrix analysis（RMA）to analyze the evaluation system composed of the catapult subsystems and effectiveness indexes.The various parts of the electromagnetic catapult system effect to overall effectiveness and each effectiveness index is defined，and severalproposals ofimproving electromagnetic launcher effectiveness index are put forward.

UAV，electromagnetic catapult，systematic review，effectiveness index，effect

TM359.4；TJ413

A

1002-0640（2017）03-0032-04

2016-01-21

2016-03-12

国家科技支撑计划基金资助项目（2012BAG07B01）

暴 宇（1992- ），男，河北邯郸人，硕士。研究方向：电磁发射技术。