飞机战伤抢修评估与设计方法综述

2020-07-08祖光然裴扬侯鹏

航空学报 2020年6期

祖光然，裴扬,2,*，侯鹏

1. 西北工业大学航空学院，西安 710072

2. 光电控制技术重点实验室，洛阳 471009

飞机作战生存力是包括先进战斗机在内的现代飞机总体设计重要属性之一。通常认为，飞机作战生存力由敏感性、易损性和战伤抢修性等3个要素组成，其中前2个要素是决定单架飞机生存力的关键要素，也是近几十年来飞机作战生存力研究的主要内容[1]。然而，通过采用易损性减缩与敏感性减缩措施来提升生存力，必然以飞机的寿命周期费用和性能作为代价[2]。不断增加的措施将造成明显的边际效应。在采办成本日益增大的情况下，亟待通过其他手段提升飞机作战生存力。具备高战伤抢修性的飞机能够通过应急抢修迅速恢复战斗力，在任务层面提升了飞机作战生存力，从而满足作战任务需要。

战伤抢修的地位在历经多次战争后逐渐确立。两次世界大战使美英法等国意识到：保持飞机高的战备完好率和出动率是取得制空权的重要保证[3-4]。研究指出，空战前5天，战伤是影响飞机出动强度最大的因素。部分现代战争中飞机作战数据表明[3-4]:随着作战环境和飞机性能的变化，战损飞机数量与战伤飞机数量差距逐渐扩大，从早期1∶3～1∶5的战损与战伤比例，到目前飞机战损与战伤平均比例已达1∶10以上。计算机模拟结论表明：未来战争中飞机战损与战伤比例可高达1∶15～1∶20[5]。

以色列在面对此问题时，通过制定并实施一系列战伤抢修方案，规避了战伤备件不足等弱点，仅以13.1%的飞机战损率完成既定作战任务，初步体现战伤抢修效益[5]。强-5、Mig-29等战时简单抢修也取得积极效果[6]。事实令各国意识到战伤抢修性应作为作战飞机的重要质量特性，在设计和使用过程中加以重视[7]。1981年，美军首次设立“飞机战伤抢修(Aircraft Battle Damage Repair, ABDR)”项目用以确保飞机生存力和服役性，对多型飞机编制了战伤抢修手册、技术指令和工具包等[8]。迄今颁布了多部飞机战伤抢修的技术规范[9-11]。

飞机战伤抢修技术发展大幅提升了抢修效率，凸显抢修对体系作战能力“倍增器”的作用。研究表明，如果抢修时间从48 h减少到6 h，3天内可增加25%以上的出动架次。从不同抢修程度下可作战飞机数量随作战天数的变化趋势(图1[6])可看出：在战损率分别为1%和2%时，抢修程度对可用飞机的影响逐渐增加，到作战第10日，良好抢修比不抢修的可用作战飞机数量高出一倍。

累积出动架次也有显著特征。美军统计数据(图2)表明，尽管战伤战损比随作战天数增加而不断扩大，但战伤抢修后具备完全或部分作战能力的飞机数量仍较多，对累积出动架次影响不大。

图1 可作战飞机随作战天数数量变化图[5]

图2 累积出动架次随作战天数变化[5]

尽管战伤抢修技术不断发展，但国外多份公开报告指出：现有战伤抢修能力与未来高技术战争需求存在较大差距[12-14]。因此，需要进一步研究战伤抢修评估与设计方法，以解决制约包括生存力技术在内的飞机设计发展的关键问题。

本文将从以下几个部分总结飞机战伤抢修评估与设计方法有关内容。首先概述飞机战伤抢修技术体系发展现状，其次根据战伤抢修不同工作性质，将研究领域划分为战伤评估与修复方法、战伤抢修设计理论与方法、战伤抢修维修措施3方面，分别总结各方面技术发展情况。本文重点综述了战伤抢修预评估技术、战场现场评估技术、战伤抢修设计准则与原则、战伤抢修设计与评价方法、战场快速维修技术、战场保障方法等方面的理论与研究进展。在此基础上，针对未来高技术战争环境，提出了战伤抢修需关注和解决的新问题。

1 战伤抢修技术体系发展现状

在飞机作战生存力研究中，不同于易损性和敏感性，战伤抢修性对应于相对独立的战伤抢修技术体系。随着飞机加速向智能化、无人化方向发展，研究构建新形势下战伤抢修技术体系成为战伤抢修技术发展的重要环节。本文将战伤抢修技术的研究内容归类总结，梳理出由战伤抢修组织管理、战伤抢修理论方法和战伤抢修技术组成的飞机战伤抢修体系，其体系组织如图3所示。

战伤抢修组织管理是从系统工程角度出发，通过制定、实施科学完整的计划，组织管理战伤抢修活动。从而提高飞机战伤抢修效率与成功率，同时最大限度降低人力与物力成本，保证战时需要。目前研究涵盖战伤抢修一线维修队伍建设、战伤抢修技术研究队伍建设、战伤抢修发展规划与技术文件制定、战伤抢修组织指挥等。

1) 抢修一线维修队伍建设。队伍建设依赖于实战经验。美国基于实战建立战伤抢修专职队伍——战斗后勤保障中队(Combat Logistics Support Squadron, CLSS)。CLSS对战争初期的飞机战伤负关键责任[15]。为提高抢修效率，美军还探索并建立了作战单元级机动队伍[16]。机动队伍对F-16抢修的模拟实验表明：第30天的作战飞机出动率相较未抢修情况提升2.5倍[17]。目前，抢修队伍建设侧重于吸纳飞机结构专业背景的人员，同时积极组建能够胜任其他任务系统的抢修队伍[15]。以色列等国也建设了相关的抢修保障力量，并形成良好的动员机制，能够为飞机战伤抢修提供足够的队伍保障[18]。

图3 飞机战伤抢修体系组织示意图

2) 抢修技术研究队伍建设。为保证飞机战伤抢修技术不断发展，相关国家纷纷设立专职研究队伍。美国将战伤抢修纳入飞机生存力研究，并规定，战伤抢修关键环节分析应交由生存力/易损性信息分析中心(SURVIAC)处理[19]。阿伯丁试验场及若干高校也设立团队参与了研究。中国飞机战伤抢修研究队伍主要分布于空军工程大学、空军航空大学、西北工业大学等高校。他们在战伤抢修影响因素分析、抢修系统建模中的数学方法等研究中都取得了进展[20-22]。意大利、澳大利亚等国针对复合材料飞机战伤、抢修人员因素对抢修的影响建立了研究队伍[23-24]。

3) 抢修发展规划与技术文件制定。发展规划和技术文件是指导战伤抢修运用的支柱。制定时需考虑现有抢修技术、作战水平等因素，体现满足现实又有一定前瞻性的需求，美国将空军装备连同陆军、海军等作战力量的战伤抢修一并纳入FM4-30.31[19]。以色列制定了较为完善的抢修大纲[25]。中国也制定了首部战伤抢修标准GJB3897-1999，从任务层面出发，规定了飞机属性、任务系统评估等内容。

4) 战场抢修组织指挥。在支持资源足够时，抢修组织指挥水平是影响抢修效能的主要因素。需考虑任务情况、飞机状态、人员与设备保障等情况，并调配相关资源。由于抢修的紧迫性，组织指挥研究集中在决策系统研制[26]，第4节对此有详细说明。

2 战伤抢修评估方法

根据评估属性差异，战伤抢修评估研究可分为目标毁伤评估和抢修效能评估2部分。其中，目标毁伤评估侧重于分析飞机战伤现象，是战伤抢修的前提和重要依据[27]。抢修效能评估是指战伤飞机在规定时间和条件下，经抢修后恢复至某一等级任务要求的能力或概率，侧重于评价战伤抢修结果，是战伤抢修衡量的最终考核指标。关键问题包括目标与威胁综合评估、战伤模式与效应分析、战伤测度确定、战场现场快速评估方法等。

2.1 飞机目标毁伤评估

毁伤评估是飞机战伤抢修策略、方法需要的重要基础数据来源。从战伤时序及特性角度分析，将毁伤评估分为预评估和现场评估。预评估的目标是通过一定手段预测战伤情况，根据预测结果制定抢修指南、抢修方案等。现场评估是以经验和预评估结果为基础，根据战伤飞机情况现场决策战伤飞机抢修的必要性、可操作性等。

2.1.1 战伤抢修预评估

根据战伤抢修预评估的目的，评估内容涉及目标与威胁综合分析、战伤模式与效应分析、部件与系统战伤评估以及修复方法与资源分析。

目标与威胁综合分析是根据战场环境中飞机目标、威胁的状态参量及特征参数，并考虑环境因素后综合分析遭遇后情况。该环节共包括3个阶段[28]：

第1阶段需要在确定飞机类型的情况下，分析任务包线、操稳特性、隐身特性等因素。其中，操稳特性、隐身特性记录于各型飞机技术手册中。预评估中更侧重对各型飞机的任务包线的评估与预测。任务包线研究起步较晚，成果相对较少。目前研究以构建框架为主，并以飞机具体任务系统或作战过程为对象完成对飞机任务包线的分析工作。何宇廷[29]从安全飞行和机构寿命两个角度建立了飞机安全服役包线体系，但未考虑飞机系统变化情况对包线的影响。Shin等[30]将飞控系统功能丧失纳入到飞行包线变化分析过程，并给出了较多分析案例作为支撑。刘小雄等[31]提出了操纵面故障后飞行包线的各参数变化的估算公式，为综合考虑飞机操稳特性与包线变化提供了简便方法。Asadi等[32]针对受损飞机的飞行包线采用数值仿真方法进行了分析。随着大数据、人工智能技术的应用，针对任务包线问题的分析也逐步从流程驱动模式转向数据驱动模式，如Zhang等[33]将不同飞机失效案例作为基础数据库，包含局部气动参数丧失、结构损伤在线分类等功能，为飞机安全飞行包线的预测提供了数据支撑。Nabi等[34]考虑到战场环境下系统脱机情况，以不同飞行条件结构失效为例，提出了在无网络情况下，根据实际输入情况预测任务包线和建立数据库的综合方法。

第2阶段是确定威胁类型及其任务包线，包括反飞机攻击来源(空、天、地、海、网或其组合)及类型、攻击时机(飞行过程中)等。常见的反飞机武器包括防空火炮、机炮、反飞机类导弹及高能定向武器等。其中，针对防空火炮、机炮等不具备自主寻的功能的攻击单元，其研究主要以终点弹道学为理论基础，数十年来的发展已经形成了较深厚的积累[35]。而导弹对飞机造成的威胁程度较大，其毁伤情况通常与其火控系统有直接关系，因而对导弹任务包线研究成为重点。与飞机任务包线分析类似，导弹任务包线是建立在其发射包线的基础上分析得出。传统的导弹发射包线计算通常建立三自由度或六自由度模型，效率偏低，且分析过程中并未考虑到真实的攻击情况。分析导弹任务包线通常与其攻击区相结合。崔晓宝等[36]根据不同的导弹攻击区，将包线划分为远距包线和近距包线2种，最远和最近发射距离被视为导弹“命中”与“脱靶”的分界线，并在此基础上提出了“有利攻击区”的任务包线。近年来，诸如神经网络等人工智能(AI)算法逐渐应用到解算导弹任务包线方法研究中，大幅提升了任务包线的计算精度[37]。

第3阶段是综合估计飞机受各类威胁攻击的概率，并确定遭遇时双方系统的条件。因此，不仅要考虑威胁的性能、工作状况和杀伤能力，而且要考虑到飞机可被探测的信号强度、飞机性能、干扰措施使用、自卫武器等。本质上属生存力中敏感性研究内容。Ball[28]对影响飞机敏感性的各种因素进行了分析，并重点解释了电子对抗对敏感性产生的影响。郭晓辉等[38]进一步给出了具备电子对抗功能飞机的探测概率、红外制导导弹干扰效果、杀爆战斗部击中飞机的概率计算方法。此外，针对箔条及噪声干扰、数据链、雷达干扰等因素也开展了系列研究[39-41]。而敏感性涉及到的另一个问题就是航路规划设计，即寻找航路捷径。作战飞机的航路捷径即为战术层面保证飞机到达目标区域的最优可飞行路径，特别是在威胁联网时，通过分析各火力单元对飞机毁伤概率，研究最优的航路捷径方案[42]。郭凤娟等[43]指出航路捷径增大可使高空无人侦察机在导弹防御区内停留时间变短，从而使作战飞机生存概率增大。研究方法包括A*及其改进算法[44]、动态规划法[45]、Voronoi图法[46]、遗传算法[47]、粒子群算法[48]等，随着技术发展，AI算法也将用于解决该类问题。

战伤模式与效应分析是战伤抢修预评估过程中的另一个重点。姚武文等[49]详细地总结了17种飞机战伤模式及其形成原因。据统计，在这些战伤模式对应的战伤事件中，约90%是由于飞机气动外形和内部结构部件的损伤造成的，因此，研究中侧重基于毁伤的飞机气动特性和结构性能。Render等[50]采用风洞试验方法对比飞机机翼战伤前后特征，发现升阻比下降较大。Pei等[51]对飞机机翼穿孔现象研究表明，当尺寸占翼面面积10%～50%时，飞行速度下降约20%以上。尽管在单次打击下，飞机气动外形和结构件是战伤的多发位置，但飞机各个任务系统的战伤情况同样需要重视。如图4所示，在大量数据统计得出的飞机任务系统平均战伤概率中，除结构外，控制系统、燃油系统、推进系统等也具有战伤高发特点，这些系统中的关键部件分布在飞机各部位，战伤将导致飞机放弃执行作战任务甚至战损情况。由于战伤机理较复杂，因此需进一步分析系统与部件的战伤抢修评估策略。

部件与系统战伤评估直接关系到战伤抢修预评估结果，包括战伤区域分析、战伤试验与仿真评估。

在战伤区域分析方面，首先需要对飞机所处结构区域进行分析，分析依据包括飞机设计强度规范和结构完整性规范，特别是安全系数、强度储备、气动性能等指标。由于性能要求不同，需要将飞机结构按照一定准则划分区域。

在战伤试验与仿真评估方面，由于飞机战伤具备高随机性特点，战伤部位、类型、修理时间等均不确定，因此，除评估各个系统的战伤抢修性能外，也需要将飞机整体作为研究对象，通过综合分析评判飞机战伤等级，为现场评估提供依据，评估方法主要有实弹打击和战伤模拟仿真2种。实弹打击主要采取地面静爆试验方式，根据打击形式分为局部打击和全机试验2种。局部打击主要进行原理性探究，如采用分离靶板形式。而全机试验更具有普遍意义，潘庆军等[52]总结了某型飞机全机地面静爆试验过程及结果，并对产生的问题和相应的对策做了说明。尽管实弹打击对理论分析做出直观印证，但由于实弹打击造成武器装备损耗、环境污染、人员伤亡和可重复性差等问题，计算机仿真手段逐渐应用于飞机战伤预评估，可预测未来的战伤状况、动态显示战伤形成过程，将分析得到的数据可构建数据库，作为现场评估的分析参考实例。SURVIAC[53]、美国空军研究实验室[18]、NGRAIN[54]等组织开发了多套基于战伤抢修的目标毁伤评估系统。中国也建立了多套较为成熟的评估系统[55-57]。在战伤抢修方案制定过程中，也需要针对特定部件结合毁伤元特征，从气动外形、静强度/刚度/疲劳强度、几何形状和防腐气密做出分析。如针对受损飞机机翼气动变化情况，首先研究了二维形式[58]，得出当战伤程度提高，会导致阻力增加、升力下降，俯仰力矩负面效应扩大。针对三维情况导致复杂程度加剧，简化算法成为评估关键，Pickhaver和Render[59]采用并行算法研究了毁伤位置、尺寸、角度对气动性能的影响，为评估关键战伤情形提供理论和试验依据。针对航电系统，马建卫和严东超[60]提出了飞机电网络战伤的仿真评估系统建模方法。针对离散杆对结构的侵彻杀伤，张建华和侯日立[61]建立了一种离散杆战斗部威胁下的飞机杀伤计算模型，姚武文等[62]研究了飞机遭受离散杆战斗部打击的切槽损伤分析，主要是从实弹打击和数值模拟分析预测飞机的损伤模式，陈国乐等[63]分析了离散杆速度和靶板厚度对飞机毁伤效应的影响。Pan等[64]采用仿真方法分析了不同模式下离散杆侵彻靶板前后的变化规律，并拟合出计算公式。蔡开龙等[65]建立了某涡扇发动机战伤对性能影响的部件级非线性仿真模型，并给出了破孔损伤对性能参数影响的定量计算方法。

图4 飞机任务系统平均战伤概率

对战伤抢修采取措施前后的评估工作也是预评估中的关键。对蒙皮的战伤常用平板型补片胶接处理[66]。经过数值模拟并实际应用发现，针对壁板战损时，采用波纹补片修理比平板形补片在强度上提升19%以上[67]。补片的特性也直接影响着飞机的气动性能。在战伤抢修中，补片应选取长度远大于厚度的材料，二维补片的气动效应可认为是由于前向和后向独立造成的、边界层性质和边界层上的粗糙度分布也对气动效应产生一定影响。Carnegie[68]通过数值仿真分析了F-18机翼受损后采用1.27 cm厚度补片位置对飞机升力和迎角的影响，并采用低速风洞试验对其进行了验证[69]，在小迎角(≤3°)情况下仿真结果基本一致，大迎角(>3°)时试验和仿真数据偏差较大，需进一步研究补片在大迎角情况的效应。此外，补片厚度与形状之间的关系也成为了讨论点，文献[17]指出，方形补片相较其他形式对厚度更敏感。但补片形状与位置、厚度三者之间的耦合关系还需要进一步分析。

对于其他部件的预评估也开展了相关研究。于克杰等[70]对某飞机机翼壁板战伤的胶接修理进行了仿真，并给出了修理所需的搭接宽度。对于飞机遭到多弹伤情形，需综合考虑几何、应力条件及裂纹等因素，确定对胶结补片厚度、边距对结构强度的影响[71]。采用复合材料修理战伤的金属结构，可以实现快速抢修，在一定程度上满足强度要求[72]。然而，采用替代材料修理损伤飞机结构中的一个难点在于，修补后补片与原结构连接处产生应力集中，且与未损伤的材料组成超静定结构，应力分布较为复杂，无法用试验手段评估修复后结构的强度、刚度等力学特性。熊晓枫和孙秦[73]基于FEM方法研究了复合材料胶接壁板修补前后的效果，详细分析了补片铺层对修补后结构极限强度的影响。侯日立和周平[74]采用数值仿真方法研究了补片参数对修复后结构强度的影响规律，并建立了修复后结构强度的经验公式。但由于飞机建模耗时较长，陈博等[75]发展了基于MSC.Patran的飞机结构战伤抢修参数化评估软件，为战伤抢修预评估提供了一种通用化平台。

抢修方法与资源分析目的是最大化飞机系统抢修效益，以抢修任务资源需求为牵引解决问题。完成战伤抢修任务除需要一定的资源消耗外，还面临时间限制。而抢修可用资源总量有限，不能完全满足抢修任务需求，抢修任务间的资源需求冲突必然客观存在[76]。因此需要合理化安排抢修资源。目前针对战伤抢修理论与资源分析，主要采用混合粒子群算法[77]、证据理论分析[78]等研究方法。

2.1.2 现场评估

现场评估也称为毁伤后评估，是根据毁伤前评估结果并结合历史经验做出分析的过程。作为战伤抢修修复过程的组成部分，时间是现场评估的关键限制条件，在真实作战场景下，飞机遭遇威胁类型多样、毁伤程度各异、战伤种类较多，战伤评估时间取决于战伤数量，为确保现场评估满足时间约束，应保证评估的快速高效性。目前所采用的方法可划分为经验评估法和智能评估法2类。

经验评估法是基于试验和现有基础理论，通过现场查看飞机战伤状况，并结合飞机受损部件材料特征、结构变形程度等属性快速评定战伤等级与剩余性能。由于绝大部分战伤部位集中于外形和结构件，因此评估标准以力学性能为主。美国在研究飞机高生存力设计问题时，引入了一种基于试验的“修正的断裂力学判据”，但仅限于裂纹分析过程[79]。侯日立等[80]以撞击试验结果为依据，通过对比该判据与净截面屈服判据，传统断裂力学判据的准确度，将该判据引入到战伤抢修评估，在战场环境下，可根据材料性能和弹伤特征迅速评定战伤情况。针对复合材料层合板结构圆形穿孔，在不深入研究二次渐进损伤的情况下，可采用应力场强法工程简化模型快速评定结构剩余强度[81]。尽管经验评估法计算速度较快，可操作性较强，但由于近年来飞机采用大量新技术新材料，面对出现的“种类更多、样式更新、复杂度更高”的毁伤特征和判断经验缺乏的矛盾，在短时期内暂无法对新型飞机采用该方法。

随着人工智能技术的发展，智能评估成为了战伤抢修现场评估的新选择。该方法优势在于采用信息化与网络化手段实现对飞机战伤程度的快速评估。空军工程大学建立了基于AI的评估与决策系统(图5)，并详细介绍了模型库[26]和知识库[82-83]的建立方法。冯海星和先明乐[84]采用基于相似度方法设计了可检索战伤评估案例及处理办法的专家系统，为抢修过程提供了更有价值的参考。

图5 智能战场评估系统基本结构

作战过程中，除了单架飞机的战伤抢修问题外，抢修队伍还可能面临短时间内多架战伤飞机需要返回基地抢修造成更高工作强度的问题。为了保证战伤抢修有序进行，还需要从战伤飞机资源(备件、人员和停放位置等)调度方面根据重要性分析战伤抢修的次序问题。在此情况下，除了时间限制外，成本限制也需考虑。传统的评估技术难以满足这一要求，军方将应急规划问题纳入现场评估技术中，如美国利用智能规划语言(如PDDL)采用网络手段综合评估战伤飞机情况后安排战伤修理顺序[85]。

2.2 战伤抢修性效能评估

战伤抢修性效能评估分析的主要任务是度量战伤飞机修复后的有效性和完成作战任务的能力。其中，战伤飞机修复后的有效性是指修复后的飞机系统是否达到战伤容限和系统的性能参数变化允许值，如压力极限、容积极限、行程极限、油箱泄漏率和特殊布线要求等。衡量完成作战任务的能力是判断系统修复后飞机执行任务是否有限制。在对战伤抢修性效能定义、使用层面等方面的认知还存在差异[57, 86-87]。由于战场抢修目标是使飞机达到所需作战状态，因此在评估战伤抢修效能过程中，需要以状态为研究切入点。经过战伤抢修后的飞机会具备4种状态中的一种：只具备基本飞行能力、具备短时作战能力、具备长时间部分作战能力、具备完全作战能力。在飞机运用层面判断这4种状态即可断定战伤抢修效能。

然而，对于更复杂的情况，还需考虑以下3方面问题：① 如何定义、判断和描述飞机在需要执行任务时飞机系统的状态；② 需要考虑飞机在执行任务过程中修复系统实时状态，分析和描述系统状态变化以及何种条件变化对抢修完毕的系统具有较大影响；③ 需要考虑战伤抢修后的飞机执行任务时，抢修方法对飞机固有属性的影响程度，修复系统的状态以及状态转移对系统完成预期任务能力有何种以及多大程度的影响。李寿安等[88]针对战伤抢修对飞机战斗力的影响，提出了基于马尔科夫过程的动态评价模型。对以上这些问题的探讨，事实上是从更加科学角度分析飞机战伤抢修效能影响因素的过程。这些影响因素包括任务可靠性、生存力、安全性及飞机各个任务系统功能等，同时它们也是构成系统修复效能的主要组成部分。建立这些因素及其度量与飞机的预期任务的联系，就可以确定修复之后系统效能，指导评估员做出最终的抢修决策。

评价指标和判据是战伤抢修性效能评估的基础。确定评价指标应充分考虑非线性、实践性的特点。尽管目前对指标体系组成意见不完全一致，但可将常用的指标以表1所示的分类形式建立体系。

战伤抢修性效能评估分析最早沿用维修领域中的试验统计法进行研究，然而由于对战伤抢修的属性认知不到位，分析结果并未完全体现战伤抢修性效能。随着对战伤抢修性的认知不断增强，性能分析逐渐转向研究战伤抢修的多层次性，其中大部分研究基于层次分析法(Analytic Hierarchy Process, AHP)，并结合具体目标作出改进。但AHP法在计算精度、客观性等方面存在不足，一些学者开始将AHP法和其他方法进行组合来展开分析。侯满义等[89]将灰色理论与层次分析法关联提出了分析模型。张均勇等[90]采用奇异值分解形式提取专家意见，运用集对分析理论对效能做出评价，但并未指出方案评价系数选取依据。

表1 战伤抢修性效能评估指标体系

随着对战伤抢修性效能评估的深入研究，目前已经形成了2类评估模型：基于状态空间与任务关系的效能评估指标、模糊AHP与熵值法结合的效能评估模型[91]。然而由于涉及的内容较多，且在各因素之间存在复杂性和不确定性，目前战伤抢修性效能评估仍是本领域的研究重点。

3 战伤抢修设计理论与方法

战伤抢修性的高低不仅与抢修过程有关，也与飞机自身的复杂度相关。随着生存力提高，飞机战损率不断下降，但威胁效应导致飞机战伤率快速增加，仅靠提高保障人员的现场抢修能力来提高飞机战伤抢修效率的难度日益增大。

在现代飞机设计时，突出要求飞机具备高战伤抢修能力的设计特性。其原因有2个：① 飞机复杂程度增加为战伤抢修带来了更大挑战；② 飞机维修前后的结构强度、刚度以及部件、结构布局等会发生不同程度变化，而这些变化会对战备完好率、作战强度、费效比等产生较大影响。

从飞机作战生存力角度考虑，将战伤抢修性纳入飞机设计过程，可从根本上改善抢修能力与水平，从而提高飞机作战生存力。

3.1 战伤抢修设计准则

根据影响战伤抢修设计各种因素的属性，将战伤抢修设计准则要求划分为如图6所示的2类：一是使飞机自身具备易抢修特性(固有抢修性)，二是使飞机综合保障满足抢修需求的能力(外部抢修性)。

3.1.1 固有抢修性设计准则

战时飞机的固有抢修性与飞机设计原理和可操作性相关，具体从战伤评估和战伤修复2方面考虑。

1) 战伤评估类设计准则

战伤评估类设计准则主要包括功能(结构)模块化设计、抢修可达性设计、应急诊断测试设计、电线和管路标识设计等。

功能(结构)模块化设计是指在飞机设计时，考虑各机型通用部件或子系统，将其组成通用平台，通过添加或替换模块形成不同型号，以满足不同的技术和使用要求[92]。欧盟各国研发了飞机/直升机模块化机电作动器,成果已在发动机、电子设备、结构和机械系统等系统和部件中应用[93-95]。型号应用层面，以F-35为代表的五代机设计时已明确规定结构应保证模块化，如中、后机身采用模块化复合材料[96]。

模块化设计与优化密切相关。Pate等[97]指出了模块化设计的难点，如采用复合材料构建模块化结构过程中需完成优化，但除考虑重量外，还需考虑模块维度、大小、模块配置与最优数量等因素，设计难度相对较大。

图6 战伤抢修设计准则组成图

抢修可达性设计是指需要战伤抢修的所有部件，特别是关键部件应具有应急检测通道的设计。可达性设计分视觉可达、实体可达和操作可达3类。但与维修可达性设计不同，抢修可达性设计的直观表征是飞机开口占全机面积的比例，即飞机开敞率。目前已有关于可达性设计评估的研究[98]，但需要基于评估结果进一步研究设计方案。

应急诊断测试设计是指飞机能及时准确检测功能系统受损程度并自主评估剩余作战能力的设计特性。该特性关系到飞机故障检测质量的好坏。由于飞机各任务系统的工作原理不同，因此研究方法存在差异。如针对飞控系统，目前以多操纵面飞机舵面损伤情况下的诊断设计为研究的热点，主要研究方法包括采用多模型自适应估计方法[99]，借助卡尔曼滤波器、强跟踪滤波器等手段可实现快速诊断[100]，王发威等[101]提出利用改进方法在评估剩余作战能力，评估结果偏差不超过7%。此外，初步研究了动力系统等系统的应急诊断设计[102-103]。如机载电子设备诊断系统能实现故障的自动检测和隔离，使飞机故障得到简便迅速排除，美军F/A-18电子设备中有95%利用机载自保装置，可在5 min内实现外场故障隔离并完成换件。

电线和管路标识设计是指电线和导线受损后，能根据标记或计算机识别手段实现快速修复的设计特征。由于大部分电线设计时可达性较差，因此研究侧重于快速识别功能。Morris和Watkins[104]设计了可实现自预报功能的飞机电线，可在战伤情况下指出损伤部位及程度，并可实现改装等功能。

综上分析，目前战伤评估类设计准则与维修性、抗毁伤设计等领域存在交叉，但研究内容更侧重于原始理论。在满足战伤评估要求的设计，如快速、非标准化等设计指标还需进一步开展工作。

2) 战伤修复类设计准则

将战伤修复作为设计准则本质上可视为飞机易损性减缩设计的延伸。既包括易损性减缩措施中的余度设计，替代设计等，也包括通过合理选用易修材料、标准化设计、防差错设计等提高备件利用率，降低成本的方法。

标准化设计是航空装备“三化”的重要指标之一，有利于备件储备、战伤抢修拆拼、互换或代替修理。标准化设计工作初期需解决零部件设计过程中存在的问题，以提高其战时使用性能，李永浩[105]针对航空电气开关等部件标准化的路径，提出应首先规范产品标准。抢修中的互换性设计、单元体和组合件设计也形成于标准化设计。以互换性设计为例，在战伤抢修过程中，为保证关键能力，有时需要用原则上不能互换的部件暂时替代战损部件，通过降低或牺牲非关键功能换取关键功能，使装备恢复主要作战能力，此时就需要标准化设计实现该目标。如在不同型号飞机中，若具备相同功能部件的接口和支座相同，必要时可互换。设计时应考虑这一因素，根据一线抢修人员反馈，区分飞机自身主要功能与非功能件零部件，并确定可替代部件的件号、名称和性能。

为提高抢修效率，飞机各部件需采取防差错设计以降低抢修人员战场出错率，如长方形结构部件不采用四边直角，对称形状结构采用非对称紧固件，采用明显警示标志注明抢修差错等。

3.1.2 外部抢修性设计准则

外部抢修性体现战伤飞机抢修所需资源对战伤抢修能力影响程度。战伤抢修过程需要考虑工具与抢修设备、运载平台、备件储备和抢修人员配合。设计时应充分考虑上述因素制定设计准则。

在工具与抢修设备设计方面，美军根据装备/任务类型的差异，采取开发不同的战伤抢修工具箱，并配置于主战装备或前沿基地。中国针对飞机火控系统部件级抢修需要设计的“HKRE”抢修仪[106]。为适应抢修环境和抢修性要求，抢修设备仍需向小型化、通用化、多功能、模块化、智能化、野战化的设计原则。

具备良好机动性、敏捷性和保障性特征是运载平台设计的重点。美军根据飞机抢修需求设计了多种运载平台。如安装有起重装置和绞盘牵引装置的抢修车辆，通过起重、拖曳功能将战伤飞机拖至安全地带或修理场所，其起重装置还可进行大件的换件修理。此外，与重装备平板运输车配套使用时，可执行战损或故障飞机的后送任务。针对机加工、钳工、故障检测诊断和损坏零部件更换等抢修作业，将修理工程车设计为轮式或履带式。修理方舱设计时应体现最佳运输方式，保证运输时间最短且不占用运载车辆，以实现设备保养费和储存费的大幅降低。针对特殊情况还需设计介于工程车与方舱之间的挂车。

备件储备优化设计方面，由于故障位置差异性，对不同备件储备量、形式与抢修需求间关系成为关键因素。需采用计算机模拟和实弹试验相结合方式，确定合理的零部件储备量，确保战时航空备件的供应。

抢修人员的可靠性直接影响抢修任务完成度。由于战时抢修环境更复杂、任务更紧迫，要求抢修人员必须具备更高素质。目前研究主要以人因可靠性入手，根据抢修人员失误情况分析结果设计战伤抢修流程、抢修部件等。常用分析技术包括研究人员失误概率预测技术、人的认知可靠性模型、成功似然函数法、人误评价与减少方法、认知可靠性与失误分析方法、人的失误分析技术等。

3.2 战伤抢修设计原则

与设计准则不同，设计原则是作为指导飞机各设计阶段如何凸显战伤抢修性的根据。各阶段设计原则研究体现在以下方面。

1) 在论证阶段需要提出战伤抢修性设计要求。在固有抢修性方面，需要提出战伤抢修时间限制、抢修等级分析等指标。在外部抢修性方面，需要提出战伤备件、应急维修装备、人员数量与类型等要求，并将其纳入到飞机设计任务书中备查。

2) 在初步设计阶段，需分析影响战伤抢修的主要因素(可靠性、维修性、保障性等)，并给出定性或定量描述，目的是提高飞机的作战效能。可借鉴飞机易损性分析原理，建立不同战伤抢修等级标准，并对部件种类进行划分为余度件与非余度件，关键件与非关键件进行分析。通过对其结构强度、刚度或系统部件的提前测试。陈素彬等[107]给出了7项有助于提高战伤抢修性的设计措施，对结构、控制、航电等系统提出了建议。也可采用生存力研究方法，在给定易损性和敏感性的基础上，建立战伤抢修性的影响情况。战伤抢修首先快速诊断战伤系统或部件功能是否正常或是否可以继续作战，设计上提出机内检测设备战伤后应急使用的简易监测技术，包括适用于战时的功能或参数(如温度、速度、电压等)限度。

3) 在详细设计阶段，基于初步设计结果，对战伤抢修性与总体性能之间达到优化平衡，在这个阶段要尽可能使飞机的战伤抢修性定量化。同时，还应在设计不同水平的抢修性与性能、费用、进度之间综合权衡。

4) 在生产与部署阶段，对改变其结构设计的建议必须加以审查，以确定对飞机的战伤抢修性是否有不利的影响。

5) 在使用保障及后续改型阶段，对飞机装备系统的战伤抢修性要不断评审，对改装或改型的飞机装备也要注意评审与验证，记录飞机战伤抢修性的相关问题，并及时向有关部门进行反馈，以利于下一步的改进与完善，设计阶段所设计的抢修性最终要通过实践检验，所以，来自部门实际工作的信息相当重要。

事实上，飞机战伤抢修性设计的优劣还需考虑一些行之有效的战场修理方法(如新技术、新工艺、新材料和拆配等简易方法修复元件)。此外，使用人员、维修人员的平时培训、临场发挥等因素也与战伤抢修有着密切的关系。因而战伤抢修设计原则还需不断完善。由于中国缺乏大规模实战经验，导致许多分析方法和相关技术不够完善，重视外军飞机装备战时抢修案例，经验积累和分析可为中国飞机战伤抢修设计提供重要参考。

3.3 战伤抢修设计评价方法

判断已服役飞机战伤抢修性设计是否达到预期目标，需评估飞机使用中的抢修性。同时以利于对薄弱环节进行改进、提高。主要是依据战伤抢修性设计准则等理论确定评价指标，再运用相关的评价模型进行评估，得出反映飞机战伤抢修性设计评价结果。目前，关于战伤抢修背景下的设计评价方法可通过已模块化部件与可模块化部件比值作为衡量模块化设计程度的标准。应急诊断测试可采用原位监测结构数量与结构总数量的比值作为指标。

4 战伤抢修维修与保障

作为战伤抢修的核心工作，抢修维修与保障受到飞机设计、生产、使用各环节重点关注。随着新技术不断应用，战伤抢修中维修与保障任务面临的挑战日益增大。归纳抢修维修与保障任务所面临的问题，可分为抢修过程、抢修训练和抢修保障系统3方面。

4.1 战伤抢修过程

广义层面的战伤抢修过程包括现场战伤评估和战伤快速维修。战伤抢修方式可分为现场修理和后送修理2类。其中现场抢修包括分队自主修理、伴随修理、巡回修理3类，后送修理采用定点维修[108]。其中必要的工作集中在抢修方案制定。在这一环节，需要一般依据结构修理手册、飞机设计资料等进行分析。由于高杀伤威力武器的打击，还需要依据现场情况予以验证抢修方案的正确性。毁伤后评估一般需要作外观检查、功能检查和性能测试。

针对战伤抢修的维修过程，由于各军兵种对飞机抢修的人员数量、队伍编制的情况有所差异，需要根据实际情况建立相对应的规范。但重点要保证在时间受限情况下提升运作效率。王贤菊[109]使用Petri网建立战伤抢修系统模型分析了战伤抢修时间，齐胜利等[110]利用高级分层着色Petri网对装备战伤抢修系统进行建模，但并未考虑Petri网变迁触发概率分布情况。刘勇等[111]将时间变迁由指数分布拓展到任意分布，同时定义三级抢修系统，加入层次分解缩减状态空间，获得满足时间要求的结果。

4.2 抢修训练相关技术

虚拟抢修技术是指通过仿真方式实现虚拟战伤抢修训练并评估抢修后性能的技术。其中，虚拟战伤抢修训练是本技术的关键价值。目前，该技术主要用于承担抢修人员实际抢修过程评估、维修、更换等训练任务。美军早期采用半虚拟抢修技术进行训练，运用3D课件和网络教学平台，通过专用网络为美军各部队提供战伤抢修培训、指导和支持[112]。英国皇家空军成立了专门抢修培训小组，对相关兵员进行战伤抢修技术和项目培训，目前已覆盖结构、电气系统、航空电子系统和武器系统等4方面的战伤抢修科目。

随着虚拟现实(VR)技术发展，如何将VR技术投入战伤抢修训练成为研究热点。罗-罗公司采用VR模型代替实体模型，演示发动机的早期组装与维修[113]。美国Wright-Patterson空军基地与GE、洛克希德·马丁公司共同开展了“Service Manual Generation”研究项目，其中在虚拟确认部分采用VR技术检查了“任务生成”和“维修顺序”结果的正确性。洛桑大学对虚拟环境中虚拟人与虚拟对象的实施交互问题进行了深入研究，并提出交互特征描述模型。英国索尔福德大学的虚拟环境中心建立了IPSEAM系统，用于维修仿真并可用于训练。

虚拟抢修关键技术主要包括面向产品的虚拟抢修理论与方法和面向维修保障系统的虚拟抢修理论与方法。郝建平等[114]总结了虚拟维修与抢修步骤，目前需要解决具体的技术问题，包括可视化技术、虚拟抢修开发环境、建模仿真技术、集成体系结构、模型验证确认技术和分析评价技术等。

4.3 战场快速维修技术

狭义层面上的战伤抢修即战场快速维修技术。该技术的优劣直接决定战伤飞机后续状态，即修复后战伤飞机是否重新作战、返回基地大修或纳入战损飞机序列。

战场快速维修技术初期采用的修复工具与流程同常规维修过程近似，常用铆接拼修修理方式，这是由于当时作战飞机大多属于二代、三代飞机，主要使用铝合金材料所致。但因战伤部位不确定性和技术限制，只能实现对易到达区域的简单修补，且有时需另开工艺孔。对于部件出现的不规则或大尺寸损伤，只能采用切割和焊接技术修复。

随着技术的发展，现代战伤飞机快速修复已经形成了两步骤六工法的修复形态。两步骤包括对不规则损伤的切割、修整以及对结构形状、尺寸和性能的修复。六工法包括更换、重构、拼修、替代、原件修复、制作等6种方式。可以针对不同战伤部位、材料与结构形式的部件开展相关分析。

针对不规则损伤修理问题，首先需预处理，使毁伤区域清洁平整以不影响后续维修。我军主战飞机的表面处理主要采用硫酸阳极氧化法，表面微孔用K2Cr2O7填充[115]。夏丹[116]提出对飞机蒙皮再制造的氧化预处理工艺，使胶接强度明显改善。对于机翼主梁等超高强度钢制部件战损而导致保护层破坏，李建霞等[117]提出采用不发生氢脆的电刷镀方式修复保护层。

抢修第1阶段在完成预处理后立即开始，主要任务为处理不规则损伤。美军通常采用图7所示方法对小孔洞进行修整。

然而，这种修补方法适用范围仅限于薄板，对较厚或刚度较强的材料并不能达到预期效果。因此有研究人员对其他可能的方法进行了探索。胡芳友等[118]提出采用激光对毁伤区域进行切割、熔覆手段修补金属飞机破损区域。然而采用激光焊接影响高反射性、导热性合金材料性状，加之设备昂贵、庞大、施工空间小等原因，目前还无法投入实战。此外，在常温下难以对钛合金结构切割或钻孔、对复合材料结构切割会引起材料分层等二次损伤。近年来，聚能切割技术逐渐应用于飞机战伤抢修过程，由于效率高、作业快、切割深度大、安全性强等特点，成为战伤抢修技术发展新方向。

在结构形状、尺寸和性能的修复方面的公开研究文献较少，内容主要针对战伤金属飞机的分析。如破孔的铝合金表面，通常采用托底修补法[21]。而对于钛合金、复合材料和高温合金的损伤，由于材料特性及其制造技术的特点，采用铆接技术修复难度较大，因此其损伤修复技术必定大大不同于铝合金结构的修理技术，需要开发新的抢修技术才能适应材料的变化。现代抢修的先进性体现在：一是利用高性能的复合材料、预制件和预浸料作为连接件直接胶接到飞机的损伤部位，以提高修补技术，二是利用微波技术使胶层迅速固化数十秒至数分钟，从而提高界面强度并实现快速抢修[119]。三是采用更快速的方法，如碳纤维加固、无电焊接、3D打印等。

图7 美军飞机蒙皮战伤抢修示意图

图8 复合材料靶板金属补片实验

此外，应急快速离位修理在战伤抢修过程也占据重要作用。对临时修理材料及其技术的研究成为热点，等强度胶接修复技术是目前完成战伤抢修的主要思路，特别随着先进复合材料的发展，复合材料补片技术已于20世纪70年代被国外应用于金属构件损伤的抢修[120]。王新坤等[121]采用改进的粘接剂缩短了固化时间并提高粘接性能。许松等[122]在战伤抢修中应用紫外光固化复合材料补片，取得了良好效果。Roskowicz和Smal[123]指出，目前针对铝合金蒙皮战伤修复主要采用的是复合材料补片技术。

尽管补片修复相对机械固定具有一些优势，如减少应力集中、改善气动性能。但是在评估粘接质量上存在非常大的困难。因此，补片修复通常用于非关键结构件，而不用于承载高载荷、断裂或疲劳结构。虽然已有许多关于补片维修问题的研究，但是缺乏快速与实践性的技术确定补片粘接的整体性和承载能力，这已成为在使用补片技术的一个大问题。前提需要解决补片前后损伤变化情况。一些非拆卸探伤技术已经用于修复补片和搭接的探测。Genest等[124]介绍了采用脉冲热成像技术用于探查未粘贴部位，并监测未粘贴部分的增长情况就是解决这一问题的主要手段。

4.4 战伤抢修保障

战伤抢修保障是指抢修战伤飞机所需的所有保障资源及其管理的有机组合[87]。通常从资源要素和管理要素2方面开展研究，其中重点聚焦于备件需求预测与供应。

备件供应是影响抢修任务顺利完成的关键因素。GJB4355-2002中指出采用二项分布方法计算战时备件供应数量，为了节省修理时间，换件是常见的修理方式。但由于备件价格通常较高，备件类型、数量不足会导致某些战伤部件无法修理，备件过多则造成不必要积压，增加保障成本。

由于常规修复和战伤抢修的不同，备件供应应按照战伤抢修特点确定[125]。较为早期的战时备件需求预测将研究对象集中在飞机本体，采用模糊数学、AHP法[126]和神经网络[127]等作为预测方法。目前主要从2方面开展研究，一方面是从备件战伤类型、重要度、故障率、维修性等自身特征入手，即对飞机生存力的影响。另一方面是从备件在飞机上所处位置角度分析。赵培仲等[128]利用熵权法将位置、关键性和可维修性三者作为指标确定备件数量安排。Yao等[129]考虑飞机战损/战伤率、部件易损性、备件类型等因素，采用层次分析模型提出了需求预测模型。在实际抢修过程中，由于单次可携带备件限制，要求备件供应具备精准化、动态化、低成本的特征。近年来相关研究逐渐转向对备件需求与供应的动态规律。田瑾等[125]采用系统动力学原理分析了“需求牵引”模式下的备件物流结构，研究了供需差异的动态变化规律，找出系统性能与系统参数之间的关系，从而为策略分析和系统设计提供依据，胡一繁等[130]则运用马尔科夫链法，研究了战伤抢修备件需求的概率的计算问题，得到了基于二项分布的战伤备件需求量。由于战时部件的可靠性逐渐提高，因此在战伤备件需求保障层面将转运时间纳入考虑范围，形成了基于备件管理多级(METRIC)模型[131]。

尽管缺乏实际战伤抢修备件数据，但是采用上述数学方法可以分析多种因素对战时备战的影响，可对未来战伤抢修备件保障提供有效的参考。由于高技术战争不断变化，数学仿真无法做到完全符合战场特征，缺少对突发情况的预测的能力，需要进一步提供实战数据和经验以修正模型。但可以对保障的一般规律有足够认识，对未来战争同样具有参考价值。

近年来，飞机战伤抢修力量配置合理性设计也逐渐受到关注。刘小辉和逢勇[132]采用自顶向下的思想，运用排队论预测抢修分队数量，之后采用非平衡任务指派模型理论和改进的匈牙利算法求解法将任务指派优化方案细化到个人。

5 战伤抢修研究的发展趋势与挑战

战伤抢修技术体系具有贯穿于飞机全寿命阶段，覆盖学科多、综合性强等特点，该技术发展存在较大潜力。然而，从飞机设计、制造与使用需求看，先进材料与结构、人工智能等技术的应用在带来机遇的同时也使战伤抢修面临着更多新的挑战。

1) 先进复合材料结构飞机战伤抢修评估与维修方法。先进复合材料在飞机中的应用不断上升[133]，战场中，飞机的金属结构和先进复合材料结构均可能被毁伤。其特性导致在战伤抢修中面临诸多挑战。

从毁伤样式看，复合材料结构毁伤分为可见与不可见2种，毁伤可见区域周围产生不可见分层等现象，提高了评估难度。目前主要采用无损探伤技术确定毁伤程度，利用先移除后胶接或先移除后注射树脂方式完成抢修[134]。但传统的X射线、超声检验仪器复杂且昂贵，需专业训练人员加入ABDR团队，可操作难度较大。声学响应测试虽可快速定位，但可靠性差是导致无法应用的原因。在维修和设计层面，目前的战伤抢修规范并未给出针对先进复合材料结构的可达性设计方案和抢修措施。采用金属板铆接或螺纹连接到复合材料结构毁伤部位效果不佳，抢修后强度等性能无详细记载，可能造成难度和可靠度的双重困难。采用粘接维修和固化维修在战伤抢修中面临很大挑战，这些问题影响ABDR技术的实施。此外，随着智能材料逐渐在飞机结构和部件上的应用，其良好的自修复性已成为人们关注的热点，但对于自修复程度及其效果目前并未有公开文献报道，针对上述问题需要进一步展开研究。

2) 直升机战伤抢修技术。由于直升机对弹击较固定翼飞机更为敏感，对战伤抢修的研究也更受关注[134]。其中重点研究桨叶抢修，一方面需加强研究采用更换、胶接等方式抢修金属桨叶效果[135-136]。另一方面，更高抗弹伤容限复合材料桨叶的出现，需要对战伤情况下的抢修方案、策略开展研究。

3) 战场抢修新技术。随着新型空战装备列装部队，对新型飞机的战伤抢修要求也日益提高，据资料显示，对F-35的战伤抢修率、评估时间，评估精度等方面要求大幅提升。需要发展并测试指导飞机战损评估的算法；识别和测试电子数据类型以支撑战损飞机评估与修复；完成手动与电子数据评估结果对比测试。此外，在大尺寸战伤抢修也需要新技术支持，文献[18]指出当前战伤抢修技术仅能修复对损伤尺寸在直径15 cm及以下的金属飞机部位。远远不能满足诸如导弹战斗部、大口径防空火炮、定向能武器等造成的飞机大尺寸毁伤。大尺寸战伤在后方修复时间较长，且需要专门装备与人员支持。对尺寸较厚、刚度较大的材料修复难度将更大。对战场抢修新技术的需求更为急迫。

4) 飞机战伤智能评估技术。采用人工智能与大数据评估飞机战伤情况是未来发展的趋势。1986年，美国就着手采用机器人系统对飞机战伤情况做出评估。目前多模型深度学习快速故障诊断方法已用于评估操纵面故障，但仍有较大潜力。除了要继续开展上述方面的研究工作外，也需要考虑发展可用于战伤修复应用的软件和数据库、保障-抢修-维修的全流程智能评估分析体系。

5) 战伤抢修权衡设计技术。提升战伤抢修能力对飞机生存力起促进作用，但某些情况下使用飞机生存力设计提高措施，可能增加战伤抢修难度。如通过采用翼身融合、整体油箱、先进隐身材料可降低飞机可探测性，一旦战伤，其抢修难度必然高于普通飞机[137]。此外，提高飞机关键部位抗打击能力，如装甲防护，如果这些装甲受损，也不易修复。如何在保证飞机作战性能和生存力条件下，通过分析战伤抢修与其他设计因素中交叉内容与差异因素，建立工程化模型，实现将战伤抢修性纳入权衡设计过程，目前也需要重点关注。