舰载机综合保障技术实践及发展展望

刘东，吴家仁，周一舟，刘振祥，李瑜，王铭泽

1. 航空工业沈阳飞机设计研究所，沈阳 110035

2. 中国航空综合技术研究所，北京 100028

舰载机是海军航空兵作战装备核心力量，世界海军强国如美国、法国、英国、俄罗斯等都高度重视舰载航空装备的发展，目前仍在役的国外舰载机主要包括美国F/A-18系列、F-35C、E-2系列，法国阵风，俄罗斯苏-33、米格29K等。

美军航母使用经验丰富，装备体系不断发展，以“福特”级为例，可搭载多种舰载机，且相比上一代“尼米兹”级航母，具备更高的舰载机出动能力，高峰出动架次率目标值可达310架次/天[1]。美军在舰载机研制过程中，高度重视装备保障设计，F-35联合使用要求文件中规定了6个决定项目成败的关键性能指标，有3个与保障性有关，即出动架次率、任务可靠性和后勤保障规模[2]。建立统一的研制规范编制指南，制定了联合军兵种规范指南(JSSG)，为美军航空装备、分系统、设备或组件要求制定和验证提供了规范依据，为各型舰载机规范要求提供了标准化的依据。建立自动化维修环境(AME)，在海军原有信息系统基础上建立一体化维修与后勤保障系统，利用机上诊断、自动识别技术、信息网络、数据库和数据通信领域的先进信息技术，实现海军飞机维修和后勤过程的重建和简化[3]。采用通用化、系列化、组合化技术，减少设备、零部件备件的种类和数量，降低保障规模。推行两级维修体制，简化维修机构，提高维修效率。

舰载机因为面临的作战使命任务、使用环境条件与岸基飞机有较大差异，所以综合保障工作的主要任务、技术方法和要解决的主要问题也有较强的特殊性。

舰载机通常远离本土随航母编队前出遂行作战任务，装备种类结构上要求自成体系，包含舰载战斗机、预警机、直升机及其他特种飞机，以美军“福特”级航母为例，根据具体任务组成航空编队，可搭载75架以上的飞机，包括F-35战斗机、F/A-18E/F“超级大黄蜂”战斗机、EA-18G“咆哮者”电子战飞机、E-2D“鹰眼”预警机、MH-60R/S“海鹰”直升机和J-UCAS无人机[4]。基于航母平台多机种编队出动执行作战任务，具有强烈的体系作战特征。舰载机机型种类多、保障工作复杂强度大，受舰上空间及资源条件限制，保障压力大，如果无法保持战备完好，将严重影响作战能力，因此必须开展多机种保障一体化论证[5]，从顶层设计角度提出一体化要求、开展一体化保障设计工作。

美国海军位于帕特森河海军航空站的美军航空系统司令部(NAVAIR)通用航空设备项目办公室负责多型舰载机通用保障设备研制管理，从2000年开始专门针对航空地面保障设备的采办启动了PMA260项目。PMA260项目团队以推进各型飞机开展以可靠性为中心的维修(RCM)分析工作为抓手，在推进现有设备升级的同时，重点解决保障设备通用化、小型化、综合化等问题，大幅减少了现有保障设备数量，部分成果如图1所示。

图1 美国海军PMA260项目部分成果Fig.1 Partial achievements of US Navy PMA260 project

相对岸基飞机，舰载机数量受航母搭载能力约束，波次出动飞机数量总体有限，为达成作战目标，需满足更高任务可靠性要求，如美军F-35C相对F-35A飞机在任务成功概率方面要求更高[2]。另外，舰载机着舰过程被誉为“刀尖上的舞蹈”，危险性极大，美国刚刚发展航母时，平均每2天损失1架飞机，牺牲了1 000多名飞行员，弹射着舰过程中武器掉落也有发生，因此对安全性要求更高。但舰载机质量指标约束性极强，不能简单地靠增加系统余度提高安全性和任务可靠性，需要基于模型开展与系统功能性能一体化的可靠性、安全性设计分析，优化系统架构设计。舰载机以航母为平台载体在全球海域服役作战，热带远洋海区常年处于高温、高湿、高盐雾、高紫外线环境条件下，再加上舰面酸性大气条件，其面临的使用环境非常恶劣，更需要加强腐蚀防护设计。

舰载机与航母之间存在大量保障接口，需要与航母平台开展协同适配设计，以获得最优保障效率。航母作为海上机动平台，遇到高海况环境，在舰体纵摇、横摇和升沉运动过程中，海上保障作业困难，任务交叉协同难；航行期间吊装难；飞行密集检查难；修后调试验证难；海上防腐清洗难；条件受限抢修难；远离海岸支援难[6]。因此必须在舰载机总体布局设计、维修性设计分析、维修作业分析、保障资源研制过程中加以综合考虑。

舰载机舰面保障依托航母航空保障系统实施，主要包括指挥管理、任务规划、维修支援、调运、弹射拦阻偏流板、着舰引导、武器保障、电源供气和其他辅助系统，上述系统在满足各型舰载机需求前提下，应该尽量通用化。

现代舰载机是高技术含量的信息化装备，信息化保障是必然需求。而航母远离岸基支援体系实施作战，更需要在机载故障诊断、故障预测及健康管理方面具备较强能力，并在岸舰一体化保障信息环境支撑下实施维修保障活动。

本文结合工程实际阐述了舰载机多机种一体化保障技术实践方法，舰载机多机种一体化保障工作以航母作战使命任务为牵引，开展“作战需求-保障能力需求-装备保障需求”的逐级论证，基于初始保障方案迭代更新装备需求，多型舰载机考虑舰面约束的条件协同开展保障方案制定，统一/减少保障需求，实践基于模型的可靠性/安全性分析、机舰适配的舰载机维修性设计、面向全寿命周期的舰载机腐蚀防护设计、舰载机保障系统一体化设计等设计方法，将一体化保障工作贯穿至型号的研制流程中，从流程上解决舰载机多机种保障资源通用化程度低的问题，降低舰基保障规模。综合对新作战概念、保障发展需求的研究，提出后续舰载航空装备的新保障模式及技术特征，希望为舰载航空装备保障技术发展提供一些启示。

1 舰载机多机种保障一体化论证

1.1 保障指标综合论证

舰载机在航母上的能力需求主要包括战备完好性需求、出动强度需求和能力保持需求。战备完好性需求是对舰载机在航母上的战备保持程度提出要求，一般可以用机群飞机的完好率进行定义。出动强度需求主要是根据作战任务想定，提出不同机型的出动架次率需求。能力保持需求主要是对航母出航期间飞机满足规定的完好率时间进行约束。美国海军将舰载机的出动能力作为衡量航母作战能力的基本要求之一[7]，是最能体现航母作战能力的要求，在指标论证和要求分解方面，目前国内外学者针对出动架次率的实现进行了广泛研究，文献[8-10]针对出动回收提出了仿真方法，文献[11]提出以最大化舰载机防御态势和最小化部署偏差为目标，构建了航母作战部署进程中的舰载机出动架次规划模型，文献[12]提出了基于系统动力学(System Dynamics，SD)的建模法，对舰载机出动回收过程进行建模分析。上述研究主要从舰载机出动回收过程开展研究和探讨，对过程中影响出动的因素进行了分析，但是对多型舰载机在出动中的协调性未进行深入探讨。而航母出航期间舰载机编队出动能力才是核心能力，只有各型舰载机均达到要求，才能协同完成航母编队的作战目标，否则将出现能力“短板”。某一型舰载机出动架次率不足将会影响到整个编队执行任务的成功率。所以应该按照至顶向下的方法，从“作战需求-能力需求-装备需求”开展逐级论证和分解，将航母编队舰载机出动能力需求最终落实到具体装备的指标上[5]，在此过程中促进各型机之间的能力协调和匹配，最终使装备作战需求得到满足。

根据航母舰载机编队出动能力要求，自上而下分解各舰载机的保障能力需求，各型舰载机需依据分解的能力开展设计才能保证一体化保障目标的实现。各型机保障特性要求之间具备关联性，其分解的思路需要先将作战需求转化为保障能力需求，再采用公式解析法依据构建的基准比较系统或现役型号经验进行分解，最后利用保障建模仿真方法迭代评估，择优选择可行解集。将公式解析法和仿真方法综合运用，可以促进分解结果快速收敛，保证设计可行性，指标要求分解流程如图2所示。

图2 指标要求分解流程Fig.2 Indicator requirement decomposition process

首先根据任务想定确定各型舰载机的保障能力需求。根据作战需要一般可分为两种基本的组织指挥方式[13]：一种是连续出动方式，另一种是分波出动方式。以分波出动方式为例，以战斗机、预警机、电子战飞机、反潜直升机、勤务直升机5型飞机组成出动编队，构建编队波次出动任务剖面，如图3所示，可统计得到各型飞机累计出动架次及在编飞机数量，分别确定出动架次率要求。

图3 舰载机编队波次出动剖面Fig.3 Waveform section of carrier-based aircraft formation

根据出动架次率要求再结合使用可用度要求，应用GJB 1909A—2009中给出的综合参数公式，在型号论证、研制各阶段可以对各型舰载机保障指标从上至下逐层进行分解直至外场可更换单元(LRU)。通过指标的分解确保了各型舰载机保障特性指标间的匹配。

利用解析法分解的保障特性指标存在利用平均值代替随机过程值的问题，例如维修时间采用的是预防性维修的平均值，后勤保障延误时间采用的是外场经验的假设值。未能详细考虑维修随机过程和过程中的延误问题等因素。采用基于蒙特卡罗的事件仿真方法，通过对修复性维修事件、预防性维修事件、备件等供应品的管理延误，保障信息系统决策的管理延误进行随机过程仿真，对解析法分解的保障特性指标进行评价优化，能够提升保障特性要求分解的精度。

1.2 保障方案一体化论证

各型舰载机保障方案应考虑舰上空间约束，与航母研制过程反复权衡论证，使用和维修保障方案也应充分考虑多机型之间的协同，以保证使用和维修规划活动的匹配，保障设施应提供满足各型机出动准备保障需求的资源数量和同时保障的需求，且同一站位保障应尽量满足多型飞机的保障需求。维修所用设施应尽可能通用，减少占用空间，油液化验、任务支援等设施应尽量集中，减少设备配备，便于管理。保障设备/工具应尽量实现通用化、小型化、轻量化设计，以减少舰面空间的占用，部署在同一设施内的保障设备应尽量通用，以缩减空间需求。备件/消耗品应尽可能统一规划，缩减贮存规模并应尽可能与航母使用的消耗品通用。舰面勤务人员应实现通用化，可保障多型舰载机。具体要求分解框架如图4所示。

2 基于模型的可靠性、安全性分析

随着舰载机等装备系统综合化程度和复杂性的提升，传统可靠性、安全性相关工作方法逐渐暴露出一定问题，主要包括：

1) 缺乏集成化的可靠性、安全性技术体系。目前航空装备的可靠性、安全性工作均有相关的国军标指导，但基本还是自成体系，缺乏一条有效的技术思路进行整合和串联。

2) 可靠性、安全性需求定义不够清晰，与设计关联性不强。目前型号研制提出的定量化概率统计指标，如平均故障间隔时间、任务可靠度等，无法直接与系统的功能设计、架构设计、物理设计等关键设计要素进行关联，难以真正对设计形成约束力。

3) 可靠性、安全性设计与系统设计的协同性不高。大量的可靠性、安全性设计工作与模型相关，且建模工作量相对较大，与系统设计模型的关联程度不高，无法实现多种模型的转化和追溯关联，给设计人员带来极大的工作负担，无法开展同步的设计权衡工作。

为更好解决上述问题，在舰载机研制过程中开始逐步引入和应用基于模型的系统工程方法论，同时并行开展基于模型的可靠性、安全性分析应用技术研究，并在验证整项技术工程适用性的同时形成工程指导文件，为后续全面开展装备数字化研制提供支撑。针对图5“V”字左侧的方案设计过程，目前主要策划并开展的工作包括：

图5 基于模型的通用质量特性设计分析集成活动Fig.5 Integration of general quality characteristic design and analysis activities based on model

1) 面向任务场景的整机级可靠性、安全性需求分析

构建基于模型的系统工程(MBSE)用例与活动场景模型，以影响装备飞行安全、任务执行的关键风险为目标，细化识别整机级关键功能故障模式、特殊风险事件、环境影响要素等，并进一步开展基于风险优先因子(RPN)的风险控制权衡决策[14]，明确各风险因素的控制措施，形成整机级可靠性、安全性需求，如图6所示。

图6 面向功能故障的可靠性/安全性需求分析实施路径Fig.6 Implementation path for reliability and security requirement analysis of function failure

2) 面向系统架构的故障综合建模与故障树分析(FTA)

以机载系统MBSE模型为输入，通过关键模型要素解析与提取、故障模式与传播路径综合建模、模型转换与集成等一系列技术过程形成典型机载系统故障逻辑模型，并以武器发射过程为对象开展基于模型的FTA集成分析应用，全面识别并定位导致如武器意外掉落、武器无法发射等典型安全、任务关键功能失效的故障原因，如图7所示。

图7 基于MBSE的FTA集成分析实施路径Fig.7 Implementation path of FTA integration analysis based on MBSE

3) 基于模型的典型机载系统安全性、任务可靠性分析评估

针对任务系统功能优先级配置、通用资源调度等动态重构特性，开展基于AltaRica语言的系统动静态集成建模[15]，在有效表征系统动态重构策略的基础上实现对故障序列、任务可靠度的分析与评估；针对机电系统在弹射起飞、着舰过程中出现由于性能降级或环境影响导致的着舰点偏差等安全性性能要求，开展关键系统性能与故障集成建模，通过性能仿真分析关键设计参数(弹射力、摩擦力、推力、控制参数、油液压力等)改变、敏感参数(传感器增益等)变化及环境(甲板运动、风速等)变化等对飞机下沉量、姿态、着舰轨迹、着舰点偏差等性能精度的影响，评估舰载机弹射起飞、着舰安全性。基于性能模型的安全性分析评估实施路径如图8所示。

图8 基于性能模型的安全性分析评估实施路径Fig.8 Implementation path of security analysis and evaluation based on performance model

通过目前工程实践，构建了以故障控制为主线、以模型为驱动的功能性能与可靠性/安全性协同工作流程，突破了基于SysML模型的FTA分析、基于Modelica模型的故障集成建模等关键技术，打通了装备正向设计与可靠性/安全性模型集成应用壁垒，形成了可靠性/安全性需求分析、面向功能性能设计的故障集成建模、基于模型的典型机载系统任务可靠性/安全性分析等MBSE研制模式下的通用质量特性工程应用能力、软件配套工具与指导文件。现阶段的工程实践成果从技术完整性与工程可用性角度看仍存在不足：① 在技术理论层面，需进一步开展测试性、保障性、维修性专业特性技术研究，诸如基于MBSE的系统级诊断方案设计、基于模型的应急处置程序分析等，完善整体技术框架体系。② 在工程应用层面，一方面应加快基础应用软件的配套建设，打通各工具之间的业务流与数据流；另一方面需进一步完善数字化管控机制与配套条件建设，包括模型质量审查准则、模型版本管理、数字化审签流程等，形成完备的数字化工作平台，满足装备全面开展基于MBSE正向研制的数字化环境要求。

3 机舰适配的舰载机维修性设计

3.1 舰载机典型维修性需求特征

与陆基飞机相比，舰载机维修性水平不但要求高，如F/A-18的发动机更换时间指标为21 min(4人)[3]，而且受到舰船维修条件约束，其维修性需求具有明显的差异化特征，主要包括：

1) 快速出动准备需求。极高的出动准备能力来自于舰载飞机的作战需求，F/A-18在设计时要求再次出动准备时间低至15 min。因此舰载机的加油、挂弹等机务准备活动需要高效、可靠且能够避免人为差错。

2) 维修作业空间约束。航母宝贵的空间资源优先用于飞机的舰上排布，因此，无论是在停机位还是维修区，其面积和高度都是飞机维修性设计的约束。而传统的维修工效设计主要关注维护点的局部空间需求，舰载机维修性设计则应将空间约束扩展到与舰船的几何适配范围上。

3) 保障接口布局约束。主要是与舰面设施对接的硬件接口，舰载机在保障接口布局时不但要考虑舰上固定设施位置等一般约束，还要考虑出动准备效率、并行工作交叉干涉、飞机突出舷外停放等问题，限制条件多且布局优化空间受限。

4) 舰船运动条件约束。海况条件除了对飞行产生影响，也影响着舰载机维修作业工作的开展[6]，表1[16]为福莱斯特级航母的甲板运动参数，在这种运动条件下开展飞机复杂维修作业不但效率极低，而且存在严重安全隐患。舰载机设计时应与舰船在保障适配方面确定限制维修的运动条件，同时需在维修性设计上采取相应措施满足维修时间与维修安全要求。

表1 福莱斯特级航母(78 000 kg)的甲板运动参数[16]

5) 腐蚀防护控制需求。复杂的海洋环境对舰载机的“三防”要求极高，同时要求铝合金等易腐蚀金属构件具有最佳的易检性与可达性，尽量避免飞机上存在非完全密闭区域，无法实现时，则应慎重在这种区域内布局易腐蚀的金属构件。

3.2 舰载机维修性设计措施

基于上述需求特征，舰载机维修性设计可以考虑以下设计约束或措施：

1) 在快速出动准备方面应考虑对每一项作业开展优化设计。快速登机能够有效提升维护人员、飞行员进入座舱速度，在飞机作战等级转进时作用尤为明显，可以考虑采用轻便、稳定、快速对接的登机梯，或设计机载登机梯；或采用飞机上的自储能刹车，无牵引杆式调运接口设计能够提高调运效率；快速系留设计需要减少系留钢索数量，并配以快速连接的系留接口和轻便的系留装置；快速挂弹设计可采用辅助吊索、自动举升、减少保险程序设计等方式；其他方面还包括发动机开车状态下热加油/热挂弹设计、使用维护活动接口集中布局设计、机翼快速折叠/展开设计等多种措施实现快速出动准备。同时，还应采取综合设计措施尽量减少外观检查、维护保养、飞机和发动机清洗、发动机暖/冷机等使用维护需求。

2) 在维修作业空间约束方面应考虑采用维护空间盒设计理念。基于舰船布局规划，以停机位面积和机库维修区最小高度作为飞机最大可用维修空间，如图9所示。对于大型飞机，可考虑在执行空间需求较大的维修作业时挪移其他舰载装备以扩大维修空间。

图9 飞机维护空间盒Fig.9 Aircraft maintenance box

将空间约束通过计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)软件设计成为维修空间盒，作为飞机、系统维修保障规划和维修性设计的规范约束要求。应结合维修任务分析，遍历舰上规划维修项目以捕获空间需求高的维修作业，该类作业一般包括有杆牵引、座舱盖及座椅拆装、垂直尾翼拆装、折叠翼拆装、发动机拆装、雷达及雷达罩拆装、校靶/校准等。

3) 在接口布局约束方面一般应综合考虑航母、飞机设计需求并针对性地采取设计措施。部分接口存在固有的布局位置需求，如燃油的放沉淀活门应布置在油箱最低点；航母在方案设计时对飞机提出的上舰一般需求也需要重点考虑，如舰面系留点布局规划；多型舰载机存在接口的通用化与继承性需求，应尽量在机上相似区域布局。

另外，还有一些隐蔽的接口布局影响因素需要同时考虑，典型的包括安全影响因素，如补氧接口与燃油加注接口不应布置在同一区域；保障活动干涉影响因素，如挂弹区域避免布置系留钢索等。

4) 在舰船运动条件约束方面首先需要采取的措施是尽量减少舰上预防性、修复性维修项目，在确定必须实施的维修作业后，应结合舰船运动学模型、维修场景采取人员防跌落、维修状态下系留固定、设备拆装间隙优化、运动条件下的水平测量及校靶/校准等设计措施。

5) 考虑环境损伤的维修性设计。在考虑易腐蚀部位易检性与可达性时，应结合以可靠性为中心的维修分析(RCMA)中的结构环境损伤评级、腐蚀防护控制设计工作，同步开展全机结构件、安装架、螺钉、铆钉等紧固件的维修性设计。不完全密闭或可达性差的区域应采用开设检查孔、可拆卸壁板的设计措施满足易检性与可达性需求，如图10所示。

图10 不完全密闭区域的腐蚀检查孔与可拆卸壁板设计Fig.10 Design of corrosion check hole and removable wall plate in incomplete enclosed area

4 面向全寿命周期的舰载机腐蚀防护设计

舰载机寿命期环境剖面分析作为舰载机环境适应性设计的前提和基础[17]，主要从作战海域气候环境分析出发，将飞机寿命期划分为舰面贮存、舰基使用和拆解运输等典型事件，结合飞机作战海域、使命以及飞行包线、典型任务剖面分析获得对飞机产生影响的各类环境要素。根据飞机典型任务剖面使用比例和具体海域任务规划时间，形成舰载机在海域环境、陆基环境和空中环境下的年任务布置时间比例。

由于舰载机特殊的部署位置，其停放、起飞和降落过程中经受的环境条件与陆基飞机有很大的不同。特殊的高温、高湿和高盐雾及机械诱发环境耦合作用进一步加速了舰载机及机载设备的腐蚀[18-19]。因此为满足飞机长期舰上服役、高出勤率和高出动强度的需求，掌握全寿命周期腐蚀防护与控制技术成为舰载机海洋环境适应性设计的关键。

1) 舰载机寿命期腐蚀环境分析

针对舰载机部署海域环境数据，通过全寿命周期典型使用环境比例加权分析研究，建立全寿命周期环境总谱。基于飞机分区的局部环境特征，通过试验、分析、计算及实测等方法建立舰载机环境总谱与局部环境的对应关系。

2) 舰载机抗腐蚀能力技术指标建立

基于舰载机隐身性能要求及海洋环境抗腐蚀性能要求，开展新材料、新工艺技术研究。通过新材料研制、材料性能及稳定性研究、工艺适应性研究、耐环境性能试验以及典型连接件加速腐蚀考核等手段，建立飞机腐蚀防护与控制指标要求，明确飞机不同区域防护体系构成及厚度优化，形成隐身/防腐协同防护设计方法。

3) 舰载机腐蚀防护与控制综合设计

从通风、排水、密封、选材、防护体系设计和可维护性设计等方面统筹规划腐蚀防护与控制设计技术[20]，综合分析飞机结构特点，划分腐蚀局部环境区域并重点加强如起落架舱、进气道等外露开敞环境下的机体抗腐蚀设计。机载设备抗腐蚀设计按照腐蚀环境技术指标要求进行，并提前开展成品及附件腐蚀环境摸底试验，降低研制风险。

4) 舰载机抗腐蚀能力验证与评估技术

在舰载机环境总谱及局部环境分析基础上，结合飞机使用特征，采用类比分析及试验方法制定飞机局部环境加速腐蚀试验验证方法。根据机载成品及附件安装区域环境，通过对比分析及理论计算方法形成GJB 150A—2009“三防”环境试验条件与自然腐蚀环境试验的对应关系，并开展元件级、典型件和基于腐蚀防护设计特征的典型舱段级的“层级式”加速腐蚀试验验证，形成验证评估体系。

5) 舰载机外场腐蚀维护与控制策略

通过对外场服役飞机腐蚀情况调研和加速腐蚀试验确定舰载机防护涂层体系腐蚀失效形态及表征方法，采用模糊综合评判方法进行量化评级，确定合理视情维护时机。通过缓蚀、清洗、原位修理技术等研究，形成部队级腐蚀维护与修理手册；基于飞机腐蚀损伤评估技术和监控结果，制定基地级腐蚀维护与控制技术要求。

6) 舰载机表面清洗技术要求

在清洗舰载机前，综合考虑污染类型、清洗部位、表面材料和连接工艺等因素，选择合适的清洗剂和清洗方式[21-22]。这不仅关系到清洗效率，还会对飞机表面防护涂层的性能造成直接影响。考虑到上述情况以及军机清洗的安全性和高效性，舰载机清洗主要采用整体机械冲洗和局部手工擦洗的清洗方式。对于全机防雨口盖、起落架舱、进排气口和外露天线等机上特殊部位，要特别明确其防护方法及清洗要求。

5 舰载机保障系统一体化设计

5.1 舰载机保障系统需求一体化开发

航母编队各型舰载机技术特征、维护需求均有较大差异，即使有类似维护需求，但如果不采取一体化论证、设计或统筹规划，仍将导致航母上保障设备等资源种类繁多，这与航母上有限的空间形成了鲜明的矛盾。

军机随机保障设备一般随型号下达研制任务且自成体系，标准化、通用化程度不足，尚未全面且系统性地开展各型军用飞机保障设备的系列化、通用化设计，各型号间信息共享工作虽在推进但程度有限。因此需要顶层策划、统一部署，拉通各机型研制体系，创新技术、管理理念和工作流程。

保障系统一体化设计首先应实施岸舰一体化设计，并遵循“以舰为主、岸舰通用”的原则，否则将严重影响上舰机务人员工作技能学习和保持成本，并带来工作隐患。另外，更应该开展舰载机多机种一体化保障设计，既在多型舰载机和航母研制过程中，通过舰-机、机-机协同规划、设计和协调工作，使多型舰载机具备相互协调的保障特性，与航空母舰和航空兵基地保障体系形成相互协调、相互配合、相互合作的装备体系，在岸基基地和航母配置合理的保障资源，以满足舰载机保障需求，同时通过高效率的资源调配解决在有限空间内的资源供给问题。目前国内外已有一些针对航空保障流程分析和保障资源调度模型的研究：文献[23]根据航母舰载机机群航空保障流程特有的串行、并行、柔性特点以及舰载机的起飞顺序，基于整数线性规划方法建立了航空保障资源优化调度的混合整数线性规划模型；文献[13]根据不同出动方式下舰载机所需航空保障组织实施方式的区别，建立了舰载机的航空保障资源调度模型；文献[24-25]开展了舰载机保障人员配置的优化研究。虽然上述研究依托舰载机作业活动对资源的配置、优化和调度进行了探讨，但是对于多型机保障资源如何统筹开展优化设计方面尚未开展深入讨论，而保障资源的产生是后续配置和优化、调配的基础，应作为重点问题进行分析。

保障系统的需求来源于舰载机的使用和维修过程，按照系统工程方法首先面向各型舰载机使用维护活动进行保障系统功能分析，主要活动事件包括飞机调运、等级转进、飞行前准备、再次出动准备、执行任务、飞行后检查、修复性维修、周期性维护、基于状态维修、整机停放、起吊、失事救援、能力提升、战伤抢修等。对保障活动所需功能面向飞机和保障系统进行分配分解，舰载机典型活动系统工程模型如图11所示。

图11 舰载机典型活动Fig.11 Typical motion of carrier-based aircraft

先归纳保障系统的功能需求形成保障系统功能清单，并分配分解至岸基保障系统和舰基保障系统，再进一步分解至设备层级，开展保障设备、自主保障信息系统、供应保障、人员人力等相应资源的规划设计，舰基保障系统功能分配模型如图12 所示。重点针对保障设备、保障信息系统研制进一步论述。

图12 舰基保障系统功能分配模型Fig.12 Function assignment model of base support system

5.2 舰载机保障设备一体化研制

在5.1节工作基础上开展保障设备需求分析，对功能、工作介质、使用方式等相似的保障设备需求，进一步分析各项性能参数、测试逻辑和使用频率等要素，从现役型号或在研型号保障设备中进行遴选，或进行新研、改进保障设备通用化/综合化可行性分析，在不影响并行维护任务开展、不降低维护操作便利性、不显著增加设备体积质量前提下，实现通用化、综合化设计。具体流程如图13所示。

图13 舰基保障设备通用化设计工作流程Fig.13 Generalized design workflow of base support equipment

经工程实践，较易于实现通用化设计的设备主要包括：

1) 顶支设备，如飞机千斤顶、机轮千斤顶。分析顶起载荷、飞机最小高度、最大高度等相关参数是否相同或相似。

2) 牵引设备，如牵引车。分析牵引接口、牵引载荷等参数否相同或相似。

3) 拆装设备，如机轮拆装设备、轮胎拆装设备。分析安装方式、拆装流程、设备尺寸、接口等参数否相同或相似。

4) 加注充填/排放设备，如多种液体加注设备、充气设备、气密检查设备。分析加注口位置、尺寸和形式等参数否相同或相似。

5) 油液分析类设备，如含水量检查仪、污染度检查仪。分析检测油液的种类及各项指标否相同或相似。

6) 测试设备，如射频检测设备、压力检查装置。分析其检测的参数、指标及检测接口是否相同或相似。

7) 通用仪器等。

当然，在实际型号研制过程中，因为各型号研制任务起始节点不同，不可能严格按照上述流程同步开展工作，需要项目管理部门和型号研制单位积极应对、灵活安排。更需要进一步构建舰载机通用系统规范，尽快形成标准，以约束后续机型研制，从源头上解决舰载机保障一体化设计问题。

另外，由于海洋环境以及航母内空间、设施的制约和影响，舰基保障设备研制还需关注航母上复杂的电磁环境，应具有更高的防爆性能，并采用电磁兼容设计，射频类设备应符合舰上的电磁兼容性要求。应具有更好的防盐雾、防酸性、防颠振、防倾斜摇摆的设计特性。维护类设备应满足小型化设计要求，考虑折叠、收缩等存放方式或采用可挂装的方式存放，以节省空间。

5.3 舰载机自主保障信息系统一体化构建

自主保障运行集成网络由机载故障预测与健康管理系统(PHM)和地面自动化保障信息基础设施(GASII)构成，PHM负责舰载故障检测和隔离，生成保障需求；GASII负责根据需求启动保障流程、辅助开展决策和实施作业支持，自主保障运行集成网络是驱动和支持保障系统运行的核心部分。该概念是将自主保障信息系统的核心组成故障预测与健康管理系统和自主保障信息系统(ALIS)整合后提出，更加突出两者无缝衔接的关联关系，并且有利于统一设计，自主保障运行集成网络运行场景如图14所示。

图14 自主保障运行集成网络运行场景Fig.14 Integrated network operation scenario of autonomous support operation

为理清自主保障集成运行网络复杂的功能、接口以及运行逻辑，应采用系统工程方法开展建模，对自主保障集成运行网络的功能/运行、接口、组织架构、资源等进行完整描述，基于模型进行开发，将有效降低需求的不完整性，减少开发过程中的迭代。应用美国国防部体系结构框架(DODAF)架构构建保障信息系统顶层作战概念图(OV-1)、作战资源流表述模型(OV-2)、作战资源流矩阵(OV-3)、组织关系图(OV-4)、作战活动模型(OV-5b)等视图。顶层作战概念图从用户视角完整描述保障信息系统的运行过程；作战资源流表述模型用于描述保障信息系统的运行架构、其他系统与保障信息系统之间的运行接口；作战资源流矩阵以矩阵的形式描述保障信息系统外部接口的信息流；组织关系图用于说明保障系统相关组织机构之间的关系；作战活动模型是对保障信息系统运行活动的完整描述，按场景对保障信息系统的功能运行进行说明，如图15所示。

图15 OV-5b作战活动模型Fig.15 OV-5b operational activity model

自主保障集成运行网络在应用DODAF的架构时，应注重说明岸舰一体化的设计思路、多型机保障可共用功能和信息标准、组织机构相互关系以及自主保障集成运行网络与母舰本身信息系统之间的接口关系，通过梳理构建多型机功能通用、与军方信息系统融合、与航母信息系统密切对接且岸舰基本一致的自主保障集成运行网络，可有效支撑航母编队对舰载机信息的充分使用。

6 舰载航空装备保障发展展望

装备保障发展的目标始终是以合理的寿命周期费用实现更高的作战任务执行能力要求。发展思路始终需要从需求牵引、技术支撑、装备特点、设计赋予、诊断测试等关键发展要素入手。

近年来公开发表的对未来作战模式的研究包括分布式作战、多域战、马赛克战、穿透性制空(PCA)等新概念。随着全球范围内四代机的普遍装备，跨代战斗机即将出现，有分析认为是未来分布式空中作战体系中具有远程、穿透、强感知、强火力和快速决策能力的强有力骨干节点平台[26]。也有报导认为“有人+无人”成为分布式作战的新模式，美国海军计划建设“战斗机+无人机模块+廉价巡航导弹”的新型战斗机编组，使少量战斗机也能形成具有高威胁能力的空中作战力量。美国海军下一代舰载战斗机项目被称为“下一代空中优势”计划(The Next Generation Air Dominance，NGAD)，根据公开信息显示，将包含的主要特征有：① 采用全新的六代机设计方案。很可能为可选有人驾驶(即有人驾驶与无人驾驶的组合)，纯有人驾驶的可能性很低。② 速度快、航程远。有人舰载机将既要具备F-35C战斗机的多种能力，又要采用新技术增大航程。其作战半径将约为F-35C战斗机作战半径的两倍，达到约1 852 km(1 000海里)。③ 配有先进C4ISR设备。具备隐身性，但是将可能采取折衷方案。下一代舰载机一个值得关注的研制方向就是其不再强调极致的隐身性能，在武器有效载荷方面亦有所让步，转而追求足够远的作战半径、较快的飞行速度和C4ISR系统的先进性。④ 可挂载各种机载武器，也可发射无人机，具有较强的突防能力。

不同作战概念对装备保障提出了新需求。归纳起来主要包括要求实时感知装备和保障资源状态，强调资源网络化调度的灵活性和自适应性，供应链不再是简单的线性活动；维修保障决策聚焦作战任务，有针对性地提高装备任务执行能力，以体系作战效能为出发点进行维修决策并规划保障任务。未来作战平台保障需求包括快速战损评估能力、精准迅速的维修决策能力、弹性敏捷的保障能力等[27]。

综上所述，未来空海作战概念和装备形态特征仍在讨论和动态发展过程中，装备保障必须同步思考论证，既要面向作战概念牵引出的保障需求，也要面向装备保障的本质特征和根本目标，牵引新技术研发或者在新技术发展驱动下规划发展路径。

装备保障核心目标就是减少或消除故障或潜在、隐蔽故障对装备执行任务能力的影响。在技术可行性、经济可承受性、战场使用环境等约束下，装备保障研制要在满足作战效能需求的同时不断提高故障诊断、资源获取与经济性间协调的水平，各类装备、各时期装备保障工作区别只是在于被保障对象的作战需求、平台特点及期望应用的新技术成熟度不同而已。

舰载航空装备主要运用于海上作战，因时空阻隔原因舰队远海支援困难，通信渠道更无法实时保障，应在满足可接受飞行安全要求前提下，将保持较高能执行任务率(MCR)作为装备保障设计根本出发点，应将平均维修间隔时间(MTBM)作为重要牵引性指标要求。舰载机系统设计时应将高健壮性设计作为重要考虑因素，实现柔性系统软、硬件资源动态配置，故障功能模块可替代，系统功能恢复或部分恢复；应用电力线载波通信、5G机内通信技术简化机载线束互联系统设计；整合机载任务、管理、控制等计算需求，采取机内边缘云、战区云计算等设计措施，进一步提高载机及作战编队任务可靠性；随着机载大功率能源生成及电力作动器技术的发展，它们将替代传统液压系统，实现电传、电作动一体化飞行控制，进而达成飞机系统简化设计等。总之，进行飞机及各系统设计时，应在满足作战性能要求同时，综合权衡飞机、系统“故障后可不修”的程度，实现维修间隔时间的大幅提高。

“故障后可不修”的技术底气在于消灭隐蔽故障、掌控潜在故障，因此未来故障预测与健康管理技术的发展主要应从以下几个方面进一步推进：① 应用对象范围扩展，尽量全面覆盖涉及飞行安全、任务成功的功能，产品范围属性从机电、结构进一步拓展到电子产品；② 故障/寿命预测精度及置信度进一步提高到可实用水平；③ 健康管理更加自主、智能。未来PHM系统如果实现高精度、置信度的故障预测且具备高自主、智能的健康管理能力，可极大地降低故障引发的风险，并最大限度发挥飞机能执行任务能力，为舰载航空装备使用带来更高自由度。

装备保障一般流程为“预测或发现故障—隔离故障—维修决策—排除故障”，将这4个要素抽象为观察、判断、决策及行动4个环节，就形成了一个完整的OODA环[28]，如图16所示。

图16 保障OODA环Fig.16 Guarantee OODA circle

未来作战模式制胜领域超越传统的物质域和信息域，依靠决策优势占据作战优势，认知域成为制胜领域。面对未来智能化战争，传统以人工决策为中心的保障难以满足要求，在保障的感知、决策、调度、执行等环节都需要人工智能和自主系统发挥支撑作用，形成可感知、自主决策并执行的智能化装备保障。在舰载机保障执行方面，实现自主化使用保障如自动插电、自动加油、自动挂弹，为舰面“一站式保障”[29]腾出更多作业空间。应用智能机器人维修检测，例如美军研究利用蛇形机械臂机器人开展无损检测，特别适用于舰载机腐蚀检测和防护工作。适应航母平台特性的增材制造系统更将大幅提高舰载机机体结构及部附件可修水平，提高抢修能力。其他如基于云计算的分布式自主保障技术、智能健康管理与作战能力评估、智能人-机协同维修决策、精确维修控制管理、智能检测与机器辅助维修、增强现实的维修辅助技术等[27]，已有相关论述不再展开。总之，未来应面向机械化、信息化、智能化“三化”发展方向，结合工程实际逐步提高保障系统自主化水平，降低保障系统对维修人员的依赖，使之成为一个真正的“系统”。

在舰载机维修间隔时间(能执行任务)和保障OODA环效率不断提高的支撑下，舰载机部队可以获得充分的“维修期权”或“等待期权”(尝试找到最佳时间来进行维护，使系统在剩余使用寿命(RUL)内产生的收益与可被避免的非计划性故障开销二者的合并效果最大化)[30]，保障模式可以在自主保障模式基础上再次发生“跃升”。在维修期权的赋权下，未来实现无维修间隔期的作战使用将是可能的，姑且命名为自由保障。装备自由保障模式具体是指在一段时间周期内，通过必要的使用保障，航空装备无因系统故障或者性能降级导致的对用户的使用限制，能够完成所预期的作战任务，该周期结束后通过集中快速的维修保障，航空装备能够迅速恢复至可执行任务状态。在航母战斗群出航期间，舰载机具备不低于若干飞行小时的无维修使用期，期间舰载机具备执行任务能力但不一定是完好的，具有很强的执行任务灵活度。舰面保障主要利用最小携行规模的备件、智能化/自动化维修设备，完成少量的使用保障和维修保障。自由保障模式应实现作训期间N天无维修使用，作战间隙“1”刻实施多个故障的集中维修，即“N+1”自由保障模式，使装备作战效能最大化。舰载航空装备技术特征表现如下：

1) 智能化飞机：极高任务可靠与安全裕度，易于机器施加维修，高覆盖、高精度、高置信PHM，自保障能力。

2) 智慧保障指挥控制系统：保障态势全面感知、智能决策、指挥控制，云部署、分布式、自优化、自演进。

3) 无人化维修：可指令驱动、闭环控制的先进智能化维修系统、设备。

面向未来作战环境的舰载机论证过程中，可以考虑应用“N+1”自由保障模式构建保障运行概念，优化保障指标体系，开展保障指标分解分配，牵引各方面技术发展，支撑该保障模式逐步实现。

7 结束语

未来战场，舰载航空兵力仍将是海上作战体系的核心力量，传统海军强国已着手开展未来作战模式和作战平台概念研究，体系化、协同化、分布式、智能化发展趋势日益明显，多域战、马赛克战等作战概念不断进入人们视野，下一代舰载机技术特征也将逐步明朗。

在构建海上作战概念的同时，加强相匹配的保障概念研究，强化对相关应用技术的牵引。航母装备包括舰载机编队作为一个有机整体，可进一步理清协同论证机制，避免“鞋脚”纷争，应共迈大步。通用质量特性与功能性能一体化设计分析工作仍在工程实践探索的路上，要结合装备MBSE技术工程应用，继续积极实践、及时总结，实现技术体系升级，提高“费效比”。舰载机多机种一体化保障设计涉及单位范围广、协同接口多、实施难度大，应结合工程实践尽快开展标准规范预研工作，形成面向舰载机一体化保障的标准体系架构，凝聚各方力量共同参与标准规范编制，形成适应中国科研体系的舰载机标准。

综合保障领域涉及专业范围广，工作项目类型繁多庞杂，不断发展出现事后修理、定时维修、以可靠性为中心的维修、基于状态维修等各类概念，但究其根本始终是面向“故障失效”这个“隐形战场”发起的一代又一代抗争。因此，面向下一代舰载航空装备研制工作，要在研究论证过程中提前识别换代装备系统新的故障机理和模式，研究抑制、控制、诊断、预测和维修保障相关技术，利用装备保障在军民融合方面的先天优势，引入各类先进技术方法，围绕作战需求形成适配的、理念先进的保障方案，从“保障战斗力”跨越到“释放战斗力”。