两栖攻击舰舰载直升机作战与保障能力评估

2022-04-08陶俊权苏析超李正阳梁洪瑜

兵器装备工程学报 2022年3期

陶俊权，韩维，苏析超，李正阳，梁洪瑜

(1.海军航空大学,山东烟台 264001;2.91404部队,河北秦皇岛 066000)

1 引言

相对于其他海战形式，两栖登陆作战是海战中最频繁、最惨烈的一种作战形式。两栖兵力投送为两栖登陆作战提供兵力支持、后勤保障，及时有效地完成两栖兵力投送任务对登陆作战的成功至关重要[1]。在超地平线突击登陆等新式两栖登陆作战模式的广泛推广下，基于直升机垂直突击的立体登陆逐渐成为登陆作战的主导模式。舰载直升机是两栖攻击舰的主要作战力量，是两栖攻击舰编队履行使命任务的主要兵力[2]，其作战任务主要包括投送兵力垂直上陆、对岸火力支援和制空、制海作战等任务。对舰载直升机作战与保障能力进行评估，可为两栖攻击舰装备建设规划提供决策支持，同时，也对及时完成两栖兵力投送任务，促进两栖攻击舰综合作战能力提升提供强力支撑[3]。

目前，国内学者对两栖攻击舰的总体作战能力评估进行了一定的研究[4-7]，但多数集中在对两栖攻击舰、两栖装备体系、两栖编队体系的层面进行研究，而对于两栖攻击舰舰载直升机的作战与保障能力研究相对较少。文献[8]对两栖攻击舰舰载直升机兵力持续运用进行了研究，建立了预留兵力持续展开模型，利用兰彻斯特方程求解预留兵力展开的最佳速率。文献[9]对两栖攻击舰直升机出动回收流程进行分析，梳理了舰载直升机的主要作业流程并分析影响出动的主要因素，建立了直升机出动回收全流程模型。目前为解决能力评估问题所使用的方法较多，如多指标综合评价法、解析法、仿真法等[10]。多指标综合评价法需借助专家经验并将其转化为数值化权重，在参考信息少的情况下为决策者提供可信的信息，但对于指标集复杂的模型，该方法无法反应指标间的内嵌信息且采集样本工作量过大[11]。数据解析法利用统计学及相关数学方法把握目标本质特征进行论证，可以将抽象化的信息具象为数据表达，但也存在模型精准度不高问题。建模仿真法能够在短时间内多次重复模拟仿真方案的实施过程，比其他方法更清楚的了解实施情况的统计规律，但受制于仿真模型的限制，降低了评估的可信度[12]。因为上述方法从不同的角度对目标进行能力评估，单一评估方法因适用范围不同有其局限性，通过采取多种方法进行组合评价，可以保留方法的优越性而对缺陷进行弥补，进而提高评估结果的可信度。

舰载直升机作战与保障能力评估，是评价两栖攻击舰舰载直升机在特定作战背景下，采用特定出动回收模式，完成兵力投送或火力支援任务的作战及保障流程的综合作战与保障能力。本研究以两栖攻击舰垂直兵力投送作为主要任务目标，为全面评估舰载直升机兵力投送的作战与保障能力，从装载投送能力、掩护突防能力、航空保障能力、舰载机维修保障能力等4个方面着手，构建评价指标体系，并结合解析法、指数法、仿真模拟评估法的优缺点，进行灵活组合评价。

2 舰载直升机作战与保障能力指标体系构建

为系统分析两栖攻击舰舰载直升机机群兵力投送的体系能力，采用三层层次结构来构建度量作战与保障能力的指标体系。指标体系主要分为综合能力层，次级能力层和技术指标层。在层次结构中，各层次系统功能不同，综合能力层主要从总体或关键环节的指标能力来衡量舰载直升机作业流程作战与保障能力；次级能力层是将综合能力层进行分解，提取影响流程的主要运行系统或装备的属性或能力；将次级能力层进一步往下细分，即为技术指标层，选取次级能力所属的性能指标进行量化和度量。

层次结构中每一层的效能参数依赖于其下属各层的参数。各层次效能参数之间存在着链状关系，下一层次的能力参数就是上一层次参数的关联影响因素的抽象表达。因此，某一层次参数的变化将影响其上层各层次中的参数，但这种影响是逐层减弱的。总体指标体系结构如图1所示。

图1 总体指标结构框图Fig.1 Overall index structure chart

3 舰载直升机作战与保障能力评估方法

舰载直升机作战与保障能力评估的过程，实质上是一个由底层技术指标向上层指标逐层映射的过程。解析法、指数法、仿真模拟评估法[11]，不同评估方法各有千秋，为客观反映效能与能力的度量，本研究根据不同作战与能力指标的实际情况，灵活选取相适应的评估模型进行组合评估。

3.1 装载投送能力评估模型

两栖攻击舰舰载直升机的主要作战任务是兵力投送。指数模型是评估其作战效能较为全面而成熟的方法，该方法首先提出一个统一的度量标准，其次是建立在经验统计和大量试验基础之上的，在量化方面有所前进。在应用方面，指数法具有操作性强，实用性好等特点，适用于各个变量之间的分析应用。

舰载运输直升机的装载投送能力，主要受到以下几个因素影响：载重能力(L)、远航能力(R)和机动能力(B)，具体的装载投送能力指数评估模型可表述为[13]：

(1)

式中：Ny为波次出动舰载运输直升机数量；lk为第k架运输直升机运送人数；LK为基准载重能力；rk为第k架运输直升机的投送航程；RK为基准航程；tk为第k架运输直升机的最大航时；Tk为基准航时；Bk为第k架运输直升机的机动性指数，作为评价运输直升机的飞行性能的评价标准，具体的评价公式如下：

(2)

式中：Vmax为最大速度，km/h；Hd为动升限，(km)；nymax为最大正过载，nymin为最小负过载，g；Vy为最大爬升率，m/s。

3.2 掩护突防能力评估模型

掩护突防能力主要衡量用于护航的突击运输直升机的作战性能，同样采用指数模型进行评估[13]。

(3)

A1的计算式为：

A1=A1g+A1r+A1m

(4)

式中：A1g、A1r、A1m分别指航炮火力指数、火箭弹火力指数、导弹火力指数。

3.3 航空保障能力评估模型

航空保障能力涉及空间、时间、人员、设施设备等复杂多资源约束，为直升机循环出动作战提供舰面的机务和勤务保障支持，主要包括燃料保障、电源保障、机载武器保障、惯导对准保障、舰面调运保障、起飞离场保障和回收着舰保障等。本研究提出一类结合约束条件模型和时间解析模型的航空保障能力评估模型。所谓约束条件模型，是指航空保障系统或作业流程满足约束的能力，它通过提供前提约束条件或行为准则来限定或优化作业流程，并最终影响效能的顶层指标。这类模型多来自实践经验或专家意见。另一类时间解析模型则将作业时间作为衡量航空保障能力的主要指标，通过构建参数解析模型来评估航空保障系统对作业流程的时间影响关系，当时间参数值越小，说明航空保障能力越强。航空保障能力的评估模型可表示为

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

(5)

式中：Tp为航空燃料保障能力；Td为航空电源保障能力；Tg为航空惯导对准保障能力，惯导对准与通电检查可并行作业，因此对两者取大；Tw为机载武器保障能力；Tz为舰面调运保障能力；Tq为起飞离场保障能力；Th为回收着舰保障能力。以下具体阐述每个能力的评价模型。

3.3.1航空燃料保障能力

航空燃料保障能力Tp与“可同时加油舰载机数量nts”、“加油停机位覆盖率Rp”、“加油流量Lp”、“加油设备可用度Aop”、“加油设备故障率Ppr”、“加油故障响应时间tpf”等指标相关，其评估模型可描述如下：

1)约束条件模型为：

(6)

式中:Tz为甲板停机位就近转运时间，该约束条件模型用于表示当加油停机位覆盖率不满足100%时，需要转换到就近能加油的停机位，从而构造一个时间的罚函数。

2)解析模型为：

① 当[nts·Aop]≥N波次时，表示当加油设备数量足够并行开展加油作业，

(7)

式中：N波次为波次出动舰载机数量；Wk为第k型舰载直升机油箱容量。

② 当[nts·Aop]

(8)

3.3.2航空电源保障能力

航空电源保障能力Td与“可同时通电舰载机数量ndts”、“供电停机位覆盖率Rd”、“供电保障车数量ndk”、“供电设备可用度Agd”、“供电设备故障率Pgd”、“供电故障响应时间tdf”等指标相关，其评估模型可描述如下：

1)约束条件模型为：

(9)

其中，该约束条件模型用于表示当供电停机位覆盖率不满足100%时，需要转换到就近能通电的停机位，从而构造一个时间的罚函数。

2)解析模型为：

① 当[ndts·Agd]+ndk≥N波次时，表示当通电设备数量足够并行开展通电作业，

(10)

式中：tdk为第k型舰载直升机通电检查时间。

② 当[ndts·Agd]+ndk

(11)

3.3.3机载武器保障能力

机载武器保障能力Tw与“挂弹小组配置数量nwp”、“甲板武器储备量Rw”、“武器升降机数量nws”、“武器升降机可用度Aws”、“弹药出库速率Vws”、“武器保障系统故障率Pwq”、“故障响应时间twf”等指标相关，其评估模型可描述如下：

1)约束条件模型为：

(12)

式中：Nwr表示波次出动舰载突击直升机的弹药需求量，该需求量以武器转运车一次装载量为单位，如武器转运车一次可转移挂载四枚空地导弹或一筒量的火箭弹进行挂载，则可视为1个需求量。当甲板储备弹药量不满足波次需求时，需要从弹库转运进行补充。

2)解析模型为：

① 当Nwr≤nwp时，表示当挂弹小组配置数量足够并行开展挂弹作业，

(13)

式中：twk为可并行挂载的第k型武器挂载时间。

② 当Nwr>nwp时，表示当挂弹小组配置数量不足，需排队开展挂弹作业，

(14)

3.3.4惯导对准保障能力

惯导对准保障能力Tg与“同时惯导对准舰载机数量ngts”、“惯导对准系统可用度Ag”、“惯导对准系统故障率Pg”、“惯导对准响应时间tgf”等指标相关，其解析评估模型可描述为：

(15)

式中：tgk为第k型舰载直升机惯导对准时间。

3.3.5舰面调运保障能力

舰面调运保障能力Tz与“升降机数量nsj”、“升降机可用度Asj”、“升降机可载舰载机数量nyj”、“升降机轮转时间Tlz”、“升降机故障率Psj”、“升降机故障响应时间tsf”、“牵引车数量nqs”、“牵引车可用度Aqy”、“牵引速度Vqy”、“牵引车故障率Pqy”、“牵引故障响应时间tqf”等指标相关，其解析评估模型可描述为：

(16)

式中：Ljz、Lkz分别表示甲板和机库转运平均距离；Tx为系留或解系留时间。等式的前一项代表升降机转运能力，后一项代表牵引车转运能力。

(17)

在两栖攻击舰的航空保障中，舰面调运保障主要作用在直接出动准备环节，当波次机群轮转之后，可直接在起降区一站式完成再次出动准备，无需再进行转运作业。

3.3.6起飞离场保障能力

起飞离场能力Tq与“可同时起飞舰载机数量ntsq”、“可保障同时开车数量ntsk”、“起飞时间间隔ΔTqf”等指标相关，其评估模型可描述为：

1)约束条件模型：

(18)

式中：BM表示足够大实数，作为不满足波次出动舰载直升机数量小于可同时起飞数量这一约束的惩罚项。

2)解析模型：

(19)

式中：tkc表示开车及起飞前准备时间。

3.3.7回收着舰保障能力

回收着舰能力Th与“可同时回收舰载机数量ntsz”、“着舰引导成功率Pzj”、“着舰回收时间间隔ΔTzj”、“着舰引导系统故障率Pyd”、“着舰引导故障响应时间tzf”等指标相关，其评估模型可描述如下：

1)约束条件模型为：

(20)

式中：BM表示足够大实数，作为不满足波次回收舰载直升机数量小于可同时回收数量这一约束的惩罚项。

2)解析模型为：

(21)

式中：tff表示复飞着舰时间。

需要说明的是，以上采用约束条件模型和解析模型相结合的形式给出各航空保障的评估方法，以上评估指标同样可采用基于仿真的方法提取，即统计各保障环节的平均作业时间作为各子能力的评估值。

3.4 舰载机维修保障能力评估模型

鉴于舰载机维修保障具有较强的随机性，难以用确定性的模型加以评估，本节采用基于仿真的统计分析方法构建舰载机维修保障能力评估模型。在综合对比GJB451A—2005《可靠性维修性保障性术语》[14]、GJB1909A—2009《装备可靠性维修性保障性要求论证》[15]等国军标的基础上，以使用可用度模型作为维修保障能力的综合评价指标，并结合舰载直升机的保障特点，提出了适应性改进模型如下：

(22)

式中：Cw为舰载机维修保障能力指标；Tbm为平均故障间隔时间；衡量舰载机装备的故障频率；Tdw为平均故障定位时间；Twx为平均直接维修工时；Tsbd为平均设备保障延误时间；Tbjd为平均备件供应延误时间；Pwx为维修项目覆盖率；ps为舰载机故障后有维修设备需求的概率；Psb为维修设备配套率；Asb为维修设备完好率。其中，平均备件供应延误时间根据编队航空兵飞机备件供应体制，可近似为

(23)

式中：pb为舰载机故障后，不需要备件可以修复的修理工作概率；pjk为两栖攻击舰航材仓库的备件满足率；tjk为从两栖攻击舰航材仓库获取备件的平均反应时间；Pbk为编队航材仓库的备件满足率；tbk为从编队航材仓库获取备件的平均反应时间；tjd为基地级备件输送的平均时间。式(22)各项参数可通过仿真模型得出或经过长期使用统计得出。

3.5 舰载直升机顶层作战与保障能力评估方法

基于解析模型的综合能力评估方法是通过构建叠加组合的关系方程将装载投送能力Cy、掩护突防能力Ct、航空保障能力Ch和舰载机维修保障能力Cw映射为舰载直升机作业流程综合能力值，考虑到航空保障能力的度量为各环节保障时间值，时间越小能力越强，因此综合能力为负相关，其余能力指标均为正相关，从而建立基于解析模型的综合能力为

(24)

4 舰载直升机作战与保障能力评估案例分析

在建立起作战与保障能力评估模型后，为了验证模型的有效性，参考现阶段各国两栖攻击舰的性能表现，对3种两栖攻击舰技术指标进行分析。因数据过多，篇幅有限，本文对舰载直升机作战与保障能力分别进行部分数据的分析，其作战能力由装载投送能力代表，保障能力由航空燃料保障能力代表。3种两栖攻击舰装载投送能力如表1所示。

表1 装载投送能力Table 1 Loading and delivery capacity

基于上述输入，由式(1)装载投送模型，有：

计算可得，3种两栖攻击舰装载投送能力Cy分别为18.39、12.62、19.67。保障能力以航空燃料保障能力为例，数据如表2所示。

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

首先根据约束条件模型式(6)，满足覆盖率约束，Mp=0，其次，通过判断满足[nts·Aop]

计算可得，3种两栖攻击舰航空燃料保障能力Tp分别为8.98 min、6.25 min、4.76 min。

最终确定的各指标的数据值如表3所示。

表3 综合能力值Table 3 Comprehensive capability value

利用式(24)确定各方案的综合效能C的值分别为：178.20，92.94，78.85。从评估结果可以看出，美国两栖攻击舰A所搭载的舰载直升机性能优异，在装载投送能力及掩护突防能力上要显著优越于其他2种两栖攻击舰所载直升机，但在航空保障维修能力方面，美国两栖攻击舰A与B相差不大，但均优于法国两栖攻击舰C，3种两栖攻击舰在舰载机维修保障方面因技术水平差异存在着一定的能力差距。最终的排名结果为美国两栖攻击舰A>美国两栖攻击舰B>法国两栖攻击舰C。