飞行器广义生存性及评估方法

2022-08-01何宇廷

航空学报 2022年6期

何宇廷

空军工程大学航空工程学院, 西安 710038

作为重要装备的飞行器，服役完整性、服役适用性和服役效能(对于军用飞行器又可以称为作战完整性、作战适用性和作战效能)构成了其重要的3个顶层基本属性，以反映飞行器在服役(作战)使用过程中是否“能用”“好用”“管用”的程度。依据装备的服役(作战)完整性的定义，飞行器的服役(作战)完整性也可以表述为：飞行器在服役(作战)使用过程中，在要求的耐久性、保障性、安全性、装备能力、生存性和修复性水平下，飞行器可以保持完好(或正常使用)及功能未受到削弱的能力，其反映的是飞行器在服役(作战)使用过程中的综合质量特性。可以看出，生存性(Survivability, 也有文献译为“生存力”, 严格意义上说，“生存性”更为合理)作为飞行器的一个重要的质量特性，对于飞行器在作战使用过程中保持作战完整性，进而发挥作战效能具有重要作用。传统概念下的飞行器作战生存性(简称生存性)是指飞行器在执行作战任务时，在不持续地影响其完成指定任务的前提下，躲避和承受人为敌对环境的能力。也就是说飞机在作战时,在敌方武器威胁的攻击环境下,应具有尽量不被敌方发现的能力(低的探测敏感性)、遭到敌方武器攻击后能减少致命损伤的能力(低的易损性)。敏感性考虑的是关于作战飞行器被发现和击中的问题,易损性是关于飞行器承受打击的能力问题。针对飞行器作战生存性，已经有大量的研究工作并建立了很多分析评估模型。本文作者曾将战伤抢修的问题纳入飞行器的作战生存性考虑，以分析作战飞行器的再次出动问题。但是，经过研究表明，作战飞行器的战伤抢修问题可以纳入飞行器的修复性中进行考虑，飞行器生存性本质上是研究飞行器在空中作战时自己不被击落的能力问题。然而，传统的飞行器生存性模型只考虑了自己的目标敏感性和目标易损性，没有将敌对环境威胁是否有效考虑在内，不能真实反映飞行器在作战使用过程中是否能够存活下来的实际情况。事实上，飞行器在作战使用过程中能否存活下来是一个与作战环境威胁程度密切相关的相对事件。因此，很有必要发展同时考虑作战环境威胁程度与飞行器自身能力特点的广义生存性模型。

1 飞行器广义生存性的概念与内涵

飞行器作战生存性在本质上是研究飞行器在空中作战时自己不被击落的能力问题，在以往的大量研究中都是在这一概念下进行的。而这些研究工作实际上都预设了一个先决条件，那就是敌方的攻击威胁是处于完全有效状态，只有这样才会有飞行器“躲避和承受人为敌对环境”的情况发生。实际上，从广义的角度出发，只要飞行器在执行作战任务的过程中能够成活下来(即不被击落)就表明它具有一定的生存性。很显然，如果在作战行动中能够“不战而屈人之兵”，让敌对环境的威胁失效，就能极大地提高飞行器的作战生存性。因此，有必要从广义的角度，引入威胁有效性，提出飞行器广义生存性的概念，并探索有效的评估方法。在广义生存性模型的指导下，如何提高飞行器的作战生存性，将为飞行器带来全新的设计理念。

飞行器在敌对环境中执行任务时，其能否生存下来，可以由以下事件链决定：敌对环境威胁不攻击—敌对环境威胁不完好—敌对环境威胁能力差—飞行器目标探不见—飞行器目标打不中—飞行器目标打不坏。从装备的角度来说，上述事件链也可以表述为：敌方决策不攻击—敌方装备不能用—敌方装备性能差—敌方探测难发现—敌方攻击打不中—我方装备打不坏。在上述事件链中只要任意一个事件发生，则事件链断裂，飞行器装备将可以在作战使用过程中生存下来。

因此，飞行器的广义生存性(Generalized Survivability) 可以定义为：飞行器在人为敌对环境中执行任务时能够生存的能力。其主要由3方面因素决定：威胁有效性、目标敏感性和目标易损性。

可以看出，飞行器的广义生存性的基本内涵主要包括了威胁有效性、目标敏感性和目标易损性。要研究飞行器在人为敌对环境中执行任务时的生存性，就必须对敌对环境的威胁有效性、执行任务的飞行器的目标敏感性和目标易损性进行全面系统的研究。在传统的飞行器作战生存性(通常简称生存性)研究中，对目标敏感性和目标易损性有过较多的研究工作，却没有将威胁有效性考虑在内进行系统研究。将威胁有效性考虑在内，对飞行器广义生存性进行深入研究并建立飞行器的广义生存性模型及评估方法，对于设计、评估、验证及增长飞行器在人为敌对环境中执行任务时的生存能力具有重要作用。

2 飞行器广义生存性的基本特性

飞行器广义生存性的基本特性可以概括为客观性、相对性、随机性、可控性。

客观性是指飞行器广义生存性是客观存在的一种飞行器的通用质量特性，可以使用某种手段去度量。相对性是指飞行器广义生存性是针对其承担的作战任务和敌对环境而言的，离开了对应的作战任务和实际的敌对环境则没有意义。随机性是指由于装备本身质量、承担的作战任务和面临的敌对环境的随机特性导致飞行器广义生存性也具有随机性，所以可以使用概率统计的方法来描述分析飞行器广义生存性。可控性是指飞行器广义生存性可以通过一定的措施实行控制，使其得到保持和增长。

3 飞行器广义生存性的表征模型及评估方法

3.1 敌对环境的威胁有效性及建模

敌对环境的威胁有效性是指敌对环境的威胁完成攻击计划的活动和达到攻击计划结果的程度，可以用敌对环境的威胁完成攻击计划的活动和达到攻击计划结果的概率(或者称为威胁有效的概率)来表征。威胁有效性主要由威胁活动性、威胁完好性、威胁能力程度共同决定。其中，威胁活动性是指威胁主动地并准备攻击目标飞行器的概率，也就是敌对环境的威胁想要攻击的概率；威胁完好性是指敌对环境的威胁处于功能状态完好的概率；威胁能力程度可以用能力系数来描述，指敌对环境的威胁在功能状态完好的情况下能够达到命中目标所需基本能力程度的概率。如果敌对环境的威胁是无效的，则目标就自然存活了。威胁有效性可表示为

=··

(1)

式中：为敌对环境的威胁有效的概率；为敌对环境的威胁想要攻击的概率；为敌对环境的威胁想要攻击时处于功能状态完好的概率，其实际上是一个条件概率；为敌对环境的威胁的能力系数, 在操作正确高效的情况下，它取决于敌对环境的威胁的系统设计能力或者设计性能。

当敌对环境的威胁是作战飞机时，其能力系数可以表示为

=·····

(2)

式中：为飞机的航程系数；为飞机的机动性系数；为飞机的火力系数；为飞机的探测能力系数；为飞机的操纵性系数；为飞机的电子对抗能力系数。～的取值介于0～1。

当敌对环境的威胁是地面防空武器系统时，其能力系数可以表示为

=···

(3)

式中：为防空武器的射程系数；为防空武器系统的操纵性系数；为防空武器系统的探测能力系数；为防空武器系统的电子对抗能力系数。～的取值介于0～1。

3.2 飞行器的目标敏感性建模

目标敏感性是指在敌对环境的威胁有效作用的情况下目标不被威胁损伤机理命中的能力，其主要由目标探测性和目标规避性共同决定。目标敏感性可用在敌对环境的威胁有效的情况下目标被威胁损伤机理命中的概率来表征，本质上说其为一个条件概率。目标探测性是指敌对环境的威胁在规定的条件下探测、识别及跟踪目标的能力，可用目标被探测、识别及跟踪的概率表示，其本质上也是一个条件概率；目标规避性是指目标躲避、对抗敌对环境的威胁命中的能力，可用目标在敌对环境的威胁有效探测、识别及跟踪的情况下被威胁命中的概率来表征，其本质上也是一个条件概率。当敌对环境的威胁是导弹武器时，飞行器规避性是指导弹发射(或开火)并击中飞行器，或者是高爆弹头在飞行器附近足够近处爆炸并由毁伤机理击中飞行器的概率。因此，飞行器的目标敏感性可以表示为

=·

(4)

式中：为在敌对环境的威胁有效的情况下目标飞行器被威胁损伤机理命中的概率；为在敌对环境的威胁有效的情况下目标飞行器被探测、识别及跟踪的概率；为目标飞行器在敌对环境的威胁有效探测、识别及跟踪的情况下被威胁命中的概率。

3.3 飞行器的目标易损性建模

飞行器对毁伤机理的目标易损性是指飞行器无法承受由敌对环境的威胁引起的毁伤的能力。飞行器的目标易损性也是一种条件概率，是指飞行器被一种损伤机理命中后被损伤的概率。目标易损性用飞行器被一种或多种损伤机理命中后损伤的概率表示,这是一种条件概率。关于飞行器的目标易损性已经有大量的研究工作，如在损伤模式、损伤建模、损伤扩展、损伤模拟和损伤测试等方面开展了较多研究。实际工作中飞行器的目标易损性等于损失的飞行器数与被击中的飞行器数的比值

(5)

在飞行器的目标易损性分析中飞行器结构的易损性分析是最主要的工作。针对飞行器结构的易损性建模，一般有2种方法：一是飞行器整体结构易损性建模，二是飞行器结构中的某一典型易损结构易损性建模。飞行器整体结构易损性建模一般是将飞行器划分成不同的舱段结构进行，比如驾驶员舱段、电传系统舱段、冷气系统舱段、液压系统舱段、军械系统舱段、无线电系统舱段、起落架系统舱段、仪表盘系统舱段、氧气系统舱段等。一般采用面描述法简化建立飞行器的几何模型。考虑实际飞行器的几何特征，常用圆台、任意平行四边形和长方体等建立飞行器几何模型。这些几何模型再用于飞行器结构被击中的概率等理论建模研究。针对飞行器的某一典型易损结构的易损性建模，常采用强度等效理论，建立与典型易损结构等效的等效靶板模型。等效靶与原始目标的结构越相似，毁伤模拟效果也就越准确。

在飞行器的目标易损性分析中毁伤准则是必须要建立的。在各类毁伤源的作用下，飞行器结构常用的毁伤准则有：结构在击中下的毁伤概率准则、面积消除准则、临界速度准则、能量密度准则和冲击波毁伤准则等。比如，结构在击中下的毁伤概率准则，毁伤概率是侵彻体或破片质量和速度的函数。该准则主要用于可被一次打击毁伤的结构，如伺服机构、操纵杆等。的数值一般在经验数据、工程判断和试验的基础上综合得到。对典型易损结构元件来说,目标易损性也可以用易损面积比来度量,易损面积是元件在被击中一次情况下发生致命损伤的面积，元件的现有总面积为，则有

(6)

需要指出的是，飞行器结构易损性试验是国内亟需加强的研究工作。为了模拟飞行器在飞行中受到敌对环境的威胁攻击的情况，应该研究相应的模拟试验技术和方法，以及建立相应的分析模型和评估方法。

3.4 飞行器广义生存性建模

因此，一架飞行器被敌对环境的威胁所毁伤的容易程度可以由飞行器被毁伤的概率来计算。毁伤概率由击中概率和给定的一次命中后毁伤的条件概率的乘积来表示。击中概率又可以表示为由威胁的有效概率和在威胁有效的情况下目标被威胁损伤机理命中的概率的乘积。表征方法为

=··

(7)

式中：为敌对环境的威胁对目标飞行器的毁伤概率；为敌对环境的威胁有效的概率；为在敌对环境的威胁有效的情况下目标飞行器被威胁损伤机理命中的概率，其实际上是一个条件概率；为一种损伤机理命中后目标飞行器被损伤的概率。、实质上是条件概率。

飞行器在敌对环境中能够生存的能力由生存概率来度量，它与飞行器的目标毁伤概率的关系式为

=1-

(8)

式(8)表示飞行器在遭遇到一个威胁时被一种损伤机理破坏时的生存概率。若飞行器在遭遇一种以上的损伤机理破坏生存下来，它必须在每一次单独击中后都可以生存下来。飞行器在承受次独立的损伤机理击中后能够生存的总的概率可以表示为

(9)

式(9)可用于描述经过次击中后飞行器每一个组成部分/系统的生存概率，也适用于飞行器遭遇次威胁仍然生存的概率描述，同样可用于描述有人机飞行员在完成次任务后仍能生存的概率。

3.5 飞行器广义生存性评估方法

在飞行器广义生存性的表征模型建立的基础上就可以对飞行器广义生存性进行评估。这对于飞行器广义生存性的设计、维持及增长均具有重要意义。

飞行器广义生存性的评估可以基于试验数据进行。针对某一型飞行器和其执行的任务环境，可以对威胁有效性、目标敏感性、目标易损性评估所需要的数据进行相关的试验测试。在这些试验数据的基础上，依据前面所建立的表征模型就可以开展评估工作。

飞行器广义生存性的评估也可以在大量已有统计数据的基础上开展。不论是飞行器的技术水平还是敌对环境的威胁程度都具有继承性和相对的稳定性。可以依据过往的飞行器装备在作战使用过程(包括作战准备即训练和作战实施)中积累的相关统计数据，再结合适当的修正，就可以对所分析的飞行器进行广义生存性评估。

飞行器广义生存性的评估还可以应用仿真的方法进行。在飞行器研制的初期，或者在缺乏相关试验数据及统计数据的情况下，可以依据飞行器的技战术指标及敌对环境状况开展仿真分析。在得到仿真数据的情况下依据飞行器广义生存性的表征模型对飞行器广义生存性进行评估。

飞行器广义生存性评估工作同飞行器的其他质量特性的评估一样需要贯穿飞行器的全寿命周期。这样才能保证飞行器设计时具有需要的广义生存性水平，在作战使用中使广义生存性得到维持及增长。

4 飞行器广义生存性的提升措施

在作战行动(包括作战准备即训练和作战实施)中，飞行器能否生存始终与作战过程密切相关。在人为敌对环境下，飞行器要想能够生存，从作战链路来看，不外乎采取策反、欺骗、隐藏、躲避、对抗、支援、抗损等措施。

作战过程中，首先可以对敌方进行策反(泛指对敌方的情报、宣传工作等)。如果策反成功或者起到作用，将使得敌对环境的威胁失去或者减弱对我方作战飞行器进攻的意愿，将显著降低威胁活动性。策反的手段很多，比如劝降、心理战宣传(广播、电子游戏、电子邮件)等。当然这些手段要根据具体情况进行选用。

在策反无效的情况下可以实施欺骗。一是可以采用虚假情报信息欺骗敌方，以降低敌对环境的威胁活动性，或者诱使敌方发生误判，派出性能不足的装备，从而降低敌对环境的威胁能力程度；二是可以采用实装战术欺骗，诱使敌方对战场态势发生误判，做出错误决策，最终降低敌对环境的威胁有效性。

在欺骗无效的情况下可以实施隐藏。可以采用伪装、隐身等方法降低目标飞行器的探测性。

在隐藏无效的情况下可以实施躲避。目标飞行器可以采用战术突防、机动飞行等办法对敌对环境的来袭威胁进行躲避。飞行器有效的躲避威胁的能力反映了其对威胁的规避性。比如推力矢量发动机的配装就可以显著增加飞行器的机动性，进而提高其规避性。

在躲避无效的情况下可以实施对抗。对抗的措施很多，比如采用电子干扰、微波照射、红外干扰等的手段减弱敌对环境的装备雷达的有效作用距离以降低威胁能力程度，采用反辐射导弹攻击敌对环境的探测雷达、采用常规导弹攻击敌对环境的装备、采用定向能武器攻击敌对环境的装备等以降低敌对环境的威胁完好性，发射红外诱饵弹、抛洒金属箔条等干扰手段以降低目标飞行器的探测性。

在对抗无效的情况下还可以申请支援。即申请目标团队体系力量的支援，如目标团队的电子干扰机的电子干扰支援、目标团队的反击力量对敌对环境的威胁的反攻击等以降低威胁有效性，目标体系力量协助对目标飞行器实施电子屏蔽、对敌对环境的威胁释放诱饵等以降低目标飞行器的探测性等。当然就装备本身而言，支援力量属于目标体系力量而不是装备本身的能力，但其可以帮助提高目标飞行器的生存性。

在支援无效的情况下只能实施抗损。即通过有效的抗毁伤设计、电子设备加固、加装防护装甲等提高目标飞行器在敌对环境的威胁命中情况下的抗毁伤能力，也就是降低目标易损性。

提升飞行器广义生存性的各项措施的作用关系如图1所示。

图1 飞行器的广义生存性提升措施Fig.1 Improvement strategies for general survivability of aircraft

因此，可以看出，要研究飞行器在作战过程中敌对环境下的生存能力，必须从实际作战链路进行分析，也就是要研究飞行器广义生存性。从飞行器作战链路来看，可以采取策反、欺骗、隐藏、躲避、对抗、支援、抗损等措施来提高飞行器广义生存性。劝降、心理战宣传、虚假情报信息欺骗、实装战术欺骗、伪装、隐身、机动性设计、配装推力矢量发动机、电子干扰、雷达照射、反辐射导弹攻击、常规导弹攻击、定向能武器攻击、发射红外诱饵弹、抛洒金属箔、申请支援、抗毁伤设计、电子设备加固、加装防护装甲等具体措施都可以用于提升飞行器广义生存性。

从体系对抗的角度来看，要提高飞行器广义生存性，一是要加强武器装备和战术战法的体系建设，二是要提高飞行器自身在作战过程中敌对环境下的生存能力。针对现代飞行器，大量采用电子设备，特别是有些飞行器的操纵系统全部采用电传操纵系统，如果没有针对这些关键电子设备进行加固设计，在强电磁攻击的作战环境下这些飞行器的生存性是极低的。

从飞行器广义生存性的模型可以看出，要提高飞行器在实际作战环境下的生存能力，可以通过降低威胁有效性、飞行器的目标敏感性、目标易损性3个方面来实现。要降低威胁有效性又可以通过降低威胁活动性、威胁完好性、威胁能力程度来实现。降低飞行器的目标敏感性可以通过降低飞行器的探测性和提升飞行器的规避性来实现。降低飞行器的目标易损性只能通过飞行器各系统有效的易损性设计来实现。

5 飞行器广义生存性的评估示例

现有4型歼击机：二代机A型机、三代原型机B型机、三代改型机C型机和D型机。二代机只装备有常规武器弹药，其作战性能一般，广义生存性也不高。三代原型机B型机的电子干扰等作战性能有了大幅提升，三代改型C型机在电子战及反辐射等能力方面有了显著提升，三代改型D型机还配备了心理战系统，其广义生存性也得到了显著提升。

如果在敌对环境下该4型机面临的威胁来自同样的地面防空武器，其威胁能力系数计算结果如表1所示，其广义生存性计算结果如表2所示。

表1 4种型号作战飞机面临的威胁能力系数Table 1 Factors of threat ability for four types of fighters

表2 4种型号作战飞机的广义生存性评估结果Table 2 Evaluation results of general survivability of four types of fighters

通过以上评估示例可以看出，装备电子干扰吊舱既可以有效降低威胁能力系数，从而降低威胁有效性，又可以降低作战飞机探测性，从而降低作战飞机的目标敏感性，提高作战飞机广义生存性。在此基础上，装备反辐射导弹，可以有效降低威胁完好性，进一步提高作战飞机广义生存性。如果再能装备心理战系统，打击敌方的作战意志，则可以降低威胁的活动性，再一步提高作战飞机的广义生存性。

从这里也可以看出，研究飞行器在敌对环境下的生存性问题，只研究传统的“躲避和承受人为敌对环境的能力”的飞行器的目标敏感性和目标易损性是不够的，应该将威胁有效性一并纳入研究，系统分析飞行器广义生存性，才能比较全面地得到飞行器在敌对环境下执行作战任务时是否能够生存下来的客观结论。