基于環(huán)境特征的臨近空間飛行器作戰(zhàn)效能評(píng)估分析

張子菡，王曉紅

（北京航空航天大學(xué) 可靠性與系統(tǒng)工程學(xué)院，北京 100191）

為了能在未來戰(zhàn)爭(zhēng)中滿足戰(zhàn)斗需求，應(yīng)對(duì)未知挑戰(zhàn)，積極開發(fā)并有效利用空間資源成為當(dāng)下各國(guó)關(guān)注的熱點(diǎn)。臨近空間作為航空空域與航天空域的過渡區(qū)域，在情報(bào)搜集、偵察監(jiān)視、通信保障以及作戰(zhàn)方面具有重要的軍事價(jià)值[1]。臨近空間飛行器不僅可以威脅天基平臺(tái)，而且可以攻擊空基平臺(tái)，甚至地面目標(biāo)。因此，研究臨近空間飛行器的作戰(zhàn)效能極具戰(zhàn)略意義[2]。計(jì)算機(jī)、微電子技術(shù)的日益完善促使科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，使得臨近空間飛行器越來越復(fù)雜、精密，這就給其可靠性管理、評(píng)估工作提出了新的課題。

文中在基于前人研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)臨近空間的環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)臨近空間飛行器作戰(zhàn)效能試驗(yàn)中的可靠性問題進(jìn)行了分析。

1 臨近空間

1.1 環(huán)境特點(diǎn)

臨近空間環(huán)境中，大氣在水平方向上比較均勻，但在垂直方向上呈現(xiàn)明顯的層狀分布。按照大氣的熱力學(xué)特性、成分特點(diǎn)、電磁特性的相關(guān)特征分成若干層次，如圖1所示。

1.1.1 熱力學(xué)特性

按照大氣熱力學(xué)性質(zhì)和大氣垂直減溫率變化，可把大氣分為對(duì)流層、平流層和熱層[3]，見表1。在整個(gè)空域范圍內(nèi)，大氣溫度沿經(jīng)向在中低緯地區(qū)均勻分布，而在中高緯存在“低溫”和“高溫”經(jīng)度帶。沿緯向朝20 km處逐漸增大，在50 km和80 km處春夏季變化與秋冬季相反。大氣密度沿經(jīng)向在低緯地區(qū)均勻分布，而中緯地區(qū)震蕩變化，沿緯向單調(diào)減小[4]。

1.1.2 成分特點(diǎn)

按照大氣成分垂直分布的特點(diǎn)，大氣可分為均質(zhì)層、非均質(zhì)層[3]，見表2。

1.1.3 電磁特性

按照電磁特性，可把大氣分為中性層和電離層[3]，見表3。電離層又可分為D，E，F(xiàn)三層，如圖2所示。

表1 臨近空間熱力學(xué)特性分層

表2 臨近空間成分特點(diǎn)分層

表3 臨近空間電磁特性分層

1.2 環(huán)境對(duì)飛行器的影響

臨近空間環(huán)境復(fù)雜多變，十分嚴(yán)酷，而且空間范圍跨度大，對(duì)飛行器的影響具有復(fù)雜性、多變性。文中主要從共性角度討論臨近空間環(huán)境特點(diǎn)對(duì)飛行器的影響[3]。

當(dāng)飛行器長(zhǎng)時(shí)間處于熱環(huán)境中，如果沒有采取良好的散熱措施，飛行器的結(jié)構(gòu)材料會(huì)發(fā)生熱疲勞變形，最后因斷裂而損壞。元器件的性能也會(huì)發(fā)生退化，其壽命會(huì)縮短。在臨近空間的在軌飛行中，飛行器不可避免地會(huì)與空間中的輻射粒子發(fā)生相互作用，其輻射效應(yīng)會(huì)降低飛行器材料的強(qiáng)度，進(jìn)而引起材料的熱性能、電性能以及光性能退化等一系列的失效問題。

當(dāng)飛行器在電離層飛行時(shí)，會(huì)與等離子相互作用，發(fā)生充放電效應(yīng)。當(dāng)電位充高到一定程度時(shí)，甚至?xí)舸╇娮釉O(shè)備。而放電引起的電磁輻射也會(huì)嚴(yán)重干擾各類精密設(shè)備的正常工作，使整個(gè)飛行系統(tǒng)性能發(fā)生異常[5]。此外，在真實(shí)的空間環(huán)境中，飛行器受到的環(huán)境作用是一種綜合效應(yīng)，具有強(qiáng)耦合關(guān)系。在分析飛行器的實(shí)際作戰(zhàn)效能時(shí)，需要綜合考慮。表4列出了主要環(huán)境因素及其對(duì)飛行器性能的影響。

表4 臨近空間環(huán)境因素對(duì)飛行器的影響

2 臨近空間飛行器的作戰(zhàn)效能

2.1 評(píng)估模型

武器系統(tǒng)的效能是指在特定條件下武器系統(tǒng)被用來執(zhí)行規(guī)定任務(wù)所能達(dá)到預(yù)期可能目標(biāo)的程度。因此，作戰(zhàn)效能是任何武器系統(tǒng)的最終效能和根本質(zhì)量特征[6]。

文中使用美國(guó)工業(yè)界武器效能咨詢委員會(huì)建立的WSELAC（Weapon System Effectiveness Industry Advisory Committee）效能模型對(duì)臨近空間飛行器的效能進(jìn)行評(píng)估。WSELAC模型是通過系統(tǒng)的可用性、可信性和固有能力三個(gè)關(guān)鍵屬性來評(píng)定系統(tǒng)的總體效能，數(shù)學(xué)解析式為：

式中：A為可用性矩陣，表示系統(tǒng)開始執(zhí)行任務(wù)時(shí)的狀態(tài)及可正常啟動(dòng)的能力；D為可信性矩陣，表示系統(tǒng)在執(zhí)行任務(wù)過程中可正確工作的可靠度；C為固有能力矩陣，表示系統(tǒng)在特定條件下完成規(guī)定任務(wù)的能力，代表武器系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)性能[7]。

考慮到臨近空間飛行器所處環(huán)境的特殊性，對(duì)傳統(tǒng)的WSELAC模型進(jìn)行了修正，引入環(huán)境影響因素，得到新的評(píng)估模型：

式中：G表示在特定環(huán)境條件下，臨近空間飛行器的執(zhí)行任務(wù)能力矩陣。

2.2 作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系

臨近空間環(huán)境的特殊性使得臨近空間飛行器成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要作戰(zhàn)力量。它不僅可以提供精確的信息指導(dǎo)，快速突防打擊敏感目標(biāo)，而且可以為作戰(zhàn)行為提供戰(zhàn)場(chǎng)支援和便利的保障平臺(tái)[8]。圖3展示了臨近空間飛行器的作戰(zhàn)效能評(píng)估指標(biāo)體系。

2.2.1 可用性

影響臨近空間飛行器可用性的因素主要有使用壽命、無故障工作時(shí)間和修復(fù)時(shí)間等。初始狀態(tài)下，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行“二態(tài)性”簡(jiǎn)化——可用狀態(tài)和故障狀態(tài)。若用平均故障間隔時(shí)間（MTBF）表示系統(tǒng)處于可用狀態(tài)，平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）表示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)，系統(tǒng)的可用性可以表示為：

式中：a1為系統(tǒng)的可用度，即系統(tǒng)初始處于可用狀態(tài)；a2為系統(tǒng)的不可用度，即系統(tǒng)初始處于不可用狀態(tài)；λ為系統(tǒng)的故障率，；μ為系統(tǒng)的修復(fù)率，

2.2.2 可信性

臨近空間飛行器在執(zhí)行任務(wù)過程中涉及多個(gè)任務(wù)子系統(tǒng)，假設(shè)各子系統(tǒng)相互獨(dú)立，若可靠性為Ri，則系統(tǒng)可靠性為；若維修性為 Mi，則系統(tǒng)的維修性為。因此，臨近空間飛行器在執(zhí)行任務(wù)過程中的可信性矩陣為：

式中：d11表示系統(tǒng)在初始狀態(tài)下處于可用狀態(tài)，且整個(gè)任務(wù)過程中均功能正常；d12表示系統(tǒng)在初始狀態(tài)下處于可用狀態(tài)，但在任務(wù)過程中發(fā)生故障；d21表示系統(tǒng)在初始狀態(tài)下處于故障狀態(tài)，但在執(zhí)行任務(wù)過程中恢復(fù)到可用狀態(tài)；d22表示系統(tǒng)在初始狀態(tài)下處于故障狀態(tài)，而整個(gè)任務(wù)過程中也仍處在故障狀

態(tài)[10]。

其中，d11、d12與系統(tǒng)可靠性有關(guān)，d21、d22與系統(tǒng)可靠性及維修性有關(guān)。具體關(guān)系應(yīng)針對(duì)臨近空間飛行器執(zhí)行的具體任務(wù)進(jìn)行設(shè)定。

2.2.3 執(zhí)行任務(wù)能力

臨近空間飛行器在執(zhí)行任務(wù)過程中只有正常與故障兩種狀態(tài)，而當(dāng)裝備系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時(shí)，其執(zhí)行任務(wù)的能力不能僅用固有能力衡量，應(yīng)該結(jié)合特定的作戰(zhàn)環(huán)境，評(píng)估其實(shí)際使用能力。在正常狀態(tài)下，臨近空間飛行器的固有能力主要由偵察通信、兵力投送、裝備保障來衡量，即：

式中：g11、g12、g13分別表示臨近空間飛行器執(zhí)行偵察通信、兵力投送、裝備保障任務(wù)的能力；g2表示系統(tǒng)處于故障狀態(tài)下的能力，則g2=0[10]。

2.3 環(huán)境因素對(duì)作戰(zhàn)效能的影響

結(jié)合1.2節(jié)中環(huán)境可能對(duì)飛行器造成的影響，可以得到執(zhí)行任務(wù)能力g和固有能力c之間的關(guān)系：

式中：s是環(huán)境影響系數(shù)，表示環(huán)境對(duì)臨近空間飛行器固有能力的影響程度。

2.3.1 獨(dú)立影響

假設(shè)各種環(huán)境因素之間的作用是相互獨(dú)立的，可以得到：

2.3.2 綜合影響

在實(shí)際的環(huán)境中，各種環(huán)境因素的影響是一種綜合作用的結(jié)果，不同因素間會(huì)存在耦合關(guān)系。因此，可以通過權(quán)重分析來綜合考慮各種環(huán)境因素的影響：

借助上式就可以對(duì)環(huán)境的綜合影響進(jìn)行具體分析。例如，當(dāng)溫度和臭氧環(huán)境對(duì)某一任務(wù)的完成具有相互作用關(guān)系時(shí)，可以通過調(diào)整權(quán)重來修正模型，在很大程度上提高了模型的實(shí)用性。

3 案例分析

臨近空間擁有其他空域難以比擬的安全且廣闊的工作環(huán)境。因此，以持續(xù)10 h的作戰(zhàn)模擬為背景，結(jié)合建立的作戰(zhàn)效能評(píng)估模型，針對(duì)某一型號(hào)臨近空間飛行器給出具體的作戰(zhàn)效能分析過程。

將該飛行器系統(tǒng)分成控制系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)四個(gè)主要的分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)的固有能力分別為 0.8，0.7，0.9，0.5。結(jié)合內(nèi)場(chǎng)試驗(yàn)及理論計(jì)算，系統(tǒng)的平均故障間隔時(shí)間為90 h，平均修復(fù)時(shí)間為5 h。在作戰(zhàn)模擬中，各環(huán)境因素對(duì)分系統(tǒng)的影響權(quán)重可以參照表5。

考慮飛行器系統(tǒng)及作戰(zhàn)過程的復(fù)雜性，假設(shè)：每個(gè)分系統(tǒng)的可靠度服從指數(shù)分布；飛行器在作戰(zhàn)過程中出現(xiàn)故障后不給予維修；各種環(huán)境因素均會(huì)對(duì)各分系統(tǒng)產(chǎn)生影響，并將其影響因素均簡(jiǎn)化為 0.5，即

將上述數(shù)據(jù)帶入評(píng)估模型中，可以計(jì)算得到該型號(hào)臨近空間飛行器的作戰(zhàn)效能為0.0626。

表5 臨近空間環(huán)境因素對(duì)飛行器的影響權(quán)重

4 結(jié)語

建立了臨近空間飛行器的作戰(zhàn)效能評(píng)估模型，重點(diǎn)考慮了臨近空間的環(huán)境特點(diǎn)及其對(duì)飛行器性能的主要影響。從作戰(zhàn)實(shí)踐角度出發(fā)，基于WSELAC模型的改進(jìn)方法更加貼合作戰(zhàn)實(shí)際，模型中涉及的參數(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，對(duì)飛行器作戰(zhàn)效能具有極大的影響，可為臨近空間飛行器的研發(fā)設(shè)計(jì)及作戰(zhàn)部署提供參考。此外，如果能在模型評(píng)估中考慮人的影響因素，則會(huì)進(jìn)一步強(qiáng)化模型的實(shí)用性。