兩棲攻擊艦艦載直升機作戰與保障能力評估

陶俊權，韓 維，蘇析超，李正陽，梁洪瑜

(1.海軍航空大學,山東 煙臺 264001;2.91404部隊,河北 秦皇島 066000)

1 引言

相對于其他海戰形式，兩棲登陸作戰是海戰中最頻繁、最慘烈的一種作戰形式。兩棲兵力投送為兩棲登陸作戰提供兵力支持、后勤保障，及時有效地完成兩棲兵力投送任務對登陸作戰的成功至關重要[1]。在超地平線突擊登陸等新式兩棲登陸作戰模式的廣泛推廣下，基于直升機垂直突擊的立體登陸逐漸成為登陸作戰的主導模式。艦載直升機是兩棲攻擊艦的主要作戰力量，是兩棲攻擊艦編隊履行使命任務的主要兵力[2]，其作戰任務主要包括投送兵力垂直上陸、對岸火力支援和制空、制海作戰等任務。對艦載直升機作戰與保障能力進行評估，可為兩棲攻擊艦裝備建設規劃提供決策支持，同時，也對及時完成兩棲兵力投送任務，促進兩棲攻擊艦綜合作戰能力提升提供強力支撐[3]。

目前，國內學者對兩棲攻擊艦的總體作戰能力評估進行了一定的研究[4-7]，但多數集中在對兩棲攻擊艦、兩棲裝備體系、兩棲編隊體系的層面進行研究，而對于兩棲攻擊艦艦載直升機的作戰與保障能力研究相對較少。文獻[8]對兩棲攻擊艦艦載直升機兵力持續運用進行了研究，建立了預留兵力持續展開模型，利用蘭徹斯特方程求解預留兵力展開的最佳速率。文獻[9]對兩棲攻擊艦直升機出動回收流程進行分析，梳理了艦載直升機的主要作業流程并分析影響出動的主要因素，建立了直升機出動回收全流程模型。目前為解決能力評估問題所使用的方法較多，如多指標綜合評價法、解析法、仿真法等[10]。多指標綜合評價法需借助專家經驗并將其轉化為數值化權重，在參考信息少的情況下為決策者提供可信的信息，但對于指標集復雜的模型，該方法無法反應指標間的內嵌信息且采集樣本工作量過大[11]。數據解析法利用統計學及相關數學方法把握目標本質特征進行論證，可以將抽象化的信息具象為數據表達，但也存在模型精準度不高問題。建模仿真法能夠在短時間內多次重復模擬仿真方案的實施過程，比其他方法更清楚的了解實施情況的統計規律，但受制于仿真模型的限制，降低了評估的可信度[12]。因為上述方法從不同的角度對目標進行能力評估，單一評估方法因適用范圍不同有其局限性，通過采取多種方法進行組合評價，可以保留方法的優越性而對缺陷進行彌補，進而提高評估結果的可信度。

艦載直升機作戰與保障能力評估，是評價兩棲攻擊艦艦載直升機在特定作戰背景下，采用特定出動回收模式，完成兵力投送或火力支援任務的作戰及保障流程的綜合作戰與保障能力。本研究以兩棲攻擊艦垂直兵力投送作為主要任務目標，為全面評估艦載直升機兵力投送的作戰與保障能力，從裝載投送能力、掩護突防能力、航空保障能力、艦載機維修保障能力等4個方面著手，構建評價指標體系，并結合解析法、指數法、仿真模擬評估法的優缺點，進行靈活組合評價。

2 艦載直升機作戰與保障能力指標體系構建

為系統分析兩棲攻擊艦艦載直升機機群兵力投送的體系能力，采用三層層次結構來構建度量作戰與保障能力的指標體系。指標體系主要分為綜合能力層，次級能力層和技術指標層。在層次結構中，各層次系統功能不同，綜合能力層主要從總體或關鍵環節的指標能力來衡量艦載直升機作業流程作戰與保障能力；次級能力層是將綜合能力層進行分解，提取影響流程的主要運行系統或裝備的屬性或能力；將次級能力層進一步往下細分，即為技術指標層，選取次級能力所屬的性能指標進行量化和度量。

層次結構中每一層的效能參數依賴于其下屬各層的參數。各層次效能參數之間存在著鏈狀關系，下一層次的能力參數就是上一層次參數的關聯影響因素的抽象表達。因此，某一層次參數的變化將影響其上層各層次中的參數，但這種影響是逐層減弱的。總體指標體系結構如圖1所示。

圖1 總體指標結構框圖Fig.1 Overall index structure chart

3 艦載直升機作戰與保障能力評估方法

艦載直升機作戰與保障能力評估的過程，實質上是一個由底層技術指標向上層指標逐層映射的過程。解析法、指數法、仿真模擬評估法[11]，不同評估方法各有千秋，為客觀反映效能與能力的度量，本研究根據不同作戰與能力指標的實際情況，靈活選取相適應的評估模型進行組合評估。

3.1 裝載投送能力評估模型

兩棲攻擊艦艦載直升機的主要作戰任務是兵力投送。指數模型是評估其作戰效能較為全面而成熟的方法，該方法首先提出一個統一的度量標準，其次是建立在經驗統計和大量試驗基礎之上的，在量化方面有所前進。在應用方面，指數法具有操作性強，實用性好等特點，適用于各個變量之間的分析應用。

艦載運輸直升機的裝載投送能力，主要受到以下幾個因素影響：載重能力(L)、遠航能力(R)和機動能力(B)，具體的裝載投送能力指數評估模型可表述為[13]：

(1)

式中：Ny為波次出動艦載運輸直升機數量；lk為第k架運輸直升機運送人數；LK為基準載重能力；rk為第k架運輸直升機的投送航程；RK為基準航程；tk為第k架運輸直升機的最大航時；Tk為基準航時；Bk為第k架運輸直升機的機動性指數，作為評價運輸直升機的飛行性能的評價標準，具體的評價公式如下：

(2)

式中：Vmax為最大速度，km/h；Hd為動升限，(km)；nymax為最大正過載，nymin為最小負過載，g；Vy為最大爬升率，m/s。

3.2 掩護突防能力評估模型

掩護突防能力主要衡量用于護航的突擊運輸直升機的作戰性能，同樣采用指數模型進行評估[13]。

(3)

A1的計算式為：

A1=A1g+A1r+A1m

(4)

式中：A1g、A1r、A1m分別指航炮火力指數、火箭彈火力指數、導彈火力指數。

3.3 航空保障能力評估模型

航空保障能力涉及空間、時間、人員、設施設備等復雜多資源約束，為直升機循環出動作戰提供艦面的機務和勤務保障支持，主要包括燃料保障、電源保障、機載武器保障、慣導對準保障、艦面調運保障、起飛離場保障和回收著艦保障等。本研究提出一類結合約束條件模型和時間解析模型的航空保障能力評估模型。所謂約束條件模型，是指航空保障系統或作業流程滿足約束的能力，它通過提供前提約束條件或行為準則來限定或優化作業流程，并最終影響效能的頂層指標。這類模型多來自實踐經驗或專家意見。另一類時間解析模型則將作業時間作為衡量航空保障能力的主要指標，通過構建參數解析模型來評估航空保障系統對作業流程的時間影響關系，當時間參數值越小，說明航空保障能力越強。航空保障能力的評估模型可表示為

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

(5)

式中：Tp為航空燃料保障能力；Td為航空電源保障能力；Tg為航空慣導對準保障能力，慣導對準與通電檢查可并行作業，因此對兩者取大；Tw為機載武器保障能力；Tz為艦面調運保障能力；Tq為起飛離場保障能力；Th為回收著艦保障能力。以下具體闡述每個能力的評價模型。

3.3.1航空燃料保障能力

航空燃料保障能力Tp與“可同時加油艦載機數量nts”、“加油停機位覆蓋率Rp”、“加油流量Lp”、“加油設備可用度Aop”、“加油設備故障率Ppr”、“加油故障響應時間tpf”等指標相關，其評估模型可描述如下：

1)約束條件模型為：

(6)

式中:Tz為甲板停機位就近轉運時間，該約束條件模型用于表示當加油停機位覆蓋率不滿足100%時，需要轉換到就近能加油的停機位，從而構造一個時間的罰函數。

2)解析模型為：

① 當[nts·Aop]≥N波次時，表示當加油設備數量足夠并行開展加油作業，

(7)

式中：N波次為波次出動艦載機數量；Wk為第k型艦載直升機油箱容量。

② 當[nts·Aop]

(8)

3.3.2航空電源保障能力

航空電源保障能力Td與“可同時通電艦載機數量ndts”、“供電停機位覆蓋率Rd”、“供電保障車數量ndk”、“供電設備可用度Agd”、“供電設備故障率Pgd”、“供電故障響應時間tdf”等指標相關，其評估模型可描述如下：

1)約束條件模型為：

(9)

其中，該約束條件模型用于表示當供電停機位覆蓋率不滿足100%時，需要轉換到就近能通電的停機位，從而構造一個時間的罰函數。

2)解析模型為：

① 當[ndts·Agd]+ndk≥N波次時，表示當通電設備數量足夠并行開展通電作業，

(10)

式中：tdk為第k型艦載直升機通電檢查時間。

② 當[ndts·Agd]+ndk

(11)

3.3.3機載武器保障能力

機載武器保障能力Tw與“掛彈小組配置數量nwp”、“甲板武器儲備量Rw”、“武器升降機數量nws”、“武器升降機可用度Aws”、“彈藥出庫速率Vws”、“武器保障系統故障率Pwq”、“故障響應時間twf”等指標相關，其評估模型可描述如下：

1)約束條件模型為：

(12)

式中：Nwr表示波次出動艦載突擊直升機的彈藥需求量，該需求量以武器轉運車一次裝載量為單位，如武器轉運車一次可轉移掛載四枚空地導彈或一筒量的火箭彈進行掛載，則可視為1個需求量。當甲板儲備彈藥量不滿足波次需求時，需要從彈庫轉運進行補充。

2)解析模型為：

① 當Nwr≤nwp時，表示當掛彈小組配置數量足夠并行開展掛彈作業，

(13)

式中：twk為可并行掛載的第k型武器掛載時間。

② 當Nwr>nwp時，表示當掛彈小組配置數量不足，需排隊開展掛彈作業，

(14)

3.3.4慣導對準保障能力

慣導對準保障能力Tg與“同時慣導對準艦載機數量ngts”、“慣導對準系統可用度Ag”、“慣導對準系統故障率Pg”、“慣導對準響應時間tgf”等指標相關，其解析評估模型可描述為：

(15)

式中：tgk為第k型艦載直升機慣導對準時間。

3.3.5艦面調運保障能力

艦面調運保障能力Tz與“升降機數量nsj”、“升降機可用度Asj”、“升降機可載艦載機數量nyj”、“升降機輪轉時間Tlz”、“升降機故障率Psj”、“升降機故障響應時間tsf”、“牽引車數量nqs”、“牽引車可用度Aqy”、“牽引速度Vqy”、“牽引車故障率Pqy”、“牽引故障響應時間tqf”等指標相關，其解析評估模型可描述為：

(16)

式中：Ljz、Lkz分別表示甲板和機庫轉運平均距離；Tx為系留或解系留時間。等式的前一項代表升降機轉運能力，后一項代表牽引車轉運能力。

(17)

在兩棲攻擊艦的航空保障中，艦面調運保障主要作用在直接出動準備環節，當波次機群輪轉之后，可直接在起降區一站式完成再次出動準備，無需再進行轉運作業。

3.3.6起飛離場保障能力

起飛離場能力Tq與“可同時起飛艦載機數量ntsq”、“可保障同時開車數量ntsk”、“起飛時間間隔ΔTqf”等指標相關，其評估模型可描述為：

1)約束條件模型：

(18)

式中：BM表示足夠大實數，作為不滿足波次出動艦載直升機數量小于可同時起飛數量這一約束的懲罰項。

2)解析模型：

(19)

式中：tkc表示開車及起飛前準備時間。

3.3.7回收著艦保障能力

回收著艦能力Th與“可同時回收艦載機數量ntsz”、“著艦引導成功率Pzj”、“著艦回收時間間隔ΔTzj”、“著艦引導系統故障率Pyd”、“著艦引導故障響應時間tzf”等指標相關，其評估模型可描述如下：

1)約束條件模型為：

(20)

式中：BM表示足夠大實數，作為不滿足波次回收艦載直升機數量小于可同時回收數量這一約束的懲罰項。

2)解析模型為：

(21)

式中：tff表示復飛著艦時間。

需要說明的是，以上采用約束條件模型和解析模型相結合的形式給出各航空保障的評估方法，以上評估指標同樣可采用基于仿真的方法提取，即統計各保障環節的平均作業時間作為各子能力的評估值。

3.4 艦載機維修保障能力評估模型

鑒于艦載機維修保障具有較強的隨機性，難以用確定性的模型加以評估，本節采用基于仿真的統計分析方法構建艦載機維修保障能力評估模型。在綜合對比GJB451A—2005《可靠性維修性保障性術語》[14]、GJB1909A—2009《裝備可靠性維修性保障性要求論證》[15]等國軍標的基礎上，以使用可用度模型作為維修保障能力的綜合評價指標，并結合艦載直升機的保障特點，提出了適應性改進模型如下：

(22)

式中：Cw為艦載機維修保障能力指標；Tbm為平均故障間隔時間；衡量艦載機裝備的故障頻率；Tdw為平均故障定位時間；Twx為平均直接維修工時；Tsbd為平均設備保障延誤時間；Tbjd為平均備件供應延誤時間；Pwx為維修項目覆蓋率；ps為艦載機故障后有維修設備需求的概率；Psb為維修設備配套率；Asb為維修設備完好率。其中，平均備件供應延誤時間根據編隊航空兵飛機備件供應體制，可近似為

(23)

式中：pb為艦載機故障后，不需要備件可以修復的修理工作概率；pjk為兩棲攻擊艦航材倉庫的備件滿足率；tjk為從兩棲攻擊艦航材倉庫獲取備件的平均反應時間；Pbk為編隊航材倉庫的備件滿足率；tbk為從編隊航材倉庫獲取備件的平均反應時間；tjd為基地級備件輸送的平均時間。式(22)各項參數可通過仿真模型得出或經過長期使用統計得出。

3.5 艦載直升機頂層作戰與保障能力評估方法

基于解析模型的綜合能力評估方法是通過構建疊加組合的關系方程將裝載投送能力Cy、掩護突防能力Ct、航空保障能力Ch和艦載機維修保障能力Cw映射為艦載直升機作業流程綜合能力值，考慮到航空保障能力的度量為各環節保障時間值，時間越小能力越強，因此綜合能力為負相關，其余能力指標均為正相關，從而建立基于解析模型的綜合能力為

(24)

4 艦載直升機作戰與保障能力評估案例分析

在建立起作戰與保障能力評估模型后，為了驗證模型的有效性，參考現階段各國兩棲攻擊艦的性能表現，對3種兩棲攻擊艦技術指標進行分析。因數據過多，篇幅有限，本文對艦載直升機作戰與保障能力分別進行部分數據的分析，其作戰能力由裝載投送能力代表，保障能力由航空燃料保障能力代表。3種兩棲攻擊艦裝載投送能力如表1所示。

表1 裝載投送能力Table 1 Loading and delivery capacity

基于上述輸入，由式(1)裝載投送模型，有：

計算可得，3種兩棲攻擊艦裝載投送能力Cy分別為18.39、12.62、19.67。保障能力以航空燃料保障能力為例，數據如表2所示。

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

首先根據約束條件模型式(6)，滿足覆蓋率約束，Mp=0，其次，通過判斷滿足[nts·Aop]

計算可得，3種兩棲攻擊艦航空燃料保障能力Tp分別為8.98 min、6.25 min、4.76 min。

最終確定的各指標的數據值如表3所示。

表3 綜合能力值Table 3 Comprehensive capability value

利用式(24)確定各方案的綜合效能C的值分別為：178.20，92.94，78.85。從評估結果可以看出，美國兩棲攻擊艦A所搭載的艦載直升機性能優異，在裝載投送能力及掩護突防能力上要顯著優越于其他2種兩棲攻擊艦所載直升機，但在航空保障維修能力方面，美國兩棲攻擊艦A與B相差不大，但均優于法國兩棲攻擊艦C，3種兩棲攻擊艦在艦載機維修保障方面因技術水平差異存在著一定的能力差距。最終的排名結果為美國兩棲攻擊艦A>美國兩棲攻擊艦B>法國兩棲攻擊艦C。

5 結論

本文建立了一種基于指數法、解析法、仿真模擬評估的多層次能力評估模型，能夠對兩棲攻擊艦艦載直升機作戰與保障能力進行有效的綜合評估。該模型經驗證合理可行，但在具體計算中應在該建模思想的指導下綜合考慮可以獲得的數據情況，以合理調整具體的計算模型。本文中能力評估結果為解析模型下的計算結論，僅具有參考價值。