飞机生存力的影响因素分析

飞机生存力的影响因素分析

可用性、可靠性和可访问性是决定飞机系统性能和成本的重要因素。可用性与能力在设计定型时即已确定。在和平时期,在飞机的可信度中起决定作用的因素是飞机的任务可靠性,任务可靠性未考虑敌对威胁的影响;而在战时,在飞机的可信度中起作用的因素则是飞机的生存力。因此,在战争状态下,存在人为敌对威胁时,生存力就等效于可信性,生存力就是效能。在现代飞机设计中,生存性设计的好坏将直接影响整个飞机系统的效能与费用。飞机的生存力问题已经越来越引起人们的注意,美国军方已经把生存力作为飞机设计中主要考虑因素之一。任何生存力提高措施,都将对飞机的寿命周期费用和性能产生影响,提高生存力必须考虑寿命周期费用的限制。国内外大多数关于飞机生存力的文献仅从敏感性和易损性方面对生存力进行分析;1997年,西北工业大学的宋笔锋等提出了一种以飞机的安全性、维修性、可靠性、保障性、性能及费用等为约束条件,能应用于飞机概念设计的飞机生存力效益/代价综合评估方法。本文提出了影响飞机生存力的基本要素为敏感性、易损性、可靠性、维修性和保障性,基于各因素对生存力的影响重要程度给出了用于飞机生存力评估的权重系数法和综合评估法;并考虑到与费用之间的权衡,提出了飞机生存力/寿命周期费用综合权衡方法。1生存力的3个要素—飞机生存力的影响因素飞机生存力是指飞机在执行作战任务时,在不引起持久地削弱其完成指定任务能力的前提下,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)以及遭到损伤后能以应急手段和维修方法使得飞机恢复到完成某种任务所需的功能或自救的能力(高的战伤抢修性)。因此飞机生存力的3个基本要素是飞机的敏感性、易损性和战伤抢修性。敏感性考虑的是关于作战飞机被发现和击中的问题,易损性是关于飞机承受打击的能力,而战伤抢修性考虑的是战伤飞机的恢复使用,这三者是飞机生存力的3个环节。在被发现和击中的情况下,易损性小的飞机相对不易被击落,往往会带伤返回地面,这些战伤飞机经过抢修后,恢复了作战能力,从而提高了飞机的生存力。战伤抢修性定义为:在作战条件下和规定的时间内,以应急手段和方法维修时,使飞机恢复到完成某种任务所需的功能或自救的能力。由定义可以看出,战伤抢修性与飞机的可靠性、维修性和保障性有关。如果飞机的可靠性高,则在作战或使用中抗损伤或失效的能力好,抢修工作可以少做一些;战伤抢修性是遭受损伤的飞机能被迅速进行的有效的应急修复性能,是维修保障在战场上的一种表现。因此,战伤抢修性可以由飞机的可靠性、维修性和保障性来衡量。飞机生存力的3个基本要素是敏感性、易损性和战伤抢修性,而战伤抢修性又可以由飞机的可靠性、维修性和保障性来衡量。因此,可以把敏感性、易损性、可靠性、维修性和保障性作为飞机生存力的基本影响因素(如图1所示)。2飞机的敏感性、易损性和适应性的影响敏感性、易损性、可靠性、维修性和保障性关系到现代飞机生存力。飞机的敏感性、易损性越高,则飞机的生存力越低;飞机的可靠性、维修性和保障性越高,飞机的生存性也越高。因此,可以根据飞机的敏感性、易损性、可靠性、维修性和保障性给出飞机生存力的评估方法。2.1飞机生存力评估各个因素对飞机生存力的影响程度不一样,对生存力评估应该考虑到每个因素的影响程度。权重系数法的基本思想是把生存力评估中每个因素的值按该因素对生存力的影响重要程度给以权系数ξi,从而得到生存力的评估值。飞机生存力权重系数评估法可以表示为z=2∑i=1ξi1Fi+5∑j=3ξjFj(1)z=∑i=12ξi1Fi+∑j=35ξjFj(1)式中:Fi(i=1,2)为飞机的敏感性和易损性,Fj(j=3,4,5)为飞机的可靠性、维修性、保障性;ξi(i=1,2)、ξj(j=3,4,5)为各因素权重系数,即基于各因素对生存力的影响重要程度的加权系数,它们的总和等于1。(1)敏感性分析指作战飞机在完成任务过程中被损伤击中的可能性。敏感性用飞机被损伤机理命中的概率PH来表示。敏感性在概念上由以下概率来进行测度:威胁是主动的并准备攻击飞机的概率PA;飞行器被威胁探测、识别及跟踪的概率PDIT;威胁传播物被发射或者开火,击中飞机的概率PLGD。敏感性PH可以表示为ΡΗ=ΡAΡDΙΤΡLGD(2)PH=PAPDITPLGD(2)(2)概率pk/h指飞机不能承受损伤机理一次或者多次打击的程度。易损性用飞机被一种或多种损伤机理命中后损伤的概率PK/H表示,这是一种条件概率。实际易损性等于损失的飞机数与被击中的飞机数的比值。易损性也可以用易损面积来度量,对结构元件来说,易损面积AV是元件的现有面积AP与元件在被击中一次情况下发生致命损伤的概率PK/H的乘积AV=AΡ⋅ΡΚ/Η(3)AV=AP⋅PK/H(3)(3)tmbf法指飞机在规定的条件下和规定的时间内完成规定功能的能力。通常用平均故障间隔时间(TMTBF)作为作战飞机可靠性度量ΤΜΤBF=Τo/Νf(4)TMTBF=To/Nf(4)式中:To为飞机工作时间;Nf为总故障数。(4)平均修复时间指飞机在规定的条件下和规定的时间内,按规定的程序和方法进行维修时,保持和恢复到规定状态的能力。用平均修复时间(TMTTR)作为度量ΤΜΤΤR=n∑i=1(λkΜct,k)/n∑i=1(λk)(5)TMTTR=∑i=1n(λkMct,k)/∑i=1n(λk)(5)其中:Mct,k,λk分别为飞机第k个部件的平均修复时间和故障率;n为可修部件总数。(5)tmta0度量指系统的设计特性和计划的保障资源能满足平时战备及战时使用要求的能力,用作战飞机的战备完好率或使用可靠度(A0)度量A0=ΤΜΤBΜΤΜΤBΜ+ΤΜDΤ(6)A0=TMTBMTMTBM+TMDT(6)其中:TMTBM为飞机的平均维修间隔时间;TMDT为飞机平均不能工作时间。选定基准飞机生存力或基准飞机生存力设计方案,将飞机生存力评估的权重系数法标准化为式中:下标“BL”代表基准飞机或飞机生存力设计基准方案。2.2飞机生存力评估飞机的敏感性和易损性越低,可靠性、维修性和保障性越高,则飞机的生存力越高。在飞机生存力设计中,优选方案是获得敏感性和易损性较低,而可靠性、维修性及保障性较高的飞机。因此,飞机生存力可以用综合评估法来进行评估,其评估函数z=ΤΜΤBFAoΡΗΡΚ/ΗΤΜΤΤR(8)z=TMTBFAoPHPK/HTMTTR(8)同理,可以得到飞机生存力的标准化综合评估函数为z=(ΡΗ)BLΡΗ(ΡΚ/Η)BLΡΚ/Η⋅ΤΜΤBF(ΤΜΤBF)BL(ΤΜΤΤR)BLΤΜΤΤRAo(Ao)BL(9)z=(PH)BLPH(PK/H)BLPK/H⋅TMTBF(TMTBF)BL(TMTTR)BLTMTTRAo(Ao)BL(9)飞机生存力评估方法既可评估飞机的生存力,也可用于飞机生存力设计方案的比较。对于飞机生存力的各个影响因素的计算,可以参考相关文献等。3生存力的综合权衡飞机生存力提高是通过飞机敏感性、易损性的降低和可靠性、维修性及保障性的提高来实现的。而敏感性和易损性的降低又是通过自身可探测性降低、加固和电子干扰等技术措施的采用而获得;可靠性、维修性及保障性的提高也是通过采用各种技术手段和有效的组织管理来实现的。这些技术的使用和有效的组织管理都要付出费用作为代价。因此飞机生存力提高是一个收益与代价之间的权衡过程。并且在实际的飞机设计中,要受到最大寿命周期费用与最小生存力这两个条件的约束。因此必须对生存力提高对寿命周期费用的影响进行综合权衡,以获得最佳生存力设计方案。飞机生存力与费用的综合权衡函数为maxf(S,C)=S/Cs.t.{S>SminC<Cmax(10)maxf(S,C)=S/Cs.t.{S>SminC<Cmax(10)其中:S表示飞机生存力;C表示寿命周期费用。综合权衡函数将生存力和寿命周期费用综合起来考虑,可以说是一种高度的综合。飞机生存力S与寿命周期费用C的单位不同,因此,应将其规格化(使其无量纲化),于是,f(S,C)又表示为maxf(S,C)=Μ(S)/Μ(C)s.t.{Μ(S)>Μ(S)minΜ(C)<Μ(C)max(11)maxf(S,C)=M(S)/M(C)s.t.{M(S)>M(S)minM(C)<M(C)max(11)式中:M(S)为规格化的生存力,M(S)=S/SBL;M(C)为规格化的寿命周期费用,M(C)=C/CBL;CBL为基准飞机的寿命周期费用;SBL为基准飞机的生存力。4有机链上实证某型歼击机的服役年限已久,其作战性能满足不了当今的需求,决定作退役处理。现从国外引进先进歼击机,填补该型歼击机留下的空白。这两型歼击机的生存力要素值与15年的寿命周期费用如表1。以某型歼击机作为基准,根据式(9)计算出先进歼击机的生存力值为20.3,飞机生存力与费用综合权衡值为6.96。因此,先进歼击机的生存力是某型歼击机的20.3倍,并且从与费用的综合权衡看,也是非常值得的。它的引进,将大大提高我军的持续作战能力。5生存力的确定(1)飞机生存力评估与权衡方法全面反映了影响飞机生存力的主要因素。生存力不仅涉及到飞机的敏感性、易损性,而且与飞机的战伤抢修性(包括可靠性、维修性和保障性)设计和部队的战伤抢修能力(即维修性、保障性)有关,并且生存力的提高受到