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西工大教授宋筆鋒告訴你無人機如何在復雜對抗下存活

時間:2016-10-11 16:56:46   來源:UAS無人驅
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2016UAS作為我國無人機領域內規模最大,學術水平最高,參與人數最多的無人機盛會,雖然已經結束,但很多沒能前往現場的無人機愛好者都希望獲得這次展會的更多信息。今天為您奉上西北工業大學航空學院教授宋筆鋒的發言。該發言為2016UAS大會現場速記資料,未經本人核對審核。

宋筆鋒教授是西北工業大學航空學院教授,博士生導師,原航空學院院長,長江學者,973項目首席科學家,全國百篇優秀博士論文獲得者,教育部長江學者創新團隊帶頭人,享受國務院政府特殊津貼。主要研究方向包括飛機多學科設計優化與決策技術,微小型無人機設計與應用,飛艇設計,可靠性、維修性、保障性工程等。

宋筆鋒教授的主要發言內容為:在復雜對抗條件下,無人機的生存力與技術發展。

第二次世界大戰,每出動1000架飛機,損失10架飛機,作戰28天,飛機就只剩一半多,到東南亞戰爭期間,每1000架次損失率是1架,甚至到沙漠風暴行動里,每出動1000架次損失0.5架,作戰一個月,這是飛機生存的數目。

生存力在軍機里面是非常重要、非常常規的概念,特別是在最先進的戰機設計里已經上升到很高的層面,上升到非常主要的地位。大家接觸過程中可能會有一個疑惑,跟常規講的可靠性概念有什么區別?生存力和可靠性還是有區別的,生存力是講飛機在人為敵對威脅環境下生存的能力,而可靠性是指飛機在自然環境下能夠正常工作的能力。兩個完全不同,一個是在自然環境下,一個是在敵對人為威脅環境下。

在一戰、二戰里,損失率相當驚人,在沙漠風暴行動里損失比較少,美國人強行在飛機設計里推行生存力的設計。

上世紀6070年代到現在為止生存力已經作為軍用飛機非常重要的設計指標,作為軍用無人機,逐漸認識到這個問題。實際上從這個發展可以看出,技術發展是美國首先起來的,特別是有兩個事件:

11987年美國通過實彈法,要求所有的武器系統在生產前均要進行全尺寸的實彈實驗,非常昂貴。

2、從1991年開始,軍機設計里,生存力作為高度優先的設計指標,這個指標在這些指標里基本跟性能要求是等價齊驅的,我們熟悉的一些先進飛機都是這樣要求的。

生存力包括哪些內容?從范圍來講有三大塊:

1、在作戰過程中,威脅、發現、跟蹤、發射武器,從武器接近你的飛機再引爆戰斗部、殺傷飛機的過程,把這個過程叫飛機的敏感性。

2、易損性。戰斗爆炸以后,產生的碎片和沖擊波對飛機會造成殺傷。

3、飛機或者無人機受傷以后,回到基地,對飛機要進行維修,讓無人機重新起飛,再次出動,這樣帶來的一些問題叫戰傷搶修。

簡單來講就是命中敏感性、目標的易損性和戰傷搶修性。

命中敏感性。

首先威脅,要搜索飛機,有了飛機以后要探測飛機在什么地方,探測到飛機以后要發射武器,在此基礎上,武器要飛出,朝著攔截飛機的位置飛去,最后階段是武器要命中飛機,是由這五個連續步驟組成的。P是概率的意思,五個階段都有一個概率,真的要抓住飛機的話,這五個概率相乘就是抓住飛機的概率。當然每個過程都比較復雜。

評估過程中主要包含跟隱身有關的飛機特征信號計算模型,包括雷達、紅外、射頻,還包括有沒有電子干擾,電子干擾過程中引起的探測、交會、隱性和戰斗部的配合所引發的擊中概率。傳統飛機有雷達信號、探測的依據、紅外信號、射頻信號,實際上飛機現在基本上關注的是三大信號,隱身里的雷達、紅外和射頻。

隱性和戰斗部配合,戰斗部能夠殺傷飛機的有效區域里爆炸,要找到這樣一個有效區域里爆炸以后才能命中飛機。

電子戰情況下,探測概率和脫靶距離如何計算。

抓住飛機以后目的是擊毀飛機,對飛機或無人機本身來講,要不容易擊毀,易損性主要講戰斗部容易擊毀飛機的特性。

一般易損性里考慮兩種威脅,一種是槍炮,彈丸形式的。

槍炮威脅下:26個打擊方向上的殺傷概率、易損面積、暴露面積。

在導彈威脅下:典型引爆點的殺傷概率。

這里要找到易損性的關鍵部件,建立易損性的毀傷數。這些關鍵部件是有邏輯關系的,這個部件殺傷和飛機殺傷或無人機系統殺傷是什么關系,要描述出來。

要找到關鍵部件殺傷,怎么判定是殺傷,怎么判定沒有殺傷?這需要判定的,都有相關毀傷準則,而且每種部件毀傷準則不同,特點不一定。

威力場模型。槍炮對應的平行彈道的威力場,過去飛機飛的比較低,特別是越戰時,因此經常用高射炮、機關槍能打掉飛機的場面。現在飛機飛得很高,特別是軍用和民用飛機。很多軍用無人機飛行高度并不高,因此地面的槍炮依然是民用無人機的威脅,主要是導彈的沖擊波和破片威力場。

彈目交會及彈丸在飛機內部的運動狀態計算,通過穿透的邏輯關系獲得相關的數據,獲得數據以后,可以通過一個邏輯關系得到我們想要的描寫飛機易損性的殺傷概率或易損面積。這里有很多方法,我們做了很好的研究。

生存力分析與權衡設計方法。

無人機高生存力設計是干什么?實際上就是降低擊中的敏感性,對方的威脅擊中我的敏感性要降低,通俗一點就是隱身。但從寬度和縱深來講比隱身范圍要深和大。抓住飛機以后,希望這個飛機戰斗部不能夠殺傷我的飛機,這叫易損性。這兩個里面都有很多設計措施,怎么樣降低擊中的敏感性,怎么樣降低飛機的易損性,有很多措施。這些措施是要付出代價的,要么犧牲飛機的性能,要么增加成本,要么增加制造難度等等,有這樣一些代價。因此在具體設計過程中,要不要采取這樣一種措施,需要跟飛機的作戰效能、飛機的性能和飛機的全壽命周期費用進行權衡設計。有的付出的代價太大,反而影響到飛機的性能,可能大家就不愿意采用,有的付出代價比較少,成本代價比較少,就樂意采用。這是我們看到一些敏感性減縮錯誤,就是怎么樣降低飛機被武器抓住的措施,有很多種,包括威脅告警、噪音干擾和欺騙、信號檢索。信號檢索在生存力的概念里就等同于隱身設計,包括雷達/紅外/射頻信號的隱身,采用飛行戰術戰略規避威脅,讓它少抓住,這也是可以采取的措施。

RQ-4(全球鷹)的敏感性減縮措施,采取三個方面減縮措施,效果比較好。

易損性減縮措施。飛機被抓住以后,怎么樣不被擊毀?這里也有很多設計措施。比如關鍵部件布置兩個,發動機布置兩個,飛控計算機搞四個,包括部件的設置、遮擋等等,損傷以后如何抑制,有主動抑制,有被動的抑制。主動抑制包括可以加滅火器,被動抑制是有自封油箱,還有部件相互遮擋,甚至有些易損部件可以從飛機上移除掉,把人從有人機上移除下來,從生存率角度來講就是移除了一個關鍵易損部件,因為人被打掉以后,有人機基本不行了,把人除掉以后,無人機生存力就提高了。

權衡設計,降低飛機被抓住的可能性,降低了飛機被抓住技術擊毀的可能性,應該在設計過程中要跟性能、作用、維護、制造權衡設計,又變成一個更大層面的問題。生存力要跟哪些方面權衡?跟可靠性、維修性、費用、安全性、飛機性能、飛機作戰有效性權衡。

生存力分析的軟硬件工具分析。

美國生存力分析軟件工具,包括探測、易損、路徑生成、飛機和空中導彈、防空火炮交會各式各樣任務分析的工具,美國人從1971年一直做下來,發揮了大量很好的作用。

美國飛機生存力實驗室設施(硬件平臺),這個看起來非常龐大,令人吃驚。生存力研究實驗室有11個,靶場與試驗基地有21個。

西工大開發的生存力分析的軟硬件工具介紹。我們生存力技術已經應用到大家比較關注和熟悉的最好的戰斗機、最好的運輸機,包括各式各樣的無人機、戰斗部,我們做了幾十部飛機和戰斗部各種各樣的分析,發揮了比較好的作用,包括敏感性評估雷達、紅外、機載射頻,對抗環節可以有干擾,可以加誘餌帶,扔一個箔條,怎么樣降低敏感性,易損性評估,效能評估系統,以及硬件平臺。

飛機在對抗環境下敏感性評估及航路規劃系統。在飛機過程中找到一條路徑,沿著這條路徑進去的話,飛機就不容易被發現,這是要去研究的。

飛機敏感性降低措施數據庫,共收集到90余條數據。

飛機里面有很多生存力致命性部件,有些部件壞了就壞了,不影響,有些部件壞了不行,一壞了,飛機就失去了,我們要辨識出來,有一套方法。

我們做了一個飛機全機易損性計算和分析軟件(卡片版),大家非常期待我們國家一些重點型號就用我們這個軟件在設計過程中隨時評價生存力是怎么樣一個程度。

常規戰斗部設計、威力分析及毀傷效能分析系統。研究戰斗部效能時必須知道目標內部結構,是易損還是不易損,必須知道這個模型,我們就幫他們做這個模型,我們國家很多戰斗部的模型也是用我們生存力的模型來做的。

未來戰爭為“網絡中心戰”,是體系與體系間的對抗。無人機生存力以后要更加注重多鏈路數據鏈組網抗干擾問題,比如隱身還是主要的,因為新的隱身材料正在發展,新的探測裝備也在發展。在電子對抗方面、任務規劃方面,包括要配備一些自備武器方面,從這三個方面來講,我們預計會是今后有人機和無人機生存力發展的一個重點的研究方向。

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