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红色尖兵 · 发表于 2006-7-24 08:57:50

作战效能评估技术是近年来航空领域广泛关注的研究项目，是二十一世纪综合性、前沿性技术。综观飞机的研制过程，战效评估在飞机战术技术经济可行性论证阶段以及作战使用研究等方面都具有重要的作用。本文从飞行力学和计算机数学模拟仿真的角度出发，对歼击机空战效能评估方法进行研究，内容包括如下几个方面:
1) 自动化空战模拟原理。提出战术动作、飞机质点运动方程、战效评估准则以及计算机计算有机结合的闭环模拟机理，给出适合飞机方一案论证阶段使用特点的空战模拟方法。
2) 空战初始态势设置、空战战术动作组合的战术理论依据。通过对可能面对的作战使用环境下的作战对象能力分析，从飞行力学的角度出发，提出符合飞机战术使用原则的战术动作组合的理论依据，建立战术动作理论数学模型。
3) 根据近距空战的特点，分析近距导弹带离轴角发射的使用条件，建立适于空战模拟的数学模型。
4) 以某第三代战斗机为例进行空战模拟计算机仿真，结果表明:在考虑模拟双方不同的高度、速度、两机距离和方位的态势下，能够实现多次的自动化模拟仿真计算，计算的战损情况与国外相关资料数据对比总体趋势吻合，结果具有较高的可信度。表明了本文中给出的空战效能评估方法在工程应用中具有重要的作用。同时也证明了模拟方法、数据处理、战术动作链以及数学模型是正确的。另外，还对影响超视距、近距空战效能的主要胜机参数进行了定量分析。
本研究对型号研制和预先技术研究有重要应用价值。
关键词:空战模拟，战效评估准则，空战初始态势，战术动作链

红色尖兵 · 发表于 2006-7-24 08:58:07

第一章绪论
 

1.1概述


歼击机作为现代的武器装备，随着科学技术的发展，其各系统的构成和功能越来越完善和先进。随之而来的问题，飞机的研制经费和单机价格相应增高，研制周期也随之增长。在新机研制、老机重大改进等投资决策时，需要进行必要的效费比分析。歼击机效费比分析的基础和难点在于如何评价其作战效能。空、海军使用部门对某机型制定采购计划或向研究部门提出新要求时也迫切要求分析与作战对象对抗的作战效能情况:研制部门在研制工作中，对某项新技


术做技术决策时，在技术上可行，经费不超指标的情况下，主要考虑尽最大可能满足部队的需要，而判断是否满足需求的重要方面需进行作战效能分析。因此，歼击机空战效能分析研究是科学技术发展所推动出来的要求;是从事武器装备研制各层次人员工作的客观需要。战斗机的作战效能评估是一项综合技术和一种衡量战斗机优劣的手段，是将战斗机作为一个武器系统来评估的,其充分反映了飞机所采用的主要技术对作战能力的影响。根据以往的空战经验和战术理论研究的发展，由于在不同的空战阶段中，战斗机机群的组成、机动飞行轨迹、火控系统和使用武器各不相同，


因此，战斗机的空战主要分为两个阶段:超视距空战，近距空战。超视距空战效能主要取决于机载设备和武器;近距空战效能主要取决于飞机的机动性能和导弹的离轴能力(包括采用光电雷达或头盔)。作为第一.二代飞机，基本上没有超视距空战能力(只有少数第二代飞机改进型实现了超视距攻击)，近距空战效能相对也较差。第三代飞机的早期型，如F一比A飞机，以改善机动能力，提高近距作战效能为主，第三代飞机机动性比二代飞机平均高70%左右，导致两代战斗机的近距作战效能相差2一3倍，随着技术的发展，第三代战斗机的改进型，如F一16C飞机，挂装了AIM一7F中距导弹，超视距作战效能大大加强。第四代战斗机为了进一步提高飞机的作战效能，远距采用隐身技术和超音速巡航方式，装远距离探测雷达，挂主动雷达型空空导弹;近距则采用先进的气动布局，具有良好大迎角气动特性和推力矢量，在第三代飞机的机动性基础上，强调提高飞机的敏捷性、过失速机动能力队.空战效能分析工作早已为世人所重视九十年代前评价歼击机的作战有效性，主要用加权参数法，该方法属静态评估法，在很大程度取决于使用者的经验。八十年代，我国研究空战模拟的途径，主要用微分对策，该方法计算工作量大，也不能直接反映飞机及其武器系统的参数影响。飞机设计中使用甚为不便，且其计算结果的可信度往往也令人产生怀疑。八十年代末，我国自行研制出一个可以模拟飞机作战动作的空战战效分析软件。该软件对火控系统和导弹等模拟的简单，对评价现代歼击机的作战效能还存在一定的差距。

红色尖兵 · 发表于 2006-7-24 08:58:29

1.2国外作战效能技术发展动态
 

美国,俄罗斯等航空发达国家十分重视军用飞机的作战效能的研究，都设立专门的机构从事这些方面的研究工作，如俄罗斯的高斯尼亚斯，由专门的部门进行航空武器系统的作战效能研究。


国外早在七十年代就提出用计算机仿真和半物理模拟相结合，有人在环的空战模拟装置。建造这种设施耗资大，而且计算周期长，美、前苏联、法、英、德等国都曾建造过这类设施来进行空战模拟。


八十年代随着电子计算工作站和微机的迅速发展，仿真技术的广泛应用，无论美、欧还是俄罗斯都采用数字仿真为主的战效分析手段。美国的F一2２飞机设计时，为确定飞机、火控系统和武器等参数的匹配，曾在微机上进行一百万次包括各种情况的空战模拟，每天要完成一万次的空战模拟。从国外各种作战效能研究的情况看，可以把飞机作战效能研究按其复杂程度初步分为四级[8::对比法(性能参数分析)，计算评估法(效能指数分析)，计算机模拟法(模拟器空战半物理仿真和计算机空战全数字仿真)和试飞(真试飞及空战演习的全物理仿真)。每种方法都有各自的优缺点，适合一定的应用范围，很多时候不同方法需要互相补充才能更好地说明问题。其中模拟器空战仿真和计算机空战仿真在顶层分析论证阶段被广泛采用。


1)对比法


这种方法在工程应用中经常使用，其主要的表达形式就是以列表方式，根据所要比较的作战对象，将主要指标参数同时列于表中，然后进行比较分析一般列于表中的参数主要有:性能参数，雷达参数，导弹参数以及RCS等性能参数包括飞行包线(飞机高度、速度范围)、定常盘旋过载、瞬时盘旋角速度、爬升率、航程和作战半径、起飞和着陆滑跑距离等。雷达参数包括雷达的探测距离、跟踪距离、搜索及跟踪空域等。导弹参数包括导弹的攻击距离、过载、离轴角、末制导距离等。


2)计算评估法


计算评估法是选择与作战飞机效能密切相关的参数，按一定规律进行计算得出代表效能的指标或效能高低代表值的方法。该种方法的例子如近距攻击系数方法、作战效能指数方法等。近距攻击系数方法具体的公式表达为N（稳定盘旋过载），Nyinax（最大使用过载）SEP（单位剩余功率）的一个方程，通过选取上述参数值，就可以计算出近距攻击系数值，经过不同飞机的上述计算，就可以得出每架飞机作战效能的高低。


作战效能指数法又可分为空空效能指数和空地效能指数，运用计算评估法关键的问题是选择评估参数。对不同的作战飞机应按其主要任务选择关系密切的参数，例如，评估空空效能可选用与机动性武器攻击力和探测目标能力有关的参数:评估空地效能可选用载弹量、外挂武器的挂架数量和生存力、突防能力等有关的参数。对于有些参数难以通过技术计算得出结果的，可通过专家决策来选取。


3)计算机模拟法　


计算机模拟法分为数字模拟方法和空战仿真(空战模拟器)方法。其中模拟计算都是依据飞机的确切数据和运动方程逐步计算出飞机的飞行轨迹进行空战，计算结果都是以损失比的形式给出，并且需要多次空战模拟计算，才能最终得到统计平均值。空战仿真是在数字模拟的基础上发展起来的，采用六自由度运动方程，增加了座舱视景系统、飞控系统和教官监控系统等，操作需要有油门杆、脚蹬、驾驶杆及雷达截获、武器发射按钮。


4)试飞法


试飞方法相对复杂，能够真实评价空战双方的作战效能，但花费的时间、经费和人很大，实现起来有很大的困难。由于数字模拟方法综合了飞机气动性能、雷达火控、导弹和隐身等专业技术，并与.咙斗机的空战战术要紧密相结合，国内目前从理沦和仿真方面尚需要完善。从发展的趋势看，战效评估技术将成为未来飞机设计的必备技术，因此，从工程应用的角度出发，开展此项研究，跟踪世界先进技术，更好的为型号应用是十分重要的。


1.3空战的基本特点及效能评估研究的意义


第三代战斗机是以导弹作为主要武器进行空战的战斗机，通常认为现代空战由超视距空战(BeyondVisualRailge)和近距(closein，或视距内winvisuRange) 空战两个阶段组成，但各阶段的空战特点不同在超视距空战阶段，战斗机的活动带有机群作战的特点．一般，战斗机被分为不同的战术任务组，其中每一组都应完成总作战意图所规定的任务，例如拦截敌方轰炸机群，准备与敌方护航战斗机遭遇等等。但无论如何，每一机组为完成预定任务所做的机动飞行都应保证战斗机进入武器发射的有利状态。为此，可认为战斗机的空战模式由以下阶段组成:


一接近与搜索阶段。此时战斗机按地面(或空中)指挥员的命令爬升到预定的飞行高度，并向目标接近。当目标进入战斗机的机载雷达探测范围之内时，战斗机的飞行力图使雷达截获目标。随后，战斗机进入保证导弹发射条件的预备性机动阶段;


— 预备性机动阶段。在此阶段中，为了保证机载雷达始终截获目标，并使尽快地达到导弹发射条件，战斗机必须进行相应的曲线跟踪飞行．


— 发射导弹以及发射后的制导阶段。当目标进入导弹攻击区时，即可发射导弹。但导弹发射后，对于采用半主动雷达末制导的中远程导弹，还要求战斗-机的雷达继续照射目标(为导弹提供修正目标位置误差必要的信息)，直到该导弹进入主动导引段开始为止．


— 规避敌方导弹的攻击阶段。在此阶段中，战斗机完成急剧的机动飞行(例如加力转弯，俯冲等)以规避敌方导弹的攻击，最后战斗机退出超视距空战或进入近距空战。


近距空战是在驾驶员目视可见目标，且没有地面(或空中)指挥员的信息支持进行的。由于此时敌我双方距离近，故决定了战斗的短暂性，且战斗机要完成各种急剧的机动飞行。在此条件下，急剧的机动飞行可划分为:


— 搜索目标的机动飞行。例如目标在战斗机的上方时，采用战斗转弯机动飞行;反之，采用半滚倒转飞行等;


— 保证实现发射导弹条件的预备性机动。在使用可离轴发射的全方位攻击导弹时，战斗机可能进行机动飞行的准则是使飞机的纵轴迅速指向目标。因为，在近距空战中，第一次发射导弹的有效性如何是对空战结局起着决定性作用的同时，在双方导弹性能对等的条件下，战斗机提前瞄准目标的时间应不小于导弹飞到目标所用的时间;

红色尖兵 · 发表于 2006-7-24 08:58:52

发射导弹攻击敌方; 
 

— 规避机动和退出空战。


空战效能分析工作在歼击机研制的不同阶段其作用是不同的。概念研究和总体方案论证阶段对飞机的战术技术要求中的若干指标的确定会起到决策作用。打样阶段对飞机总体方案的调整以及各系统的选择，通过飞机作战效能评估和单项技术的对比，会起到指导作用。研制后期，通过不同初始态势的战效分析可寻求出该机型的有利作战范围，供部队使用起参考作用。但就工程设计部门而言在飞机概念研究和总体方案论证阶段广泛采用数字模拟方法，也是


与美俄等航空技术先进国家空战模拟研究的主导思路相一致的。模拟系统运用于使用导弹的战斗机空战，可实现:


1) 将飞机作为武器系统，综合评估战斗机的空战实践效能;


2) 研究飞机．火控系统和武器性能对空战效能的影响;


3) 比较战斗机的备选方案;


4) 研究新一代战斗机的技术特征如超音速巡航和机动、过失速机动及发射后不管中距空一空导弹对空战效能的影响。


1.4本文的基本结构和主要研究工作


本文内容分为四章，包括如下内容:


1) 对空战效能评估机理进行研究。给出了空战数学模拟体系和空战效能评估的原则，在对空战模拟用的飞机数据、火控数据和武器数据进行了分析说明基础上，提出了需模拟的特征参数。


2) 对适用于空战模拟的飞机、导弹的质心运动方程组和控制变量进行了说明和详细推导，给出了控制变量的选取方法。


3) 战术应用及控制算法研究。这是本文的核心和主要工作，根据有关文献、资料介绍和专家咨询，提出了设置空战模拟的初始态势和明确了空战模拟用战术动作的选取原则，对空战模拟用战术动作组合的依据和战术动作链进行了分析，建立了比较实用的控制战斗机各种运动的算法，最后给出以敌我双方的损失比来表示的空战结局评估方法。


4) 以某第三代战斗机为例进行空战模拟计算机仿真，对模拟仿真结果予以分析，验证了模拟机理、数学模型、战术使用原则和战术动作链选择的合理性。


第二章空战效能评估原理及原始数据分析


2.1空战数学模拟体系


为了实现空战的数学模拟，应建立反映战斗机(包括其火控系统、导弹)主要性能和空战作战环境与作战方式特征的模拟体系。此体系应包含以下基本方面:


— 飞机和导弹的动力学模型;


— 火控〔雷达、光电瞄准系统)系统的数学模型;


— 控制战斗机和导弹飞行的算法库;


— 模拟过程的屏幕显示方法;


— 模拟过程的人机对话方法;


— 原始数据库和模拟结果的存储;


— 模拟结果的处理，空战效能评估。


根据飞机作战特点，该模拟系统可由以下流程来实现:


— 为模拟战斗机和武器系统的主要性能，应做的原始数据准各;


— 形成具体空战模拟所需的原始数据。包括敌我双方机型、导弹的选择、


空战初始态势的组成;


— 在空战中战斗机战术链的组成;


— 空战模拟及其屏幕显示;


— 模拟结果的存储和处理。


2.2作战效能评估的原则


为了评估战斗机作为武器系统的作战效能，通常应考虑以下因素的影响:


— 飞机的性能;


— 武器的性能;


— 火控系统的性能;


— 其他，例如战术动作的选择等。


用于飞机设计的作战效能评估，可只考虑前面三项因素。通常在其他两个因素相同的条件下，比较另一个因素对作战效能的影响。战斗机的作战效能应当根据不同的初始态势，在进行大量的空战模拟后进行统计得出。这些初始态势由以卜方面组成:

红色尖兵 · 发表于 2006-7-24 08:59:14

飞行高度; 
 

两机相距的距离:


两机的相对方位。


根据空战模拟中敌我双方战斗机损失比统计数来评估飞机的作战效能。其基本思路是:如果导弹已击中目标，则根据导弹的杀伤概率进行结果的统计。然后，确定每一战斗机的生存概率，再根据这些数据确定损失比。同时算出空战四种可能结局:胜利、失败、平局、互伤的概率。


2.3探测瞄准系统


2.3.1雷达系统


1) 应具备的功能


空战模拟中，雷达系统应反映瞄准系统的下列基本性能:


搜索工作状态下，探测空中目标;


截获工作状态下，自动转换到连续自动跟踪状态;


计算导弹最大允许发射距离 ;


发射半主动雷达制导导弹时，照射目标，或将发射后不管导弹引导到主动未制导段。


超视距空战开始前，雷达处于搜索工作状态，根据搜索结果计算目标参数。然后根据目标相对雷达坐标系的位置、姿态、速度及目标的高度，速度，雷达


反射截面等参数判断目标是否被截获。若被截获，则转入雷达的连续自动跟踪状态，否则继续保持搜索状态。在自动跟踪状态下，计算发射导弹最大距离，对发射的导弹照射目标，使导弹进入主动未制导段或击中目标，如目标照射中断，导弹将自动消失，


雷达从自动跟踪转入搜索状态。上述工作过程的流程见图2-l o


图中的计算目标参数包括下列功能:


检查目标的飞行高度，目标与战斗机的飞行高度差，目标的最大和最小飞行速度限制;

红色尖兵 · 发表于 2006-7-24 08:59:33

在雷达系统坐标系下，计一算目标的位置、方位角和俯仰角: 根据雷达的瞬时扫描区，检查雷达发现目标的可能性;计算到目标的距离、战斗一机接近日标的速度，瞄准线转角的速度和目标的进入角:检查瞄准线旋转角速度最大值的限制;按照目标在空间的位置(自由空间或地景，前半球或后半球)和目标的反射截面，计算雷达发现目标的距离。
 
 <IMG src="http://www.cjdby.net/skins/default/filetype/jpg.gif" border=0>此主题相关图片如下： <a href="http://www.cjdby.net/UploadFile/2006-3/20063102165619817.jpg" target="_blank" ><IMG src="http://www.cjdby.net/UploadFile/2006-3/20063102165619817.jpg" border=0></A> 
2)需模拟的特征参数


模拟的雷达特征参数如下:


搜索空域的方位角范围;


搜索空域的俯仰角范围;


瞬时搜索空域的最大方位角;


瞬时搜索空域的最大俯仰角;


每一扫描周期的时间;


自动跟踪目标状态的一周时间;


自动跟踪状态的延迟时间

红色尖兵 · 发表于 2006-7-24 09:00:27

冥河 · 发表于 2006-10-1 14:05:27

长！！！！太长了！[em06]

mimi_Cat · 发表于 2006-10-1 14:24:00

前不久刚刚看到这样一片论文

Kimi1944 · 发表于 2006-10-5 02:13:55

长见识了，楼主真专业！[em09]

willy · 发表于 2006-12-5 22:34:02

楼主真是太爱你了，这么专业[em01]

空中飞鸟 · 发表于 2006-12-8 05:10:30

好长啊，有空好好读读你的专业文章

aceforever · 发表于 2007-7-24 01:08:44

推荐《战斗机作战效能评估》，貌似是航空工业出版社的，有许多量化的分析

dreamover · 发表于 2007-8-13 12:12:59

长知识啊

editonline · 发表于 2008-1-8 12:12:39

LZ 太有才了！
学习啊！

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