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西工大教授宋笔锋告诉你无人机如何在复杂对抗下存活

时间:2016-10-11 16:56:46   来源:UAS无人驱
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2016UAS作为我国无人机领域内规模最大,学术水平最高,参与人数最多的无人机盛会,虽然已经结束,但很多没能前往现场的无人机爱好者都希望获得这次展会的更多信息。今天为您奉上西北工业大学航空学院教授宋笔锋的发言。该发言为2016UAS大会现场速记资料,未经本人核对审核。

宋笔锋教授是西北工业大学航空学院教授,博士生导师,原航空学院院长,长江学者,973项目首席科学家,全国百篇优秀博士论文获得者,教育部长江学者创新团队带头人,享受国务院政府特殊津贴。主要研究方向包括飞机多学科设计优化与决策技术,微小型无人机设计与应用,飞艇设计,可靠性、维修性、保障性工程等。

宋笔锋教授的主要发言内容为:在复杂对抗条件下,无人机的生存力与技术发展。

第二次世界大战,每出动1000架飞机,损失10架飞机,作战28天,飞机就只剩一半多,到东南亚战争期间,每1000架次损失率是1架,甚至到沙漠风暴行动里,每出动1000架次损失0.5架,作战一个月,这是飞机生存的数目。

生存力在军机里面是非常重要、非常常规的概念,特别是在最先进的战机设计里已经上升到很高的层面,上升到非常主要的地位。大家接触过程中可能会有一个疑惑,跟常规讲的可靠性概念有什么区别?生存力和可靠性还是有区别的,生存力是讲飞机在人为敌对威胁环境下生存的能力,而可靠性是指飞机在自然环境下能够正常工作的能力。两个完全不同,一个是在自然环境下,一个是在敌对人为威胁环境下。

在一战、二战里,损失率相当惊人,在沙漠风暴行动里损失比较少,美国人强行在飞机设计里推行生存力的设计。

上世纪6070年代到现在为止生存力已经作为军用飞机非常重要的设计指标,作为军用无人机,逐渐认识到这个问题。实际上从这个发展可以看出,技术发展是美国首先起来的,特别是有两个事件:

11987年美国通过实弹法,要求所有的武器系统在生产前均要进行全尺寸的实弹实验,非常昂贵。

2、从1991年开始,军机设计里,生存力作为高度优先的设计指标,这个指标在这些指标里基本跟性能要求是等价齐驱的,我们熟悉的一些先进飞机都是这样要求的。

生存力包括哪些内容?从范围来讲有三大块:

1、在作战过程中,威胁、发现、跟踪、发射武器,从武器接近你的飞机再引爆战斗部、杀伤飞机的过程,把这个过程叫飞机的敏感性。

2、易损性。战斗爆炸以后,产生的碎片和冲击波对飞机会造成杀伤。

3、飞机或者无人机受伤以后,回到基地,对飞机要进行维修,让无人机重新起飞,再次出动,这样带来的一些问题叫战伤抢修。

简单来讲就是命中敏感性、目标的易损性和战伤抢修性。

命中敏感性。

首先威胁,要搜索飞机,有了飞机以后要探测飞机在什么地方,探测到飞机以后要发射武器,在此基础上,武器要飞出,朝着拦截飞机的位置飞去,最后阶段是武器要命中飞机,是由这五个连续步骤组成的。P是概率的意思,五个阶段都有一个概率,真的要抓住飞机的话,这五个概率相乘就是抓住飞机的概率。当然每个过程都比较复杂。

评估过程中主要包含跟隐身有关的飞机特征信号计算模型,包括雷达、红外、射频,还包括有没有电子干扰,电子干扰过程中引起的探测、交会、隐性和战斗部的配合所引发的击中概率。传统飞机有雷达信号、探测的依据、红外信号、射频信号,实际上飞机现在基本上关注的是三大信号,隐身里的雷达、红外和射频。

隐性和战斗部配合,战斗部能够杀伤飞机的有效区域里爆炸,要找到这样一个有效区域里爆炸以后才能命中飞机。

电子战情况下,探测概率和脱靶距离如何计算。

抓住飞机以后目的是击毁飞机,对飞机或无人机本身来讲,要不容易击毁,易损性主要讲战斗部容易击毁飞机的特性。

一般易损性里考虑两种威胁,一种是枪炮,弹丸形式的。

枪炮威胁下:26个打击方向上的杀伤概率、易损面积、暴露面积。

在导弹威胁下:典型引爆点的杀伤概率。

这里要找到易损性的关键部件,建立易损性的毁伤数。这些关键部件是有逻辑关系的,这个部件杀伤和飞机杀伤或无人机系统杀伤是什么关系,要描述出来。

要找到关键部件杀伤,怎么判定是杀伤,怎么判定没有杀伤?这需要判定的,都有相关毁伤准则,而且每种部件毁伤准则不同,特点不一定。

威力场模型。枪炮对应的平行弹道的威力场,过去飞机飞的比较低,特别是越战时,因此经常用高射炮、机关枪能打掉飞机的场面。现在飞机飞得很高,特别是军用和民用飞机。很多军用无人机飞行高度并不高,因此地面的枪炮依然是民用无人机的威胁,主要是导弹的冲击波和破片威力场。

弹目交会及弹丸在飞机内部的运动状态计算,通过穿透的逻辑关系获得相关的数据,获得数据以后,可以通过一个逻辑关系得到我们想要的描写飞机易损性的杀伤概率或易损面积。这里有很多方法,我们做了很好的研究。

生存力分析与权衡设计方法。

无人机高生存力设计是干什么?实际上就是降低击中的敏感性,对方的威胁击中我的敏感性要降低,通俗一点就是隐身。但从宽度和纵深来讲比隐身范围要深和大。抓住飞机以后,希望这个飞机战斗部不能够杀伤我的飞机,这叫易损性。这两个里面都有很多设计措施,怎么样降低击中的敏感性,怎么样降低飞机的易损性,有很多措施。这些措施是要付出代价的,要么牺牲飞机的性能,要么增加成本,要么增加制造难度等等,有这样一些代价。因此在具体设计过程中,要不要采取这样一种措施,需要跟飞机的作战效能、飞机的性能和飞机的全寿命周期费用进行权衡设计。有的付出的代价太大,反而影响到飞机的性能,可能大家就不愿意采用,有的付出代价比较少,成本代价比较少,就乐意采用。这是我们看到一些敏感性减缩错误,就是怎么样降低飞机被武器抓住的措施,有很多种,包括威胁告警、噪音干扰和欺骗、信号检索。信号检索在生存力的概念里就等同于隐身设计,包括雷达/红外/射频信号的隐身,采用飞行战术战略规避威胁,让它少抓住,这也是可以采取的措施。

RQ-4(全球鹰)的敏感性减缩措施,采取三个方面减缩措施,效果比较好。

易损性减缩措施。飞机被抓住以后,怎么样不被击毁?这里也有很多设计措施。比如关键部件布置两个,发动机布置两个,飞控计算机搞四个,包括部件的设置、遮挡等等,损伤以后如何抑制,有主动抑制,有被动的抑制。主动抑制包括可以加灭火器,被动抑制是有自封油箱,还有部件相互遮挡,甚至有些易损部件可以从飞机上移除掉,把人从有人机上移除下来,从生存率角度来讲就是移除了一个关键易损部件,因为人被打掉以后,有人机基本不行了,把人除掉以后,无人机生存力就提高了。

权衡设计,降低飞机被抓住的可能性,降低了飞机被抓住技术击毁的可能性,应该在设计过程中要跟性能、作用、维护、制造权衡设计,又变成一个更大层面的问题。生存力要跟哪些方面权衡?跟可靠性、维修性、费用、安全性、飞机性能、飞机作战有效性权衡。

生存力分析的软硬件工具分析。

美国生存力分析软件工具,包括探测、易损、路径生成、飞机和空中导弹、防空火炮交会各式各样任务分析的工具,美国人从1971年一直做下来,发挥了大量很好的作用。

美国飞机生存力实验室设施(硬件平台),这个看起来非常庞大,令人吃惊。生存力研究实验室有11个,靶场与试验基地有21个。

西工大开发的生存力分析的软硬件工具介绍。我们生存力技术已经应用到大家比较关注和熟悉的最好的战斗机、最好的运输机,包括各式各样的无人机、战斗部,我们做了几十部飞机和战斗部各种各样的分析,发挥了比较好的作用,包括敏感性评估雷达、红外、机载射频,对抗环节可以有干扰,可以加诱饵带,扔一个箔条,怎么样降低敏感性,易损性评估,效能评估系统,以及硬件平台。

飞机在对抗环境下敏感性评估及航路规划系统。在飞机过程中找到一条路径,沿着这条路径进去的话,飞机就不容易被发现,这是要去研究的。

飞机敏感性降低措施数据库,共收集到90余条数据。

飞机里面有很多生存力致命性部件,有些部件坏了就坏了,不影响,有些部件坏了不行,一坏了,飞机就失去了,我们要辨识出来,有一套方法。

我们做了一个飞机全机易损性计算和分析软件(卡片版),大家非常期待我们国家一些重点型号就用我们这个软件在设计过程中随时评价生存力是怎么样一个程度。

常规战斗部设计、威力分析及毁伤效能分析系统。研究战斗部效能时必须知道目标内部结构,是易损还是不易损,必须知道这个模型,我们就帮他们做这个模型,我们国家很多战斗部的模型也是用我们生存力的模型来做的。

未来战争为“网络中心战”,是体系与体系间的对抗。无人机生存力以后要更加注重多链路数据链组网抗干扰问题,比如隐身还是主要的,因为新的隐身材料正在发展,新的探测装备也在发展。在电子对抗方面、任务规划方面,包括要配备一些自备武器方面,从这三个方面来讲,我们预计会是今后有人机和无人机生存力发展的一个重点的研究方向。

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