十一连载：预警机总体构型设计（五）
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今日荐文的作者为中国电子科学研究院专家陈竹梅，陕西飞机工业公司欧阳绍修。本篇连载自论文《预警机总体构型设计综述》，发表于《中国电子科学研究院学报》第11卷第4期。下面和小编一起开始学习吧~
3.预警机总体构型设计的一般方法
3.1常用的预警机总体构型设计流程
国内已经成功研制出多型预警机、侦察机、干扰机等空基特种机装备，在进行总体构型设计时，一般均采用了传统的经验分析法或者经验分析法与功能分析法相结合的综合分析法，对任务系统功能性能以及载机气动与飞行性能进行综合设计的过程。
常用的这种传统总体构型设计主要活动主要流程是：基于国外国内相似数据调研和分析的基础上→基于装备需要达到的技术指标能力→采用经验分析或综合分析方法→协调方式提出一个基本构型方案→缩比风动试验→根据方案分别展开任务系统装备和载机改装特性的部分验证→试制设备→改装飞机→改装后试验和试飞验证→进入设计定型的研制。
图 17 常用的总体构型设计流程
如图所示，由于总体构型设计横跨了电子、航空两个大的技术领域，在设计过程中必须存在两个行业多个专业设计师进行全方位多次协调、组织审核以及系统评价等活动，一般设计协调和过程有：
a) 电子工程师与飞机工程师进行联合设计，按照预警机整体作战功能性能要求初步设计任务载荷，根据相关要求进行协调设计，初步选定基本构型设想；
b) 进一步，双方建立“任务-飞机”模型，采用理论分析方法对相关技术指标进行系统设计，计算分析载机对任务系统天线性能的影响等，初步确定预警机各传感器天线技术和安装要求；
c) 电子工程师与飞机工程系统对接，综合考虑各方面因素，初步确定天线和载机的相对位置，进行布局初步构型设计；
d) 基于电子工程师提出的设计要求，飞机工程师进一步对新的“飞机构型”进行总体设计，包括进行气动、重量、强度等多重特性，确定基本构型的气动可行性；
e) 进一步地，电子工程师与飞机工程师需要联合进行多次迭代设计，优化任务系统包括任务天线、电子设备布局、接口、重量、平台改装、任务支持系统适应性等多个设计参数；
f) 优化过程需要进行反复迭代、多次匹配及设计协调，对多个必须满足的战术技术指标（包括任务系统电性能指标、任务载荷特性、飞机安全性和飞行品质等）进行取优；
g) 必要时，可以进行仿真、虚拟试验、半实物试验或关键件摸底试验进行验证后，基本确定上述设计参数。
进行综合分析上述各技术要求后，最终确定的构型形式，作为预警机顶层设计、方案设计和研制依据。
3.2基于模糊评价法的总体构型设计优化
在预警机总体构型设计过程中，综合考虑预警机系统内各分系统功能、多学科匹配效应，要求对多个必须满足的战术技术指标，包括任务系统电性能指标、任务载荷特性、飞机安全性和飞行品质等，并进行综合、取优与权衡。其核心思想是采用“基于功能的设计思维”，主要包括：功能分类、功能分析、功能综合和功能评价四项内容。要求设计结果应满足每一个设计目标的功能性能指标，同时满足不同设计对象之间的数据交换、信息传递以及知识的相互反馈与协调，以最终满足预警机作战功能性能的总体指标为目的。
在国内现役或在研预警机的总体构型方案设计及决策中，最常用的是采用经验分析法、综合分析法或者二者相结合，视具体型号研制情况确定，在专业跨度和交联较大的情况下，更多的是采用“基于经验的专家评审”方式进行综合判定，确定最优方案。在综合评价进行设计结果取优时，通常也采用综合分析法在一定程度上实现定性与定量判定相结合，一般采用基于模糊评价法的设计优化及决策。
首先，在研究设立研究对象以及建立各对象之间的关系与约束方面，需要建立合理的设计模型，综合分析得出最佳解。基于综合分析方法的设计核心是建立分析模型，通过技术分析找出能够代表技术水平的指标体系及其重要程度，根据运行情况对各技术项进行权重评分，将各技术项加权分进行汇总，找出最优。
一般来说，在预警机总体构型设计中，可建立如图模型变量的设计框架，整个设计过程就是一个作用不同模型基础上的综合、分析与评估的递归过程，并采用合理的技术方法满足系统功能的整体实现。
图 18 总体构型设计的技术模型
“结构模型”主要以定义实体物理特性，包括：飞机整体外形、结构布局参数；任务天线的布局位置、安装结构要求、天线扫描范围和电磁场控制对方向和机身结构等空间要求。总体构型设计的“结构模型”需要准确表达以上各种维数、形状的几何信息。
“功能模型”主要以总体构型研究对象的“载机”和“任务系统”各种功能，包括：系统级的功能和功能注释、推理机理；航空/电子两大领域相关学科原理；描述其组成部件或相关要素相互作用的参数等。具体的描述例如：“任务系统载荷与飞机起降性能关系”、“天线布局对飞机气动特性关系”、“机身对天线性能影响关系”、抑或是“机身振动对天线和电子敏感设备的影响”、“载机改装的任务支持系统对任务系统正常工作机可靠性影响”等。总体构型设计的“功能模型”需要对包括以上各种相关要素之间相互作用、相互之间关联关系等拓扑信息进行计算、分析和综合分析。
“行为模型”主要是对应于所得出的行为结果，进行图形结构的模型注释及推理机理、领域原理。这是一个依据设计过程所产生的结果，包括：任务系统功能配置、天线布局、任务载荷限制情况、装机可行性；飞机整体气动特性、飞行性能或平台改装可行性等各类设计结果。依据这个设计结果，可以作为预警机构型设计的基本结果数据，相关结果数据也将作为预警机整体功能性能指标设计依据。
常用的预警机总体构型设计活动中，准确定义上述“功能模型”、“结构模型”、“行为模型”后，按照上述设计技术模型，采用多种技术手段、仿真手段或试验验证，对上述“结构模型”、“功能模型”和“行为模型”进行反复迭代设计、仿真、分析、综合及评价。在这些设计过程中，一般也采用了采用经验分析法、综合分析法或者二者相结合，对“任务系统”整体（含各子功能系统）的功能性能与“载机”整体（含载机各子系统）功能性能（包括气动特性、飞行性能、改装特性等）进行了一定的综合设计，一定程度上建立了基于多个设计目标的优化决策过程。
在常用预警机总体构型设计中，虽然横跨了“航空”与“电子”两个大的技术领域，但依然建立了一套行之有效的通用设计方法。只不过，在基于多个有限设计目标的综合设计与优化过程中，“综合设计”与“综合评价”还处在“基于模糊理论”阶段，这种基于模糊理论的总体构型设计过程主要包括了对既有知识、经验知识、一定范围定量分析、以及与之相关要素的定性分析等，进行综合评判分析的过程。
在优化对象选择时，可以建立如下所示的分析和评价过程模型，对各类设计进行权重假设和定义分析评判规则，设定总体构型设计的功能模型、相关要素并进行分析与设计综合，以期得到预警机总体构型设计相关要素的优化目标。
图 19 常用的总体构型设计优化对象选择
首先，在选择优化对象时，可采用如下的思路：给出技术评价项与权重，例如可以假设“安全性、可靠性、先进性、技术成熟度、可行性、工艺性、经济性、周期”等八个技术评价项，并给出权重，通常按“100%”进行权重分配；然后建立功能模型对应的组成部分“A、B、C、D……”等，在进行设置时，这个组成既可以是需要设计组成部分，也可以是指标体系关键指标组成部分，例如可以是罩体结构尺寸，也可以是飞机安全性指标、起飞重量或任务系统探测距离等作战指标，并对一系列功能组成进行评估。
当然，每一个功能组成的下一级也可以如法炮制，层层向上推算得到需要优化的设计目标。最后，对各项技术指标进行权重分配，评估每一个部分的技术评价项的评分，当然可以依据计算、分析数据进行评判，也可以根据行业专家进行评分，通常按“10分制”，最后运算得出各项指标加权总分值，根据所得结果进行优化对象的选取。例如下表，当假设系统级设立A、B、C三个关键功能组成项之后，经过评分后得知A是需要优化的对象。
表1 技术评价项权重（%）
表2 技术评分（10分法）
表3 技术评价项加权
其次，组织电子、航空两个行业领域的各专业领域设计师，对上述所选的相关功能指标体系进行相关领域的论证、设计、分析、仿真、风洞试验和验证试验之后，需要对设计方案进行系统级的综合分析、系统评判与优化决策。
在进行各类设计方案的比较、评价和取优的过程中，一般可以设定三类评价目标：“技术目标”、“经济目标”和“社会目标”。预警机作为信息化装备，在进行研制方案优化、评价和决策时，考虑装备作战功能性能所服务的战略和战术目标，主要以“技术目标”为评价目标；一般特种机由于其作战功能和性能要求不高，一般应当以“技术目标”和“经济目标”进行综合评价；而在国际市场上，在开展预警机军贸研制方案论证决策时，除“技术目标”以外，建议“经济目标”和“社会目标”是应当列入评价考虑因素。
3.3基于单目标函数的总体构型设计优化
在预警机总体构型设计中，由于装备作战功能性能和巡航要求，任务系统和载机的总体指标都十分重要，而构型设计直接影响到任务系统总体指标的实现，以及载机安全性和飞行性能的实现，所以，研究构型设计最重要的是要找到跨行业、多专业设计的设计目标，如果能够在多方设计师共同追求的设计目标上进行进一步研究，势必可以提高方案的合理性以及尽可能的优化。
从上述的常用设计流程和综合设计方法来看，国内预警机或特种机的总体构型设计一般均采用了传统的经验分析法或者经验分析法与功能分析法相结合的综合分析法，常常是在基于经验分析和综合分析，提出“几种方案的可选”，然后在“已知的几个方案”中，对任务系统功能性能以及载机气动与飞行性能进行了一定程度的协调、综合与优化决策。
为了更好地找到最优的设计方案，最首要的是应当尽可能找到一个可以表现预警机这样一个复杂系统的众多指标体系所能够服务的目标函数，如果这个目标函数可以表征复杂系统的顶层设计指标，而不再是进行跨行业、多专业、多学科的协调设计方式，那么，预警机总体构型设计过程就建立起了一个可以称为真正意义的“寻优”设计过程。
鉴于如2.4所述，这项技术研究尚处在初步阶段，目前依然存在行业与行业之间技术差异、高度交叉多学科优化理论尚不健全等现实问题，要准确找到一个最合理的目标函数，还需要进一步的学术研究。
在已知的预警机所涵盖的任务系统和载机指标体系中，我们基于经验分析和综合分析，在一定的定量基础上，借鉴“约束法”的基本思想，根据问题的实际情况，确定一个目标为主要目标，而把其余目标作为次要目标，并根据决策者的经验给次要目标选取一定的界限值，这样就可以把次要目标作为约束来处理，将原有多目标规划转化为一个在新的约束下，求主要目标的单目标最优化问题。因此，可以视具体型号指标体系的情况，设定但目标函数，并进行构型设计的优化的。例如，在一种典型的“背负式旋罩”构型设计中，针对“背负式旋罩”这一设计对象，分析其复杂的指标体系，我们可以尝试建立以下三个方面的系统级指标体系表征参数。
表5 构型顶层指标表征参数分析
根据上述分析给定的系统指标体系，如果按照表3所列的三个方案，进行目标函数研究和分析。由于加装“背负式旋罩”对飞机造成了直接气动特性影响是阻力增加、航向静稳定度下降；而预警机任务系统在这一总体构型所体现的重点是雷达探测性能指标。因此，兼顾上述考虑因素，整个优化过程考虑气动特性和雷达探测性能两个方面。
表6 目标函数系统设计参数样例
表7 目标函数值样例
（未完待续）
本文发表于《中国电子科学研究院学报》第11卷第4期，版权归学报所有，阅读全文请联系我们。
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