十一连载：预警机总体构型设计（七）

基于多目标优化的总体构型设计方法，最重要的还是如何将众多技术指标和要求进行比较、优化、取舍和决策，建立多目标优化的目标函数的研究，这个指标体系的确定、分解、综合和取优的过程。我们知道，系统工程不是工程系统本身，而是工程系统的建造过程。因此，上述这个设计过程就是一个“系统工程”，必须要采用“基于模型的系统工程方法”（MBSE）。

按照预警机作战需求进行分析，层层解析各层技术指标，将预警机总体构型设计作为一个研究对象，对复杂系统的多个设计目标进行全面的求解、优化、综合和决策。这实际上是一个面向对象的系统工程方法，支持面向对象模式，集成面向对象软件工程的优势，采用“自顶而下”设计思想，开展系统指标分解。

图 24 MBSE的设计思想

在建模过程中，通过SysML语言实现，来实现对与系统的说明、分析、设计、验证。该方法优势在于使得硬件开发、面向对象软件开发、测试三者之间更易于集成并行。主要包含六个步骤的方法流程：分析利益方需要、明确系统需求、明确逻辑架构、综合集成可选分配架构、优化与评估可选方案、确认与验证系统。以此类推，则可将预警机总体构型设计指标的确定、指标分解和设计优化的流程解析，组织内特化的应用框架如下。

图 25 基于MBSE组织内特化的应用框架

MBSE发展的最终目的，是为了形成系统工程业界通用的、统一的、贯穿各学科各剖面各周期的开发流程与标准，并且有着强大的支持各学科领域专业工具相互通信联动的开发平台的支撑。采用基于模型的MBSE设计方法，在保证模型数据唯一性条件下，可以使得各个学科之间共享同平台下的几何设计数据。

例如使用Catia工具共享零维、一维、二维和三维几何数据（可以简称多维几何数据），将各个学科和物理场数据在唯一几何基础上实现共享、多维度几何+多学科多物理场的耦合共享，形成了基于模型的MBSE协同设计仿真，共享设计过程中的模型数据、以及模型数据的按需转换。

对于给定的全新设计需求MBSE首先给出顶层的需求分解（Requirement Decomposition），形成基础功能模块（Function Modules），在基础功能模块基础上进一步梳理任务剖面和仿真任务需求，形成各个功能模块之间的逻辑关联关系（Logics Relating Procedures），这一过程的基本意义在于可以将多维度的几何物理综合模型和仿真结果之间形成耦合交联关系。例如结构模型与任务系统电性能之间的关系；或者三维的气动学科与任务系统结构模型之间的关联关系等，应注意提取参数前后呼应顶层需求分解指标要求。

在梳理完成基本逻辑后，对各个学科和物理场进行初步的分学科仿真（Physics Based Multi-Disciplinary Simulations）。最终根据学科之间的耦合关系，形成基于多维度几何的多学科多物理场协同设计模型。

在协同仿真阶段，通过各领域模型在各自工具环境中的仿真以及结果后处理，进行运动学、动力学、空气动力学、结构动力学、电磁学在系统实时作用下的协同仿真分析，在虚拟平台中建立多学科仿真模型，与其它相关学科的模型一起进行整个系统的联合仿真，最终验证其功能、性能和行为是否满足设计要求。

图 26 基于模型的协同仿真设计参考模型

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5.任务系统与载机一体化构型设计技术研究展望

总体来说，现役预警机基本上都是跟踪了电子技术的不断发展，并且在已有飞机平台上实现改装设计构成新的系统，这种“基于载机有效载荷进行任务系统适装性设计”的方法短期内实现了装备研制，但存在很难实现系统战技指标最优的问题，尤其随着装备发展需要，空基信息化装备要求越来越多的功能、越来越高的性能，同时载机平台又面临更严苛的资源和能耗问题。因此，为了进一步解决多个设计目标和多种现实技术之间的矛盾，则需要更多研究电子技术发展、任务系统功能性能、载机平台性能等多方面要求实现总体构型设计的综合与优化，从而得到装备指标体系的更加完善、性能更优、消耗更少，提高装备整体效能。

基于上述关于“基于多目标优化的总体构型设计”的设计思想，以及面临电子新材料、电子新技术、高度集成、高度综合、微系统、信息与网络、分布式、共形阵等技术的高度发展，研究一体化构型设计技术，重点解决总体构型设计的综合与优化，以实现装备系统作战性能最优，应该是未来空基信息化装备的一个研究方向。

把任务系统与飞机平台进行统一考虑和一体化设计，不仅可以摆脱传统的改装基本飞机的设计限制，可以更好更优地服务于预警机整体战技指标，同时采用创新设计理论和技术，将飞机平台与任务系统均作为预警机相关部分进行一体化综合设计。一体化构型设计通常有两种途径，一种途径是选定已有载机，将任务系统天线与载机的外形进行“共形”或者“准共形”设计，例如“费尔康”就是采用了这种“准共形”设计方案；另一种途径是使飞机外形与任务系统天线相适应，也就是任务系统天线与载机外部结构一体化，这种一体化设计更彻底，不仅可以保证载机整体性能特别是气动性能不受任务载荷的影响，而且也可以保证任务系统升级的可持续性，但成本较高。

采用“共形阵”、“结构功能一体化”、“多传感器共用天线”等多种技术措施，可以极大地提升任务系统与载机的兼容性、构型一体化程度。“共形阵”以最优气动特性满足任务天线的功能性能要求，降低了载机机身对天线性能的影响，但“共形阵”对阵元辐射单元的幅度、相位控制要比平面阵更复杂，因此分布式综合射频技术的研究也需同步开展，目前国内已开展了“分布式天线”、“分布式相参射频”、“机载分布式相干MIMO雷达的杂波谱分析”等相关技术研究。但在突破机载分布式相参射频设计、微弱信号能量长时间积累、高自由度条件下杂波抑制和动目标检测、机载分布式天线阵与能量空域处理等关键技术以及工程应用等方面，依然尚不成熟。

面向工程应用，如何将任务系统“共形阵”与载机结构进行一体化设计和验证，依然是今后较长一段时间内需要解决的工程技术难题。例如通过机载分布式相干MIMO雷达的杂波谱分析就发现，在理想情况下机载分布式相干MIMO雷达具有斜对角空时二维特性，且在全方向均匀分布。杂波起伏、载机偏航均使杂波谱展宽，且载机偏航还会使杂波谱发生弯曲，载机速度增大会引起杂波多普勒模糊等。采用“一体化构型”设计，因机身和蒙皮在飞行中因变形产生位移量（可达几倍于微波波长），而导致任务系统“共形阵”难以应对动态变形下的感知、补偿，或者狭长机身使任务天线在机头机尾方向很难能获得较大天线增益而影响探测性能等，都是必须要解决的工程技术问题。

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6.结语

本文借鉴了已有的特种机气动构型概念，从预警机装备的系统层面出发，给出了总体构型的四类构型划分，分析各种总体构型的设计思想、技术特点和应用场景，可供工程研制指导，设计者应视具体情况选用，但应注意到总体构型及任务载荷适应性设计所需要考虑的相关性、均衡性，包括综合考虑总体构型布局、载机气动特性及补偿、任务载荷适装性、任务系统与航电交联、任务支持系统、全机电磁兼容性以及重量控制等各项设计技术。

如第3章所述，从实现装备系统级整体指标的设计目标出发，总结得到的预警机总体构型设计的一般设计流程。当前在工程研制过程中，主要的综合设计活动是电子、航空两个跨行业多专业设计师所进行的大量过程协调和大范围设计协商，这样的设计效率是比较低的，而且很难有科学定量的判定方法，所以尝试提出了预警机总体构型设计的一般方法，所提出的“基于模糊评价法的设计优化”、“一种单目标函数的设计优化”等设计方法，可以为预警机总体构型设计提供一定的设计指导和参考，但不是绝对最优。

随着空基信息化装备快速发展，当前基于一般经验知识，采用的经验分析法、或经验分析法与综合分析法相结合的方法，就越来越不适应信息化装备整体性能最优的设计需求。因此，基于现实问题研究需要，以及在设计仿真工具、协同设计工具和解算工具等计算机技术的快速发展，诸多计算工具链和优化框架也已经基本工程化和商用化，因此，提出应充分借鉴和吸纳MBSE设计方法，寻求一种采用基于模型的MBSE方法来进行预警机总体构型设计技术研究，实现多学科协同、优化和决策，以期尽可能找到系统的最优。

基于上述考虑，鉴于预警机总体构型设计所涉及到电子、航空多学科高度交叉的现实，考虑系统的指标体系的复杂性，以及跨行业多学科优化、多场耦合等具体设计理论和方法还尚存不完善。因此，提出开展“基于多目标优化的总体构型设计技术”研究。从技术措施看，这个建议的基础是MFC、MDO技术的逐步成熟，采用MFC、MDO技术，进一步研究总体构型设计所面临的载机气动特性、任务系统功能性能（电性能及电磁性能）、任务结构与重量特性、载机改装以及任务支持系统等多个设计技术要求的综合与优化，对多个设计目标进行基于模型的协同、优化和均衡，以期得到一个更加优化的设计结果，得到更加合理的系统性评价。

总之，必须要把解决上述设计要求所产生的一系列矛盾，作为预警机总体构型设计的首要任务。应当加强研究如何提取“预警机总体构型”这个复杂系统的指标体系、指标优化要求与综合决策，使其设计结果尽可能满足装备系统的顶层指标体系，同时提升装备的整体综合效能。应加快开展“基于多目标优化的总体构型设计技术”研究，实现电子、航空两个跨行业、多专业、多学科之间从“基于技术和阶段结果数据的过程协调”向“基于模型的数据协调”的转变，为预警机总体构型设计提供更加合理的、科学的、定量的方法，提供顶层设计决策依据，不仅可以提高系统效费比，而且一定程度上可以有效降低研制风险。