基于环境特征的临近空间飞行器作战效能评估分析

张子菡，王晓红

（北京航空航天大学 可靠性与系统工程学院，北京 100191）

为了能在未来战争中满足战斗需求，应对未知挑战，积极开发并有效利用空间资源成为当下各国关注的热点。临近空间作为航空空域与航天空域的过渡区域，在情报搜集、侦察监视、通信保障以及作战方面具有重要的军事价值[1]。临近空间飞行器不仅可以威胁天基平台，而且可以攻击空基平台，甚至地面目标。因此，研究临近空间飞行器的作战效能极具战略意义[2]。计算机、微电子技术的日益完善促使科学技术快速发展，使得临近空间飞行器越来越复杂、精密，这就给其可靠性管理、评估工作提出了新的课题。

文中在基于前人研究的基础上，针对临近空间的环境特点，对临近空间飞行器作战效能试验中的可靠性问题进行了分析。

1 临近空间

1.1 环境特点

临近空间环境中，大气在水平方向上比较均匀，但在垂直方向上呈现明显的层状分布。按照大气的热力学特性、成分特点、电磁特性的相关特征分成若干层次，如图1所示。

1.1.1 热力学特性

按照大气热力学性质和大气垂直减温率变化，可把大气分为对流层、平流层和热层[3]，见表1。在整个空域范围内，大气温度沿经向在中低纬地区均匀分布，而在中高纬存在“低温”和“高温”经度带。沿纬向朝20 km处逐渐增大，在50 km和80 km处春夏季变化与秋冬季相反。大气密度沿经向在低纬地区均匀分布，而中纬地区震荡变化，沿纬向单调减小[4]。

1.1.2 成分特点

按照大气成分垂直分布的特点，大气可分为均质层、非均质层[3]，见表2。

1.1.3 电磁特性

按照电磁特性，可把大气分为中性层和电离层[3]，见表3。电离层又可分为D，E，F三层，如图2所示。

表1 临近空间热力学特性分层

表2 临近空间成分特点分层

表3 临近空间电磁特性分层

1.2 环境对飞行器的影响

临近空间环境复杂多变，十分严酷，而且空间范围跨度大，对飞行器的影响具有复杂性、多变性。文中主要从共性角度讨论临近空间环境特点对飞行器的影响[3]。

当飞行器长时间处于热环境中，如果没有采取良好的散热措施，飞行器的结构材料会发生热疲劳变形，最后因断裂而损坏。元器件的性能也会发生退化，其寿命会缩短。在临近空间的在轨飞行中，飞行器不可避免地会与空间中的辐射粒子发生相互作用，其辐射效应会降低飞行器材料的强度，进而引起材料的热性能、电性能以及光性能退化等一系列的失效问题。

当飞行器在电离层飞行时，会与等离子相互作用，发生充放电效应。当电位充高到一定程度时，甚至会击穿电子设备。而放电引起的电磁辐射也会严重干扰各类精密设备的正常工作，使整个飞行系统性能发生异常[5]。此外，在真实的空间环境中，飞行器受到的环境作用是一种综合效应，具有强耦合关系。在分析飞行器的实际作战效能时，需要综合考虑。表4列出了主要环境因素及其对飞行器性能的影响。

表4 临近空间环境因素对飞行器的影响

2 临近空间飞行器的作战效能

2.1 评估模型

武器系统的效能是指在特定条件下武器系统被用来执行规定任务所能达到预期可能目标的程度。因此，作战效能是任何武器系统的最终效能和根本质量特征[6]。

文中使用美国工业界武器效能咨询委员会建立的WSELAC（Weapon System Effectiveness Industry Advisory Committee）效能模型对临近空间飞行器的效能进行评估。WSELAC模型是通过系统的可用性、可信性和固有能力三个关键属性来评定系统的总体效能，数学解析式为：

式中：A为可用性矩阵，表示系统开始执行任务时的状态及可正常启动的能力；D为可信性矩阵，表示系统在执行任务过程中可正确工作的可靠度；C为固有能力矩阵，表示系统在特定条件下完成规定任务的能力，代表武器系统的标准性能[7]。

考虑到临近空间飞行器所处环境的特殊性，对传统的WSELAC模型进行了修正，引入环境影响因素，得到新的评估模型：

式中：G表示在特定环境条件下，临近空间飞行器的执行任务能力矩阵。

2.2 作战效能评估指标体系

临近空间环境的特殊性使得临近空间飞行器成为现代战争中的重要作战力量。它不仅可以提供精确的信息指导，快速突防打击敏感目标，而且可以为作战行为提供战场支援和便利的保障平台[8]。图3展示了临近空间飞行器的作战效能评估指标体系。

2.2.1 可用性

影响临近空间飞行器可用性的因素主要有使用寿命、无故障工作时间和修复时间等。初始状态下，可对系统进行“二态性”简化——可用状态和故障状态。若用平均故障间隔时间（MTBF）表示系统处于可用状态，平均修复时间（MTTR）表示系统处于故障状态，系统的可用性可以表示为：

式中：a1为系统的可用度，即系统初始处于可用状态；a2为系统的不可用度，即系统初始处于不可用状态；λ为系统的故障率，；μ为系统的修复率，

2.2.2 可信性

临近空间飞行器在执行任务过程中涉及多个任务子系统，假设各子系统相互独立，若可靠性为Ri，则系统可靠性为；若维修性为 Mi，则系统的维修性为。因此，临近空间飞行器在执行任务过程中的可信性矩阵为：

式中：d11表示系统在初始状态下处于可用状态，且整个任务过程中均功能正常；d12表示系统在初始状态下处于可用状态，但在任务过程中发生故障；d21表示系统在初始状态下处于故障状态，但在执行任务过程中恢复到可用状态；d22表示系统在初始状态下处于故障状态，而整个任务过程中也仍处在故障状

态[10]。

其中，d11、d12与系统可靠性有关，d21、d22与系统可靠性及维修性有关。具体关系应针对临近空间飞行器执行的具体任务进行设定。

2.2.3 执行任务能力

临近空间飞行器在执行任务过程中只有正常与故障两种状态，而当装备系统处于正常状态时，其执行任务的能力不能仅用固有能力衡量，应该结合特定的作战环境，评估其实际使用能力。在正常状态下，临近空间飞行器的固有能力主要由侦察通信、兵力投送、装备保障来衡量，即：

式中：g11、g12、g13分别表示临近空间飞行器执行侦察通信、兵力投送、装备保障任务的能力；g2表示系统处于故障状态下的能力，则g2=0[10]。

2.3 环境因素对作战效能的影响

结合1.2节中环境可能对飞行器造成的影响，可以得到执行任务能力g和固有能力c之间的关系：

式中：s是环境影响系数，表示环境对临近空间飞行器固有能力的影响程度。

2.3.1 独立影响

假设各种环境因素之间的作用是相互独立的，可以得到：

2.3.2 综合影响

在实际的环境中，各种环境因素的影响是一种综合作用的结果，不同因素间会存在耦合关系。因此，可以通过权重分析来综合考虑各种环境因素的影响：

借助上式就可以对环境的综合影响进行具体分析。例如，当温度和臭氧环境对某一任务的完成具有相互作用关系时，可以通过调整权重来修正模型，在很大程度上提高了模型的实用性。

3 案例分析

临近空间拥有其他空域难以比拟的安全且广阔的工作环境。因此，以持续10 h的作战模拟为背景，结合建立的作战效能评估模型，针对某一型号临近空间飞行器给出具体的作战效能分析过程。

将该飞行器系统分成控制系统、操作系统、执行系统、应急系统四个主要的分系统，各分系统的固有能力分别为 0.8，0.7，0.9，0.5。结合内场试验及理论计算，系统的平均故障间隔时间为90 h，平均修复时间为5 h。在作战模拟中，各环境因素对分系统的影响权重可以参照表5。

考虑飞行器系统及作战过程的复杂性，假设：每个分系统的可靠度服从指数分布；飞行器在作战过程中出现故障后不给予维修；各种环境因素均会对各分系统产生影响，并将其影响因素均简化为 0.5，即

将上述数据带入评估模型中，可以计算得到该型号临近空间飞行器的作战效能为0.0626。

表5 临近空间环境因素对飞行器的影响权重

4 结语

建立了临近空间飞行器的作战效能评估模型，重点考虑了临近空间的环境特点及其对飞行器性能的主要影响。从作战实践角度出发，基于WSELAC模型的改进方法更加贴合作战实际，模型中涉及的参数具有很强的实用性，对飞行器作战效能具有极大的影响，可为临近空间飞行器的研发设计及作战部署提供参考。此外，如果能在模型评估中考虑人的影响因素，则会进一步强化模型的实用性。