面向多任務場景的民用高速旋翼機方案綜合評估方法

李雨軒，肖洋洋，崔 驍，李 書，牟曉偉，呂樂豐

（1. 北京航空航天大學 航空科學與工程學院， 北京 100191；2. 中國航空研究院 民用飛機技術研究部， 北京 100029）

直升機的發展大致分為4 個代際：第一代直升機，其最大飛行速度在200 km/h 以下（如貝爾-47 等）；第二代直升機，其最大飛行速度為200 ～250 km/h（如貝爾-206等），少數能達到300 km/h；第三代直升機，其最大飛行速度為250 ～300 km/h（如UH-60 等）；第四代直升機，最大飛行速度為280 ～310 km/h（如RAH-66等），極少數能達到350 km/h。

通過以上數據可以看出，常規直升機的性能通過4個代際的發展得到了大幅提升。但是常規尾槳直升機因其固有局限，即在大速度平飛時，前行尾槳處接近聲速，致使旋翼升力降低、阻力和功率需求激增［1］，從而限制飛行速度進一步上升。

隨著新的構型設計理念被提出，以高飛行速度（≥400 km/h）、高氣動效率、高機動能力為特征的高速旋翼機方案越來越受到各國的研究者與研究機構的重視［2］。

高速旋翼機在軍用與民用領域均有較高的應用價值。軍用領域方面，高速旋翼機在執行戰術通用、武裝攻擊、偵察等任務領域具有獨特優勢，能很好適應我國未來軍事戰略需求；民用領域方面，由于高速旋翼機的巡航效率、經濟性、巡航高度、航程等參數指標相對較優，可以很好地完成包括緊急醫療救援、通用運輸及高級商務客運等民用任務，能有效地促進我國民航及通用航空領域的發展［3］。

目前，面向多任務場景的民用高速旋翼機方案綜合評估的相關研究不多，本文借鑒其他飛行器總體方案的評估經驗［4-5］，提出面向多任務場景的民用高速旋翼機方案綜合評估方法。在建立民用高速旋翼機方案指標體系時，由于方案評估要考慮型號的不同用途和不同技術指標要求，涉及到多學科、多系統。另外，指標體系的建立還要依靠評估專家的經驗，因此，建立的民用高速旋翼機指標體系具有很強的針對性。本文針對民用高速旋翼機初步總體設計方案，依據研究對象高速、傾轉及多用途等特點，建立專門用于民用高速旋翼機方案評估的技術指標體系、判斷矩陣、因素權重，并結合具體的算例進行計算，充分驗證了綜合評估體系的科學性及合理性。

1 經典任務場景

高速旋翼機用于通航、緊急救援及公務運輸等民用領域是一種新的探索，這就需要在民用高速旋翼機總體方案評估中更加關注安全性、環保性、經濟性、舒適性。本文面向科研勘探、緊急救援、公務運輸這3種典型任務場景建立了評估指標體系。

1.1 科研勘探任務場景

載有勘探設備及勘探人員的科考旋翼機從機場起飛后約60 min 到達作業區域，投下勘探設備及信標，作業過程要求耗時約15 min，測試勘探設備正常工作后返回機場。該任務場景具體指標如表1所示。

1.2 緊急救援任務場景

為快速轉運病人，高速旋翼機搭載患者、醫護人員及醫療設備緊急起飛至醫院，該任務場景具體指標如表2所示。

表2 緊急救援任務具體指標

1.3 公務運輸任務場景

高速旋翼機用于公務運輸，對飛行速度提出了很高的要求，核載15 人，能夠使用普通直升機停機坪進行起降。要求該旋翼機能滿足大城市2 h 30 min 內完成任意點對點公務運輸，該任務場景具體指標如表3所示。

表3 公務運輸任務具體指標

2 基于層次分析法的高速旋翼機指標體系

2.1 層次分析法

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是美國匹茲堡大學運籌學專家Saaty 于20 世紀70 年代提出的一種系統分析方法。1982 年天津大學的許樹柏等將該方法引入我國，隨后AHP 的研究得到迅速發展。此方法［6］是一種使用多準則的決策方法，該方法以定性與定量相結合的方式處理各種決策因素，具有系統、靈活、簡潔的特點，在系統效能評估［7-8］、建筑［9］、醫療［10］、電力產業［11-12］等領域得到了廣泛的應用。

層次分析法在執行時需遵循以下步驟：

首先，分析系統中各因素之間的關系，將研究的系統化分為不同層次，如目標層、準則層、指標層、方案層、措施層等。

其次，對同一層次中各因素相對于其上一層因素的重要性進行兩兩比較，構造判斷矩陣。

再次，對判斷矩陣進行一致性檢驗，并計算得到各個指標的權重。

最后，計算各層元素對系統目標的合成權重，并進行排序。

2.2 指標體系構建

根據典型任務剖面提出的任務、指標要求及初步方案設計的特點，本文參考國內外成熟飛行器評估指標體系、直升機設計、民用飛機經濟性等資料和成果，構建了包含目標層、準則層、指標層、子指標層的指標體系。

2.3 體系指標選取原則

為了確保本文構建的綜合評估方法能準確、客觀地評估各方案布局的效能，各層級指標的選取均需遵循以下原則：

（1）科學性和先進性原則。其應當能夠有效地反映出評估對象的所有特征。

（2）系統性原則。指標體系必須層次合理、協調統一，能夠比較全面地反映評估對象技術的基本狀態，在保證評價系統目的可實現的條件下，盡量簡化指標。

（3）定性分析與定量分析相結合原則。必須將部分反映評估對象基本特點的定性指標定量化、規范化，為進行定量評估奠定基礎。

（4）可行性原則。設計的指標應具有可采集性和可量化的特點，各項指標能夠有效地測度或統計。

2.4 指標體系

經過與專家的多輪商討與體系的修改迭代，本文提出最終技術指標體系如圖1所示。

圖1 民用高速旋翼機綜合評估技術指標體系

根據民用高速旋翼機的技術要求、體系指標的選取原則和現階段我國直升機的發展現狀等多方面建立起來的綜合評估技術指標體系包括以下幾個層次：一級指標為民用高速旋翼機技術指標；二級指標為飛行性能、安全性、環境適應性等9 個指標；三級指標為構成二級指標的分指標總共31 個小指標。由于篇幅有限，下文僅列舉與高速旋翼機特性相關的部分典型指標。

2.4.1 飛行性能

飛行性能是描述飛行器質心運動規律的諸多參數的集合，飛機飛行性能的優劣直接關系到所給出的設計方案能否按照預設的任務剖面圓滿完成任務，對飛行器總體設計起著至關重要的作用。綜合考慮任務剖面的指標要求、高速旋翼機技術特點及文獻［13］中給出的直升機基本性能參數，選取外載、內載、空重比、實用升限、地效懸停升限、懸停效率、航程、巡航速度和最大飛行速度共9個子指標進行評估。

2.4.2 內載與外載

由于在典型任務剖面中特別強調了此高速旋翼機需要搭載勘探設備、醫療支持設備、服務設施、人員等重要任務載荷，只有當旋翼機的裝載空間、結構強度滿足相關要求時，才認為旋翼機具有完成此類任務的基本能力，一般在初步設計階段選取內載與外載能力作為以上指標的綜合考量標準。

2.4.3 航程與遠航巡航速度

航程指飛行器的續航距離，直接關乎高速旋翼機能否按照預定航線完成既定任務的同時，并能擁有足夠的能力應對航路上存在的突發狀況。

遠航速度與航程直接相關，為飛行器的千米耗油率最低時的飛行速度。一般來說，在執行典型飛行任務時，飛行器會選擇在燃油經濟性相對更高的經濟巡航速度下進行飛行，以延長續航里程與發動機工作壽命。同時，考慮到民用高速旋翼機的遠航巡航速度顯著高于現有直升機方案，因此對高速旋翼機方案性能水平的評估具有極為重要的作用。

以上指標綜合體現了高速旋翼機燃油載荷、發動機經濟型、氣動外形效率等指標，在初步設計階段對民用高速旋翼機性能進行衡量具有重要作用。

2.4.4 最大平飛速度

根據學界觀點，高速旋翼機的最大平飛速度一般在400 km/h 以上，在這種情況下，槳葉產生的升力有所降低，由于的阻力激增，對發動機的功率輸出要求較高。在長時間、高功率的工況下，發動機可能會出現熱衰減、部件可靠性降低等情況。因此，考慮到發動機性能對高速旋翼機的重要性，選取最大平飛速度作為飛行性能的重要評估指標。

2.4.5 可靠性

可靠性指飛行器在規定的使用條件和時間內，完成規定功能的能力。旋翼機可靠性應包括各部件、子系統及最終總系統的可靠性指標。

但考慮到上述提到元素的可靠性大多需要通過實際時間進行測試，在初步設計階段無法給出具體數據，本文選擇將可靠性分為平臺可靠性及動力裝置可靠性指標。同時，由于動力裝置的可靠性已經有相對成熟的預測方法，故進一步選取子指標層，通過其故障率以及平均故障時間進行評估。

2.4.6 經濟性

由于本方案的對象飛行器具有較強的民用屬性，因此需要對飛行器經濟性方面進行著重考慮，以判定該飛行器的市場競爭力。參考文獻［14］中對民用飛行器經濟性的分析，本文將經濟性指標進一步細分為直接成本和間接成本。雖然直接成本和間接成本能夠細化為更為精確的二級指標，但是考慮到現有算法大多是直接給出直接成本和間接成本的數值，而不是相應的下一級指標的計算結果，為了防止權重矩陣的傳遞結果與通用成本算法結果出現差異，因此在此階段直接對直接成本和間接成本進行評估。

2.4.7 技術成熟度

技術成熟度指科技成果的技術水平、工藝流程配套資源、技術生命周期等方面所具有的產業化實用程度。根據美國航空運輸協會ATA100 規范，參考國內外技術成熟度的理論基礎［15-16］，本文將技術成熟度分為平臺技術成熟度和動力裝置成熟度兩個指標層，兩個指標層又繼續分別劃分為結構技術成熟度、系統技術成熟度、結構技術成熟度與傳動系統技術成熟度與發動機技術成熟度等子指標。

2.5 各層級判斷矩陣及對應權重

本文采用專家打分形式，邀請14位航空領域專家組成專家組，對各層次元素之間進行標度判斷，判斷標準如表4所示。

表4 隨機一致性指標

收到專家打分后，對專家給出的矩陣元素的每一項作平均化處理，并利用層次分析方法求出相對權重，并進行一致性檢驗。若檢驗不通過，則邀請專家再次討論，進行標度判斷。重復上述流程，直至一致性檢驗通過為止。

由于篇幅限制，本文給出如表5 所示的飛行性能。其中一個指標對應的判斷矩陣與對應因素權重來說明本文判斷矩陣與因素權重計算的合理性。

表5 飛行性能判斷矩陣及權重

表6 不同任務場景下的權重分析

高速旋翼機的3種任務場景共用一套指標體系，通過每層指標與指標之間的權重反映不同任務場景的特點。本文基于不同任務場景去對指標體系的權重進行分析，如表7所示。

通過表7 可知，執行科研勘探的高速旋翼機相較于另外兩個任務場景更關注高速旋翼機的安全性?？蒲锌碧酵ǔＪ歉哳l次作業，安全性會直接影響到高速旋翼機科研勘探作業的出勤率。應急救援任務相較于其他兩個任務場景，更注重高速旋翼機的飛行速度和環境適應性。應急救援高速旋翼機作業任務通常時間緊迫，任務場景通常為極端天氣、高原、海面等復雜環境，對環境適應性和飛行性能要求較高。公務運輸則較為關注直升機的安全性、可靠性、經濟性、舒適性。

通過指標之間權重的對比也可知：高速旋翼機不同任務場景下的指標權重大小有一些差異，反映出不同用途高速旋翼機設計指標重要性上的差異。

3 算例驗算

本節中對給出的5種民用高速旋翼機針對提到的3 種任務場景進行評估，其分別為四傾轉構型、雙傾轉構型1、雙傾轉構型2、共軸雙旋翼構型、復合式旋翼構型。由于篇幅限制，本文從科研勘探、緊急轉運及公務運輸3 個典型場景對各個方案進行分析，各方案在對應任務場景的總體效能如圖2～4所示。

圖2 科研勘探場景下各方案綜合評分

圖3 應急救援場景下各方案綜合評分

根據評估結果可以發現，給出的5 種民用高速旋翼機構型評分等級均位于中等以上的等級區間，較好地實現了既定設計目標。各個方案各方面性能評估結果如圖2～4 所示。其中，共軸雙旋翼構型與復合式旋翼構型的總體性能相對較差，在3種典型任務場景下，其性能始終被認定為中等等級。

而旋翼機構型方案則相對復雜，雖然兩種方案表現均處于或接近良，但是方案在各個典型任務場景下的表現差異較為明顯。其中雙傾轉構型1在應急轉運場景下的效能明顯優于雙傾轉構型2，而其在另外兩種任務場景下的效能則劣于后者。根據計算結果得出，該部分差距主要來源于應急救援的安全性，尤其是功能危險性評分顯著高于后者。

由綜合評分結果可知，四傾轉構型在3 種典型任務場景下的表現均為最優且相對于其他構型優勢明顯。因此，四傾轉構型方案是初步階段最值得發展的民用高速旋翼機方案。

4 結論

本文建立了面向多任務場景的民用高速旋翼機的綜合評估指標體系，并使用該體系對相應民用高速旋翼機方案進行評估，得到以下主要結論：

（1）本文所構建的綜合評估體系能夠用于面向多任務場景的民用高速旋翼機構型綜合評估，既可以給出每個任務場景中的方案總體評價，又可以給出每個方案的單項指標評價，為選型決策提供了有效的工具。

（2）本文所構建的綜合評估指標體系是在充分調研的基礎上形成的，并邀請我國在該領域的多位權威專家圍繞綜合評估指標體系進行了多輪深入討論，咨詢意見廣泛，為綜合評估指標體系構建奠定了堅實基礎。

（3）本文提出的綜合評估體系具有相當強的擴展能力，只需要將評價集按照其他種類旋翼機指定的特性進行相應的修訂，可用于該方面旋翼機設計方案的初步評估，同樣能給出較為準確與客觀的評估結果。