面向多任务场景的民用高速旋翼机方案综合评估方法

A comprehensive evaluation method for civil high-speed rotorcraft schemes in multi-mission scenarios

摘要

高速旋翼机兼有垂直起降和高速巡航的优点，在民用领域具有巨大的发展空间，但目前民用高速旋翼机的发展依然处于起步阶段。为解决民用高速旋翼机方案选择复杂度的问题，为民用高速旋翼机方案确定提供决策依据，提出一种面向多任务场景的民用高速旋翼机方案综合评估方法。首先，面向多个民用任务场景，在充分调研和征求专家意见的基础上建立民用高速旋翼机方案综合评估指标体系；其次，基于层次分析法建立综合评估模型，构建配套判断矩阵，确定因素权重，利用3款成熟机型对综合评估方法进行科学性检验，在专家综合观点与评估结果之间建立良好的一致性；最后，给出5种布局在3个典型任务场景下方案构型的综合评估结果。该综合评估方法构建科学、评估准确，为国内民用高速旋翼机方案的筛选决策提供有效指导。

Abstract

High-speed rotorcraft has the advantages of VTOL and high-speed cruise and has development potential in civil aviation. However， the development of civil high-speed rotorcraft is still in the initial stage. In order to simplify the selection complexity and provide a decision basis， a comprehensive evaluation method for high-speed rotorcraft in multi-mission scenarios was proposed. Firstly， a comprehensive evaluation index system was established based on investigations and expert opinions for multiple civilian mission scenarios. Secondly， based on the Analytic Hierarchy Process （AHP）， a comprehensive evaluation model and a matching judgment matrix were established， and determined the factor weights. This method was scientifically tested by using three mature aircrafts， and a good consistency between the comprehensive views of experts and the evaluation results was established. Finally， the comprehensive evaluation results of five configurations in three typical mission scenarios were presented. In general， this comprehensive evaluation method is scientifically constructed and accurately evaluated， which provides effective guidance for the selection and decision of domestic civil high-speed rotorcvaft.

关键词

民用航空 / 高速旋翼机 / 综合评估 / 层次分析法 / 多任务场景

Key words

civil aviation / high-speed rotorcraft / comprehensive evaluation / AHP / multi-mission scenarions

直升机的发展大致分为4个代际：第一代直升机，其最大飞行速度在200 km/h以下（如贝尔-47等）；第二代直升机，其最大飞行速度为200 ~250 km/h（如贝尔-206等），少数能达到300 km/h；第三代直升机，其最大飞行速度为250 ~300 km/h（如UH-60等）；第四代直升机，最大飞行速度为280 ~310 km/h（如RAH-66等），极少数能达到350 km/h。

通过以上数据可以看出，常规直升机的性能通过4个代际的发展得到了大幅提升。但是常规尾桨直升机因其固有局限，即在大速度平飞时，前行尾桨处接近声速，致使旋翼升力降低、阻力和功率需求激增^［1］，从而限制飞行速度进一步上升。

随着新的构型设计理念被提出，以高飞行速度（≥400 km/h）、高气动效率、高机动能力为特征的高速旋翼机方案越来越受到各国的研究者与研究机构的重视^［2］。

高速旋翼机在军用与民用领域均有较高的应用价值。军用领域方面，高速旋翼机在执行战术通用、武装攻击、侦察等任务领域具有独特优势，能很好适应我国未来军事战略需求；民用领域方面，由于高速旋翼机的巡航效率、经济性、巡航高度、航程等参数指标相对较优，可以很好地完成包括紧急医疗救援、通用运输及高级商务客运等民用任务，能有效地促进我国民航及通用航空领域的发展^［3］。

目前，面向多任务场景的民用高速旋翼机方案综合评估的相关研究不多，本文借鉴其他飞行器总体方案的评估经验^［4-5］，提出面向多任务场景的民用高速旋翼机方案综合评估方法。在建立民用高速旋翼机方案指标体系时，由于方案评估要考虑型号的不同用途和不同技术指标要求，涉及到多学科、多系统。另外，指标体系的建立还要依靠评估专家的经验，因此，建立的民用高速旋翼机指标体系具有很强的针对性。本文针对民用高速旋翼机初步总体设计方案，依据研究对象高速、倾转及多用途等特点，建立专门用于民用高速旋翼机方案评估的技术指标体系、判断矩阵、因素权重，并结合具体的算例进行计算，充分验证了综合评估体系的科学性及合理性。

1 经典任务场景

高速旋翼机用于通航、紧急救援及公务运输等民用领域是一种新的探索，这就需要在民用高速旋翼机总体方案评估中更加关注安全性、环保性、经济性、舒适性。本文面向科研勘探、紧急救援、公务运输这3种典型任务场景建立了评估指标体系。

1.1 科研勘探任务场景

载有勘探设备及勘探人员的科考旋翼机从机场起飞后约60 min到达作业区域，投下勘探设备及信标，作业过程要求耗时约15 min，测试勘探设备正常工作后返回机场。该任务场景具体指标如表1所示。

1.2 紧急救援任务场景

为快速转运病人，高速旋翼机搭载患者、医护人员及医疗设备紧急起飞至医院，该任务场景具体指标如表2所示。

1.3 公务运输任务场景

高速旋翼机用于公务运输，对飞行速度提出了很高的要求，核载15人，能够使用普通直升机停机坪进行起降。要求该旋翼机能满足大城市2 h 30 min内完成任意点对点公务运输，该任务场景具体指标如表3所示。

2 基于层次分析法的高速旋翼机指标体系

2.1 层次分析法

层次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是美国匹兹堡大学运筹学专家Saaty于20世纪70年代提出的一种系统分析方法。1982年天津大学的许树柏等将该方法引入我国，随后AHP的研究得到迅速发展。此方法^［6］是一种使用多准则的决策方法，该方法以定性与定量相结合的方式处理各种决策因素，具有系统、灵活、简洁的特点，在系统效能评估^［7-8］、建筑^［9］、医疗^［10］、电力产业^［11-12］等领域得到了广泛的应用。

层次分析法在执行时需遵循以下步骤：

首先，分析系统中各因素之间的关系，将研究的系统化分为不同层次，如目标层、准则层、指标层、方案层、措施层等。

其次，对同一层次中各因素相对于其上一层因素的重要性进行两两比较，构造判断矩阵。

再次，对判断矩阵进行一致性检验，并计算得到各个指标的权重。

最后，计算各层元素对系统目标的合成权重，并进行排序。

2.2 指标体系构建

根据典型任务剖面提出的任务、指标要求及初步方案设计的特点，本文参考国内外成熟飞行器评估指标体系、直升机设计、民用飞机经济性等资料和成果，构建了包含目标层、准则层、指标层、子指标层的指标体系。

2.3 体系指标选取原则

为了确保本文构建的综合评估方法能准确、客观地评估各方案布局的效能，各层级指标的选取均需遵循以下原则：

（1）科学性和先进性原则。其应当能够有效地反映出评估对象的所有特征。

（2）系统性原则。指标体系必须层次合理、协调统一，能够比较全面地反映评估对象技术的基本状态，在保证评价系统目的可实现的条件下，尽量简化指标。

（3）定性分析与定量分析相结合原则。必须将部分反映评估对象基本特点的定性指标定量化、规范化，为进行定量评估奠定基础。

（4）可行性原则。设计的指标应具有可采集性和可量化的特点，各项指标能够有效地测度或统计。

2.4 指标体系

经过与专家的多轮商讨与体系的修改迭代，本文提出最终技术指标体系如图1所示。

根据民用高速旋翼机的技术要求、体系指标的选取原则和现阶段我国直升机的发展现状等多方面建立起来的综合评估技术指标体系包括以下几个层次：一级指标为民用高速旋翼机技术指标；二级指标为飞行性能、安全性、环境适应性等9个指标；三级指标为构成二级指标的分指标总共31个小指标。由于篇幅有限，下文仅列举与高速旋翼机特性相关的部分典型指标。

2.4.1 飞行性能

飞行性能是描述飞行器质心运动规律的诸多参数的集合，飞机飞行性能的优劣直接关系到所给出的设计方案能否按照预设的任务剖面圆满完成任务，对飞行器总体设计起着至关重要的作用。综合考虑任务剖面的指标要求、高速旋翼机技术特点及文献［13］中给出的直升机基本性能参数，选取外载、内载、空重比、实用升限、地效悬停升限、悬停效率、航程、巡航速度和最大飞行速度共9个子指标进行评估。

2.4.2 内载与外载

由于在典型任务剖面中特别强调了此高速旋翼机需要搭载勘探设备、医疗支持设备、服务设施、人员等重要任务载荷，只有当旋翼机的装载空间、结构强度满足相关要求时，才认为旋翼机具有完成此类任务的基本能力，一般在初步设计阶段选取内载与外载能力作为以上指标的综合考量标准。

2.4.3 航程与远航巡航速度

航程指飞行器的续航距离，直接关乎高速旋翼机能否按照预定航线完成既定任务的同时，并能拥有足够的能力应对航路上存在的突发状况。

远航速度与航程直接相关，为飞行器的千米耗油率最低时的飞行速度。一般来说，在执行典型飞行任务时，飞行器会选择在燃油经济性相对更高的经济巡航速度下进行飞行，以延长续航里程与发动机工作寿命。同时，考虑到民用高速旋翼机的远航巡航速度显著高于现有直升机方案，因此对高速旋翼机方案性能水平的评估具有极为重要的作用。

以上指标综合体现了高速旋翼机燃油载荷、发动机经济型、气动外形效率等指标，在初步设计阶段对民用高速旋翼机性能进行衡量具有重要作用。

2.4.4 最大平飞速度

根据学界观点，高速旋翼机的最大平飞速度一般在400 km/h以上，在这种情况下，桨叶产生的升力有所降低，由于的阻力激增，对发动机的功率输出要求较高。在长时间、高功率的工况下，发动机可能会出现热衰减、部件可靠性降低等情况。因此，考虑到发动机性能对高速旋翼机的重要性，选取最大平飞速度作为飞行性能的重要评估指标。

2.4.5 可靠性

可靠性指飞行器在规定的使用条件和时间内，完成规定功能的能力。旋翼机可靠性应包括各部件、子系统及最终总系统的可靠性指标。

但考虑到上述提到元素的可靠性大多需要通过实际时间进行测试，在初步设计阶段无法给出具体数据，本文选择将可靠性分为平台可靠性及动力装置可靠性指标。同时，由于动力装置的可靠性已经有相对成熟的预测方法，故进一步选取子指标层，通过其故障率以及平均故障时间进行评估。

2.4.6 经济性

由于本方案的对象飞行器具有较强的民用属性，因此需要对飞行器经济性方面进行着重考虑，以判定该飞行器的市场竞争力。参考文献［14］中对民用飞行器经济性的分析，本文将经济性指标进一步细分为直接成本和间接成本。虽然直接成本和间接成本能够细化为更为精确的二级指标，但是考虑到现有算法大多是直接给出直接成本和间接成本的数值，而不是相应的下一级指标的计算结果，为了防止权重矩阵的传递结果与通用成本算法结果出现差异，因此在此阶段直接对直接成本和间接成本进行评估。

2.4.7 技术成熟度

技术成熟度指科技成果的技术水平、工艺流程配套资源、技术生命周期等方面所具有的产业化实用程度。根据美国航空运输协会ATA100规范，参考国内外技术成熟度的理论基础^{［15- 16］}，本文将技术成熟度分为平台技术成熟度和动力装置成熟度两个指标层，两个指标层又继续分别划分为结构技术成熟度、系统技术成熟度、结构技术成熟度与传动系统技术成熟度与发动机技术成熟度等子指标。

2.5 各层级判断矩阵及对应权重

本文采用专家打分形式，邀请14位航空领域专家组成专家组，对各层次元素之间进行标度判断，判断标准如表4所示。

收到专家打分后，对专家给出的矩阵元素的每一项作平均化处理，并利用层次分析方法求出相对权重，并进行一致性检验。若检验不通过，则邀请专家再次讨论，进行标度判断。重复上述流程，直至一致性检验通过为止。

由于篇幅限制，本文给出如表5所示的飞行性能。其中一个指标对应的判断矩阵与对应因素权重来说明本文判断矩阵与因素权重计算的合理性。

高速旋翼机的3种任务场景共用一套指标体系，通过每层指标与指标之间的权重反映不同任务场景的特点。本文基于不同任务场景去对指标体系的权重进行分析，如表7所示。

通过表7可知，执行科研勘探的高速旋翼机相较于另外两个任务场景更关注高速旋翼机的安全性。科研勘探通常是高频次作业，安全性会直接影响到高速旋翼机科研勘探作业的出勤率。应急救援任务相较于其他两个任务场景，更注重高速旋翼机的飞行速度和环境适应性。应急救援高速旋翼机作业任务通常时间紧迫，任务场景通常为极端天气、高原、海面等复杂环境，对环境适应性和飞行性能要求较高。公务运输则较为关注直升机的安全性、可靠性、经济性、舒适性。

通过指标之间权重的对比也可知：高速旋翼机不同任务场景下的指标权重大小有一些差异，反映出不同用途高速旋翼机设计指标重要性上的差异。

3 算例验算

本节中对给出的5种民用高速旋翼机针对提到的3种任务场景进行评估，其分别为四倾转构型、双倾转构型1、双倾转构型2、共轴双旋翼构型、复合式旋翼构型。由于篇幅限制，本文从科研勘探、紧急转运及公务运输3个典型场景对各个方案进行分析，各方案在对应任务场景的总体效能如图2～4所示。

根据评估结果可以发现，给出的5种民用高速旋翼机构型评分等级均位于中等以上的等级区间，较好地实现了既定设计目标。各个方案各方面性能评估结果如图2～4所示。其中，共轴双旋翼构型与复合式旋翼构型的总体性能相对较差，在3种典型任务场景下，其性能始终被认定为中等等级。

而旋翼机构型方案则相对复杂，虽然两种方案表现均处于或接近良，但是方案在各个典型任务场景下的表现差异较为明显。其中双倾转构型1在应急转运场景下的效能明显优于双倾转构型2，而其在另外两种任务场景下的效能则劣于后者。根据计算结果得出，该部分差距主要来源于应急救援的安全性，尤其是功能危险性评分显著高于后者。

由综合评分结果可知，四倾转构型在3种典型任务场景下的表现均为最优且相对于其他构型优势明显。因此，四倾转构型方案是初步阶段最值得发展的民用高速旋翼机方案。

4 结论

本文建立了面向多任务场景的民用高速旋翼机的综合评估指标体系，并使用该体系对相应民用高速旋翼机方案进行评估，得到以下主要结论：

（1）本文所构建的综合评估体系能够用于面向多任务场景的民用高速旋翼机构型综合评估，既可以给出每个任务场景中的方案总体评价，又可以给出每个方案的单项指标评价，为选型决策提供了有效的工具。

（2）本文所构建的综合评估指标体系是在充分调研的基础上形成的，并邀请我国在该领域的多位权威专家围绕综合评估指标体系进行了多轮深入讨论，咨询意见广泛，为综合评估指标体系构建奠定了坚实基础。

（3）本文提出的综合评估体系具有相当强的扩展能力，只需要将评价集按照其他种类旋翼机指定的特性进行相应的修订，可用于该方面旋翼机设计方案的初步评估，同样能给出较为准确与客观的评估结果。

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基金资助

工信部民机科研项目(MJZ5-2N21)