航母飞行甲板作业能力分析与优化研究

发布时间：2020-08-15 22:50

【摘要】：航母作为现役的大型水面作战舰船之一,以舰载航空兵部队作为主要的进攻手段,具有海空一体、机动性好、生命力强、攻防兼备等特点,因此与舰载机航空作业最为相关的航母飞行甲板的性能对航母作战能力有着很大的影响。本文将围绕飞行甲板作业能力来展开的相应研究工作,从布置设计、舰面作业、战斗衰减3个角度出发,分别对其中的关键技术问题进行深入的分析并对部分性能或参数进行优化。由于飞行甲板上划分有起飞区、降落区、停机区,但总的尺度有限,所有布置元素的设计都可能存在冲突,需要进行取舍。因此从飞行甲板总体设计的全局角度出发,对其布置设计的主要问题及影响因素进行全面分析,并给出相应的主次关系和完整的影响因素树状图,从而为飞行甲板布置设计相关的优化和评估提供依据。以飞行甲板右舷区域布置元素的纵向位置作为设计对象提炼出相应的无因次优化变量,综合考虑了布置位置设计的各项约束,结合部分典型国外航母的相应设计参数来建立优化目标函数,从而形成飞行甲板右舷区域布置设计多目标优化模型。利用改进的多目标引力搜索算法对其进行求解,分别考虑2种主尺度的上层建筑的情况,可分别得到一系列符合主流设计规律的飞行甲板右舷区域布置设计方案,从而为航母飞行甲板的总布置设计提供参考。为了研究一站式保障相对于传统的集中式保障在出动回收能力方面的提升程度,采用闭环排队网络对基于这两种航空保障方式的出动回收过程进行仿真建模,并对计算结果进行对比分析,从而得到一站式保障在出动回收能力各项指标上具体的提升数值,为航空保障方式的选取以及一站式保障站位数量的配置提供技术支撑。无人舰载机参与飞行甲板作业,需要依据特定的参数化策略或规则对其进行指挥调度,因此采用乘数权重法(MWAL)来构建航空保障作业调度策略生成方法。其中,分别对存在专家演示和脱离专家生成调度学习策略的性能进行研究,得到性能优于人工专家操作的学习策略。此外,还将采用模拟退火算法得到的调度策略与采用MWAL算法得到的学习策略进行对比,来验证在飞行甲板航空保障作业调度策略优化问题上学徒学习类方法相对于传统类优化算法的优势。采用网络理论建立了飞行甲板作业网络模型,对指挥信息的传递和舰载机的流动分别进行考虑,根据舰载机出动回收作业的循环过程的特点,以网络中特定回路数量为参数来制定网络的功能完整性评价指标,在仿真计算中通过随机破坏网络中的顶点来得到功能完整性以及损毁概率随破坏顶点增加的衰减变化数据,从而分析网络对顶点破坏数量的敏感程度。通过对代表不同类型作业的顶点破坏情况分别进行研究,可知指挥类顶点和降落与着舰类顶点对维持飞行甲板作业网络功能完整性起到了重要作用。通过残存架次率的变化数据来表征飞行甲板的战斗衰减特性。基于编队作战环境,敌我双方兵力进行攻防作战,当敌反舰导弹成功突防后,以一定的概率击中飞行甲板的特定区域并对该区域内的航空保障资源进行毁伤,采用保障度来表示后者的完好程度,将其输入基于排队网络的舰载机架次率计算模型,可得到飞行甲板受损后的舰载机出动回收能力相关数据。通过计算敌方来袭导弹数量增加时出动回收能力的变化情况,从而获得飞行甲板战斗衰减特性的变化曲线,并且利用这种方法对一些改进措施的效果进行定量分析。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U674.771
【图文】：

航母,舰载机,实战,反舰

哈尔滨工程大学博士学位论文外，在和平时期也经常组织航母编队进行实战化高强度演习，以维持其高水准的作力。目前美国海军最新入列的“福特”级航母首次引入了一站式保障，将所有航空作业都集成到同一个作业站位来进行，使飞行甲板航空保障作业效率以及舰载机出收能力达到了新的高度；与此同时，“福特”级还将首次搭载无人舰载机，这需要进舰面保障调度技术相适配。对于我国海军而言，在航母作战使用尤其是飞行甲板作业调度与指挥方面正处于探索阶段，如何充分借鉴和利用外军的经验以快速提升甲板作业能力是形成有效作战能力的关键。

飞行甲板,参数选取

在飞行甲板方面进行了一定的改进，比如斜角甲板前端与舰体接合处作了小幅的以满足舰载机着舰后的回转空间，同时在左舷向舰尾方向延伸以增加停机区面积。此外，国内在公开渠道中还有较为丰富的有关飞行甲板布置设计方面的理论研究。2009 年，哈尔滨工程大学的黄胜教授等人对飞行甲板的外展程度进行了优化研]，以飞行甲板长与设计水线长、飞行甲板宽与设计水线宽 2 个比值为优化变量，以部分航母的设计极值为约束条件，在考虑了建造工艺以及结构强度问题的前提下以甲板面积最大、外展程度最小为设计目标分别建立相应的目标函数。然后，采用遗法（GA）求解该优化模型，得到了符合设计规律的飞行甲板外展程度参考值。2013 年，中国舰船设计研究中心的王健等人[17]建立了一种飞行甲板参数化设计，以 16 个用于描述飞行甲板轮廓形状与主尺度的参数作为设计变量，如图 1.2 所示各功能区域面积和着舰作业安全性相关的特征参数作为设计目标和约束条件，建立应的多目标优化设计模型，采用多目标遗传算法（NSGA-II）求解，得到了一系列配解集[18]，为飞行甲板主尺度设计提供了一种有效的技术手段。

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第 1 章绪论“巨浪”演习，其中有详细公开资料可查的是 1997 年 7 月“尼米兹”号参与的那场[36][37]。根据美国海军分析中心公开的研究报告，该演习中的舰载机高强度出动回收作业总共持续了 4 天，平均每天 24h 作业时间的出动架次率达到了 243 架次。然而，在额外增加了飞行员和航空保障作业人员的情况下仍有相当数量的人员处于疲劳危险中，表明人员因素尤其是航空保障力量的不足是限制出动回收能力提高的重要原因。

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