预警机总体构型设计综述(二)

陈竹梅,欧阳绍修

(1.中国电子科学研究院，北京　100041;2.陕西飞机工业公司，汉中　723105)



综述

预警机总体构型设计综述(二)

陈竹梅1,欧阳绍修2

(1.中国电子科学研究院，北京100041;2.陕西飞机工业公司，汉中723105)

本文对预警机总体构型及其任务载荷适应性设计技术进行了综述，对预警机总体构型发展历程和分类进行了说明，重点阐述了预警机总体构型及任务载荷适应性设计技术和关键要素。总结了当前预警机总体构型设计的一般流程和方法，提出了基于多目标优化的总体构型设计思路和技术路线，以及基于模型的系统工程方法(MBSE)。对载机与任务系统一体化构型设计研究进行了展望。本文可供预警机需求分析研究及同类装备总体设计工作借鉴。

总体构型；任务系统；任务载荷适应性；系统工程；多目标优化

3　预警机总体构型设计的一般方法

3.1常用的预警机总体构型设计流程

国内已经成功研制出多型预警机、侦察机、干扰机等空基特种机装备，在进行总体构型设计时，一般均采用了传统的经验分析法或者经验分析法与功能分析法相结合的综合分析法，对任务系统功能性能以及载机气动与飞行性能进行综合设计的过程。

常用的这种传统总体构型设计主要活动主要流程是：基于国外国内相似数据调研和分析的基础上→基于装备需要达到的技术指标能力→采用经验分析或综合分析方法→协调方式提出一个基本构型方案→缩比风动试验→根据方案分别展开任务系统装备和载机改装特性的部分验证→试制设备→改装飞机→改装后试验和试飞验证→进入设计定型的研制。

图17　常用的总体构型设计流程

如图所示，由于总体构型设计横跨了电子、航空两个大的技术领域，在设计过程中必须存在两个行业多个专业设计师进行全方位多次协调、组织审核以及系统评价等活动，一般设计协调和过程有：

a)电子工程师与飞机工程师进行联合设计，按照预警机整体作战功能性能要求初步设计任务载荷，根据相关要求进行协调设计，初步选定基本构型设想；

b)进一步，双方建立“任务-飞机”模型，采用理论分析方法对相关技术指标进行系统设计，计算分析载机对任务系统天线性能的影响等，初步确定预警机各传感器天线技术和安装要求；

c)电子工程师与飞机工程系统对接，综合考虑各方面因素，初步确定天线和载机的相对位置，进行布局初步构型设计；

d)基于电子工程师提出的设计要求，飞机工程师进一步对新的“飞机构型”进行总体设计，包括进行气动、重量、强度等多重特性，确定基本构型的气动可行性；

e)进一步地，电子工程师与飞机工程师需要联合进行多次迭代设计，优化任务系统包括任务天线、电子设备布局、接口、重量、平台改装、任务支持系统适应性等多个设计参数；

f)优化过程需要进行反复迭代、多次匹配及设计协调，对多个必须满足的战术技术指标(包括任务系统电性能指标、任务载荷特性、飞机安全性和飞行品质等)进行取优；

g)必要时，可以进行仿真、虚拟试验、半实物试验或关键件摸底试验进行验证后，基本确定上述设计参数。

进行综合分析上述各技术要求后，最终确定的构型形式，作为预警机顶层设计、方案设计和研制依据。

3.2基于模糊评价法的总体构型设计优化

在预警机总体构型设计过程中，综合考虑预警机系统内各分系统功能、多学科匹配效应，要求对多个必须满足的战术技术指标，包括任务系统电性能指标、任务载荷特性、飞机安全性和飞行品质等，并进行综合、取优与权衡。其核心思想是采用“基于功能的设计思维”，主要包括：功能分类、功能分析、功能综合和功能评价四项内容。要求设计结果应满足每一个设计目标的功能性能指标，同时满足不同设计对象之间的数据交换、信息传递以及知识的相互反馈与协调，以最终满足预警机作战功能性能的总体指标为目的。

在国内现役或在研预警机的总体构型方案设计及决策中，最常用的是采用经验分析法、综合分析法或者二者相结合，视具体型号研制情况确定，在专业跨度和交联较大的情况下，更多的是采用“基于经验的专家评审”方式进行综合判定，确定最优方案。在综合评价进行设计结果取优时，通常也采用综合分析法在一定程度上实现定性与定量判定相结合，一般采用基于模糊评价法的设计优化及决策。

首先，在研究设立研究对象以及建立各对象之间的关系与约束方面，需要建立合理的设计模型，综合分析得出最佳解。基于综合分析方法的设计核心是建立分析模型，通过技术分析找出能够代表技术水平的指标体系及其重要程度，根据运行情况对各技术项进行权重评分，将各技术项加权分进行汇总，找出最优。

一般来说，在预警机总体构型设计中，可建立如图模型变量的设计框架，整个设计过程就是一个作用不同模型基础上的综合、分析与评估的递归过程，并采用合理的技术方法满足系统功能的整体实现。

图18　总体构型设计的技术模型

“结构模型”主要以定义实体物理特性，包括：飞机整体外形、结构布局参数；任务天线的布局位置、安装结构要求、天线扫描范围和电磁场控制对方向和机身结构等空间要求。总体构型设计的“结构模型”需要准确表达以上各种维数、形状的几何信息。

“功能模型”主要以总体构型研究对象的“载机”和“任务系统”各种功能，包括：系统级的功能和功能注释、推理机理；航空/电子两大领域相关学科原理；描述其组成部件或相关要素相互作用的参数等。具体的描述例如：“任务系统载荷与飞机起降性能关系”、“天线布局对飞机气动特性关系”、“机身对天线性能影响关系”、抑或是“机身振动对天线和电子敏感设备的影响”、“载机改装的任务支持系统对任务系统正常工作机可靠性影响”等。总体构型设计的“功能模型”需要对包括以上各种相关要素之间相互作用、相互之间关联关系等拓扑信息进行计算、分析和综合分析。

“行为模型”主要是对应于所得出的行为结果，进行图形结构的模型注释及推理机理、领域原理。这是一个依据设计过程所产生的结果，包括：任务系统功能配置、天线布局、任务载荷限制情况、装机可行性；飞机整体气动特性、飞行性能或平台改装可行性等各类设计结果。依据这个设计结果，可以作为预警机构型设计的基本结果数据，相关结果数据也将作为预警机整体功能性能指标设计依据。

常用的预警机总体构型设计活动中，准确定义上述“功能模型”、“结构模型”、“行为模型”后，按照上述设计技术模型，采用多种技术手段、仿真手段或试验验证，对上述“结构模型”、“功能模型”和“行为模型”进行反复迭代设计、仿真、分析、综合及评价。在这些设计过程中，一般也采用了采用经验分析法、综合分析法或者二者相结合，对“任务系统”整体(含各子功能系统)的功能性能与“载机”整体(含载机各子系统)功能性能(包括气动特性、飞行性能、改装特性等)进行了一定的综合设计，一定程度上建立了基于多个设计目标的优化决策过程。

在常用预警机总体构型设计中，虽然横跨了“航空”与“电子”两个大的技术领域，但依然建立了一套行之有效的通用设计方法。只不过，在基于多个有限设计目标的综合设计与优化过程中，“综合设计”与“综合评价”还处在“基于模糊理论”阶段，这种基于模糊理论的总体构型设计过程主要包括了对既有知识、经验知识、一定范围定量分析、以及与之相关要素的定性分析等，进行综合评判分析的过程。

在优化对象选择时，可以建立如下所示的分析和评价过程模型，对各类设计进行权重假设和定义分析评判规则，设定总体构型设计的功能模型、相关要素并进行分析与设计综合，以期得到预警机总体构型设计相关要素的优化目标。

图19　常用的总体构型设计优化对象选择

首先，在选择优化对象时，可采用如下的思路：给出技术评价项与权重，例如可以假设“安全性、可靠性、先进性、技术成熟度、可行性、工艺性、经济性、周期”等八个技术评价项，并给出权重，通常按“100%”进行权重分配；然后建立功能模型对应的组成部分“A、B、C、D……”等，在进行设置时，这个组成既可以是需要设计组成部分，也可以是指标体系关键指标组成部分，例如可以是罩体结构尺寸，也可以是飞机安全性指标、起飞重量或任务系统探测距离等作战指标，并对一系列功能组成进行评估。当然，每一个功能组成的下一级也可以如法炮制，层层向上推算得到需要优化的设计目标。最后，对各项技术指标进行权重分配，评估每一个部分的技术评价项的评分，当然可以依据计算、分析数据进行评判，也可以根据行业专家进行评分，通常按“10分制”，最后运算得出各项指标加权总分值，根据所得结果进行优化对象的选取。例如下表，当假设系统级设立A、B、C三个关键功能组成项之后，经过评分后得知A是需要优化的对象。

表1　技术评价项权重(%)

表2　技术评分(10分法)

表3　技术评价项加权

其次，组织电子、航空两个行业领域的各专业领域设计师，对上述所选的相关功能指标体系进行相关领域的论证、设计、分析、仿真、风洞试验和验证试验之后，需要对设计方案进行系统级的综合分析、系统评判与优化决策。

在进行各类设计方案的比较、评价和取优的过程中，一般可以设定三类评价目标：“技术目标”、“经济目标”和“社会目标”。预警机作为信息化装备，在进行研制方案优化、评价和决策时，考虑装备作战功能性能所服务的战略和战术目标，主要以“技术目标”为评价目标；一般特种机由于其作战功能和性能要求不高，一般应当以“技术目标”和“经济目标”进行综合评价；而在国际市场上，在开展预警机军贸研制方案论证决策时，除“技术目标”以外，建议“经济目标”和“社会目标”是应当列入评价考虑因素。

基于模糊评价法的预警机总体构型设计分析与决策，通常需要建立以下的设计取优过程模型，进行综合评判。

图20　基于模糊评价法的总体构型设计优化流程

按照图20所示，根据模糊评价法则，依次进行如下工作：

a)建立评价目标集

b)建立加权系统数集

c)建立模糊评价集

d)进行模糊评价

在进行多个方案的模糊评价时，常常通过同行专业审定评价的方式。一般会请一组专家，对评价目标集中的每一个目标bi(i=1,2,…，n)按照评价集中的评价打勾(“√”)，这项工作针对每一项方案进行，对某一评价目标bi，针对z个技术方案，对应建立z个评判结果。其中rmz表示在第z个方案中，针对目标bi，持有pm评价的专家占比(%)，评价的结果也被称为“隶属度”。

e)建立模糊评价矩阵

建立如下的模糊评价矩阵，在矩阵中的每一行对应上述的隶属度。

f)模糊评价给出取优的结论

上述模糊矩阵已经建立了对各方案评价的全貌，但没有反映加权系数，在模糊数学中将模糊矩阵与加权系数集进行合成，建立模糊评价的方法有两种：

第一种：采用模糊矩阵乘法“K=QR”，符号“”是模糊矩阵乘法运算，与普通矩阵乘法运算相似，只不过Q中每一元素不是和R中某一列元素一一相乘然后相加，而是一一相比取值小值，然后从获得的一些列小值中取最大值即可。

第二种：将Q和R按一般矩阵相乘，然后做归一化处理。

根据上述基于模糊评价方法，以某中型预警机为例进行分析如下：

首先，采用经验分析法和综合分析法相结合，根据装备的作战功能性能指标，初步提出任务天线口径要求、气动外形、改装及适应性等多个要素的设计目标要求，进一步提出了以下三种构型设计的技术方案，包括小圆盘、中圆盘和大圆盘三种构型设计，初步的尺寸数据见下表，该方案数z=3。

表4　三种构型方案样例

其次，借鉴上述给出的总体构型技术评价项，按上述模糊评规则，考虑均是首次提出的方案，在经济性、周期、可靠性等方面具有相当性，因此可以设定除了主要性能之外，可行性、工艺性等作为一个评价因子即可，由此建立评价目标集：

B={气动特性,功能性能,可行性及其它综合因素}，该目标集数量n=3。

进一步，按照假定的加权系数，建立评价目标的加权集：Q={0.4,0.4,0.2}。

然后，建立模糊评价集：P={优,中,差}(m=3)，并采用模糊评判规则，组织专家针对三个方案，对各个评价目标进行判定，最后建立模糊评价矩阵如下：

根据模糊矩阵进行与加权系数集的合成，进行模糊评价：

最后，将K值进行归一化处理：

按上述给定的专家评价，对三个方案进行模糊评价后，可以得到：方案1中的评价为“优”的隶属度较后两个方案略高，“优”与“中”之和也比后两个方案要高。因此，决策方案1为优选方案。当然，在实际型号研制的过程中，也可以采用基于上述模糊评价结论与专家会诊评审相结合的方式，进行技术方案的统筹和决策。

3.3基于单目标函数的总体构型设计优化

在预警机总体构型设计中，由于装备作战功能性能和巡航要求，任务系统和载机的总体指标都十分重要，而构型设计直接影响到任务系统总体指标的实现，以及载机安全性和飞行性能的实现，所以，研究构型设计最重要的是要找到跨行业、多专业设计的设计目标，如果能够在多方设计师共同追求的设计目标上进行进一步研究，势必可以提高方案的合理性以及尽可能的优化。

从上述的常用设计流程和综合设计方法来看，国内预警机或特种机的总体构型设计一般均采用了传统的经验分析法或者经验分析法与功能分析法相结合的综合分析法，常常是在基于经验分析和综合分析，提出“几种方案的可选”，然后在“已知的几个方案”中，对任务系统功能性能以及载机气动与飞行性能进行了一定程度的协调、综合与优化决策。

为了更好地找到最优的设计方案，最首要的是应当尽可能找到一个可以表现预警机这样一个复杂系统的众多指标体系所能够服务的目标函数，如果这个目标函数可以表征复杂系统的顶层设计指标，而不再是进行跨行业、多专业、多学科的协调设计方式，那么，预警机总体构型设计过程就建立起了一个可以称为真正意义的“寻优”设计过程。

鉴于如2.4所述，这项技术研究尚处在初步阶段，目前依然存在行业与行业之间技术差异、高度交叉多学科优化理论尚不健全等现实问题，要准确找到一个最合理的目标函数，还需要进一步的学术研究。

在已知的预警机所涵盖的任务系统和载机指标体系中，我们基于经验分析和综合分析，在一定的定量基础上，借鉴“约束法”的基本思想，根据问题的实际情况，确定一个目标为主要目标，而把其余目标作为次要目标，并根据决策者的经验给次要目标选取一定的界限值，这样就可以把次要目标作为约束来处理，将原有多目标规划转化为一个在新的约束下，求主要目标的单目标最优化问题。因此，可以视具体型号指标体系的情况，设定但目标函数，并进行构型设计的优化的。例如，在一种典型的“背负式旋罩”构型设计中，针对“背负式旋罩”这一设计对象，分析其复杂的指标体系，我们可以尝试建立以下三个方面的系统级指标体系表征参数。

表5　构型顶层指标表征参数分析

根据上述分析给定的系统指标体系，如果按照表3所列的三个方案，进行目标函数研究和分析。由于加装“背负式旋罩”对飞机造成了直接气动特性影响是阻力增加、航向静稳定度下降；而预警机任务系统在这一总体构型所体现的重点是雷达探测性能指标。因此，兼顾上述考虑因素，整个优化过程考虑气动特性和雷达探测性能两个方面。考虑雷达探测性能与天线口径的直接关系，拟建立以雷达截面口径为设计目标的目标函数为：

式中，D是旋罩直径，η是旋罩的相对厚度。

对于气动学科而言，考虑最小阻力系数CDmin和航向系数CYβ、Clβ、Cnβ，将所述参数通过加权，形成气动目标函数：

考虑载机的飞行阻力系数是需要考虑的一个重点，可以设定权重ω1=0.7，将JE和JA分别作归一化，得到归一化的电性能和气动性能目标函数：

因此，在保证飞行安全性的前提下，电性能作为首要的关注目标，建立综合无量纲的目标函数如下：

将上述数据带到归一化的电性能和气动性能目标函数、以及综合无量纲目标函数中，可以得到目标函数值，经分析得到：方案1是最符合设定目标的优选方案，但这是一种有限范围的设计优化。

表6　目标函数系统设计参数样例

表7　目标函数值样例

4　基于多目标优化的总体构型设计研究与展望

4.1基于多目标优化的总体构型设计研究需求

现役预警机或特种机一般采用基于已有平台进行加改装设计，通常在已知的平台资源限制下，尽量满足飞机的气动特性和飞行性能，并同步考虑任务系统的适装性设计、载机改装以及包括任务支持系统在内的适应性设计。通常情况下，如果为了重点考虑任务系统的电性能，就不得不牺牲一部分载机气动性能；或者为了重点保证载机气动性能，就不得不损失任务系统一部分电性能，因此如何进行预警机总体构型设计所需要的多个设计目标的优化、均衡，是当前总体构型设计亟待解决的总体设计技术问题。

国内在进行这个设计活动时，往往参照欧美或他国现有预警机装备总体构型基础，进行借鉴或者依赖局部的研制经验数据，常常是采用基于经验分析、或经验分析与综合分析相结合的方式，提出有可能的几个备选方案，然后采用上述设计方法或技术评审的方法，对几个方案进行优化、权衡和决策，选择相对较优的一个方案。但问题是，所参照的预警机总体构型是否最优呢？目前尚无成熟技术手段可以评估。

图21　直接参照现有总体构型思路

采用上述的这种设计方法，最多可以保证最终方案是几个备选方案的优化结果，但并不能保证最终方案是全局或者局部优化的结果。这种方法限制了任务系统发挥最大的能力，同时也对原先载机平台性能的造成了不必要的影响，甚至导致研制难度加大或风险增加，研制周期和成本控制也成为经常性出现的问题。

目前在预警机或特种机的总体构型设计方面，尤其所涉及到“机、电、磁、气动”多个专业学科领域的交叉，在理论研究上尚未开展系统的学科研究，所以当前的总体构型设计的优化和决策，依然缺乏一个全面、系统、均衡的理论寻优求解过程。

因此，基于创新设计理论启发，是否可以研究寻找一种可以准确定量的、科学的总体构型设计与评估方法？以解决上述问题。可以尝试研究“基于多目标优化的总体构型设计方法”，综合考虑任务系统功能性能、载机气动特性和飞行性能、任务载荷适应性及任务支持系统等多个设计目标的协调性、匹配性，以期达到预警机装备系统级的功能性能最优。

4.2基于多目标优化的总体构型设计思路

本文所提出基于多目标优化(Multi-objective Optimization)的设计思路，是经过理解预警机总体构型设计的概念和内涵，所引发的技术研究所关键问题：如何确定预警机构型设计的优化对象，并通过优化方案设计和优化决策评价，实现预警机作战功能性能要求和飞行平台相关指标要求的最佳匹配。需要综合考虑各种设计要求，但如何提取复杂系统的指标体系、指标优化要求及综合决策，是一个十分复杂的过程，其设计结果直接决定了系统总体方案的顶层指标体系及其综合效能。

因此，我们可以进一步理解为，总体构型设计(假设所有设计集合A类)包含了载机平台的气动构型(假设设计集合B类)、任务系统功能性能(假设设计集合C类)，以及由此带来的载机改装、任务载荷适应性以及任务支持系统等(假设设计集合D类)所表现的多个设计领域的综合与优化。

比如在飞机飞行性能设计领比如在飞机飞行性能设计领域中，设计集合B包含了载机各类设计集合Bi(i=1,2，…，n)，例如气动特性B1、载机飞行性能设计B2、载机安全性设计B3、……，以及相关项设计Bn。其中每一个类设计集合设计Bi也可以是对其下多个设计进行综合与优化的过程，即Bij(j=1,2，…，m)。

同理，任务系统设计领域是一个解决复杂电子系统设计的过程，包括了任务系统各类设计集合Ci(i=1,2，…，n,)，例如装备作战使用的信息系统设计C1、复杂电性能设计C2、满足功能性能设计C3、电磁性能设计C4，……，以及相关项设计Cn,。其中每一个类设计集合设计Ci也可以是对其下多个设计进行综合与优化的过程，即Cij(j=1,2，…，m′)。

以此类推，为了解决好任务系统装载到载机平台上带来的相应适应性设计、匹配改装设计和任务支持系统等资源保障设计，同样可以建立这样一个设计集合Di(i=1,2，…，n,,)，例如，供电设计、改装结构、冷却系统设计、液压系统设计，……，等等，每一个类设计集合设计Di也可以是对其下多个设计进行综合与优化的过程，即Dij(j=1,2，…，m″)。

图22　基于多目标优化的设计思路

如上所述，可以应用最优化理论对总体构型的各项设计指标进行分解和优化设计，从这个角度上来说，总体构型设计实际上就是一个寻求f(x)最优设计的优化过程。按照给定的设计要求，研究上述三个大设计方面进行目标函数V-minF(x)求最小，寻找与之相关的约束或限制，例如设定约束函数gi(x)、hi(x)等，可以求解上述多个设计目标的优化Fa(x)=[fb(x)fc(x)fd(x)]，实现构型设计相关多个技术指标的取优。

当然，对于这个优化求解的过程来说，由于其相关性的复杂特征，涉及到目标函数提取的合理性、准确性等也相对复杂，包括：

(a)如何对总体构型的几何进行建模表征与参数化定义；

(b)如何对气动学科、电子技术学科、电磁学科、结构外形重量等力学学科进行基于多物理场的模型建立与积分参数定义；

(c)如何针对空气阻力增益、电磁增益参数、波瓣特性、结构重心和惯量等几个重要指标进行多目标函数的研究与提取等等。

当前来看，急需开展基于多目标优化的总体构型设计技术研究，尤其应当把研究复杂系统的目标函数提取视为本研究最为关键的步骤。

4.3基于多场协同耦合(MFC)与多学科仿真优化(MDO)的技术路线

基于上述设计思想，开展“基于多目标优化的总体构型设计方法”的研究，旨在将总体构型设计本身作为研究对象，将总体构型设计作为一个复杂系统来进行分析与指标优化。

由于涉及到的“机、电、磁、气动”等多个专业学科领域，因此，需要研究复杂系统在其所处多个复杂场及其耦合的情况下，其指标体系及其特征表征、耦合模型的建模、仿真与优化等技术。技术上，拟采用基于多场协同耦合(MFC)以及多学科仿真优化(MDO)的技路线术，研究得到预警机这一类空基信息系统装备的总体构型设计和评估方法，对飞机平台气动特性、任务系统功能性能、任务系统整体结构与重量特性、载机改装以及任务支持系统等四大方面建立耦合、相关性以及优化权衡关系。研究如何寻找一种可以综合表达各个设计目标和要素，得出各个设计目标的最优结果，使系统指标尽最大均衡和优化。通过建模与仿真技术研究，获得优化后的整体构型设计方案，为系统总体方案提供依据。通过基于多目标优化的设计方法研究，拟为预警机或特种机总体构型设计提供以下切实可行的技术手段或科学的、定量的方法：

(a)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；

(b)适用于“机、电、磁、气动”的复杂多场耦合流程与方法；

(c)覆盖多个学科领域的复杂多场耦合模型建模方法；

(d)设计优化流程和可量化的优化评判标准，以及相关技术参考。

因此，基于多目标优化的总体构型设计方法实际上就是需要充分利用多场协同和多学科优化的方法，在飞机平台气动特性、任务系统功能性能等相关性方面做出优化和权衡。鉴于电子技术学科和电磁学科的模型建立、仿真分析的计算量都非常大，相对来说，在气动、机械结构等学科的模型建立、仿真分析的计算量较小。因此可以考虑主体方法中采用气动结构分析先行，给出多目标寻优方案候选次优解集，在候选次优解集中进一步交给电子技术学科和电磁学科，完成进一步的电磁方案优化。其中候选次优解集的获取都会满足气动结构学科的主要设计需求目标(包括气动操稳特性、飞行品质特性升阻比特性、重量特性等)以保证最终选出的电磁特性方案不会与气动结构学科的设计方案要求产生冲突。

基于多目标优化的总体构型设计所采用的多场协同、多学科优化的主体技术路线如图23所示。

图23　建议的多场协同多学科优化技术路线

如图所示，技术路线起始于多目标函数F(CFD，S)，此多目标函数中包含有飞行品质、飞行操稳数据、飞行器升阻比数据、飞行器改装后结构重量参数的参数，作为优化器的输入参数。优化器会根据多目标函数的输出值确定参数化几何输入参数的迭代方向，更新参数化几何数据输入参数X。剖析多目标函数模块F(CFD，S)。此模块起始于参数化几何输入参数X。CAD参数化几何外形G(X)，G表示几何，X表示驱动几何数据发生变动的参数化控制变量，在生成几何G后，通过脚本化方式获得几何的三角形面元表达文件STL文件，以M(G)表示，进而通过自动化方式提升网格数据质量获得网格文件M′(G)，在M′(G)进一步做计算流体力学分析获得解算结果CFD(M)。

在闭合了气动学科、结构重量学科的优化链条后，随着迭代过程的推进，会生成一个只考虑了气动和结构重量学科的优化候选解集{Xi}。在这一解集中，进一步开展考虑电磁特性的几何构型分析，提炼电磁学科优化目标函数，进而获得电磁最优解。

根据对优化问题的寻优空间的不明确和敏感度未知的情况下，为了避免盲目优化，需要将不同学科求解器按照求解精度和效率进行分层，完成多学科分析器高精度和低精度、长求解时间和快速求解的上下搭配，最初分析时采用低精度快速分析方法获得对于寻优空间的初步认识，而后再使用高精度的方法细致寻优。以便于可以对寻优空间做出初步判断。

4.4基于模型的系统工程方法(MBSE)

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[10]。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[11]。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[11]。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

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[12]，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[12]。

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”[13]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[13]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。

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。

[10]栾恩杰.航天系统工程运行[M].北京：中国宇航出版社，2010:8-14.

[11]毛寅轩，袁建华.基于模型系统工程方法研究与展望[J].电脑开发与应用,2015,27(4):71-75.

[12]预警机的发展趋势[J].现代军事，2005,(6):42-44.

[13]匡云连，陆军等.机载分布式相干MIMO雷达的杂波谱分析[J].中国电子科学研究院学报,2014,9(1)：59-63.

陈竹梅(1973—)，女，四川人，研究员，主要研究方向为空基信息系统总体技术、预警机系统构型、系统结构、热控与环境适应性技术；E-mail：hanzhu_mj@sohu.com

欧阳绍修(1956—)，男，湖南人，研究员，中航工业飞行器技术首席技术专家，博士生导师，主要研究方向为飞机总体设计和技术预先研究。

An Overview of AWACS Conceptual Configuration

CHEN Zhu-mei1, OU YANG Shao-xiu2

(1.China Academy of Electronics and Information Technology, Beijing 100041, China;2. Avic Shanxi Aircraft Industry (Group) Corporation LTD.，Hanzhong 723105)

An overview of AWACS conceptual configuration and its mission payload adaptive design technology were present. History and Classification on Configuration of AWACS were organized and studied. Main design requirement and key factor during AWACS configuration and its mission payload adaptive designing were highlighted. Technical process and design method on AWACS were sum up. For needs of Multi-objective Optimization,design thought and technical line on Conceptual Configuration of AWACS were put forward，design method based on MBSE were highlighted.On the basis of mission demand-oriented, a platform and mission system integration design thought was proposed.This paper could be a reference for AWACS reqirement analysis and study work or similar equipment conceptual design work.

Conceptual Configuration; Mission system; Mission payload Adaptability MBSE; Multi-objective Optimization

10.3969/j.issn.1673-5692.2016.04.005

2016-02-27

2016-04-01

N945.23

A

1673-5692(2016)04-354-13

本期刊登的是文章的第二部分