馬夢穎+楊旸+費王華

摘要： 針對組合循環(huán)動力系統(tǒng)應(yīng)用于高超聲速飛行器的背景，構(gòu)建了組合循環(huán)發(fā)動機（簡稱組合發(fā)動機）性能指標(biāo)體系框架。采用AHP方法確定了組合發(fā)動機性能指標(biāo)權(quán)重分布，建立了基于AHP的組合發(fā)動機性能評估方法。本方法可通過對不同組合動力方案綜合性能的量化評價，為高超聲速飛行器方案優(yōu)化設(shè)計提供參考。

Abstract： The evaluation index system of combined cycle engine used for hypersonic maneuvering vehicle was established. AHP is used to evaluate the performance of combined cycle engine，including the order of the performance index. In this method， it was able to be evaluated quantificationally that the performance of several schemes of combined cycle engine， in order to optimize the conceptual design of hypersonic maneuvering vehicle.

關(guān)鍵詞： 高超聲速飛行器；組合循環(huán)發(fā)動機；性能評估；AHP

Key words： hypersonic vehicle；combined cycle engine；performance evaluation；AHP

中圖分類號：V421.1 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）35-0025-03

0 引言

組合循環(huán)發(fā)動機具有工作包線寬和推力調(diào)節(jié)能力強的優(yōu)勢，可實現(xiàn)全空域、全速域飛行，在重復(fù)使用天地往返領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。組合循環(huán)發(fā)動機（簡稱組合發(fā)動機）是高超聲速飛行器實現(xiàn)全域飛行的關(guān)鍵系統(tǒng)，本文采用AHP方法，研究了一種對組合發(fā)動機進行性能指標(biāo)評價的方法，可對組合動力飛行器動力系統(tǒng)的總體性能進行綜合、定量、高效評估。應(yīng)用本方法可對不同組合動力方案滿足總體需求的程度進行直觀和量化的評價，能夠?qū)︼w行器總體多方案優(yōu)化提供量化依據(jù)；對先進組合動力技術(shù)的發(fā)展而言，該方法給出了飛行器總體對組合發(fā)動機的性能指標(biāo)需求及需求權(quán)重分布，為組合發(fā)動機的方案優(yōu)化及系列化發(fā)展提供參考和牽引。

1 組合發(fā)動機性能評價指標(biāo)體系

1.1 性能評價體系構(gòu)架

目前對組合發(fā)動機性能指標(biāo)評價體系尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)外公開研究文獻極少，參考相關(guān)武器裝備對發(fā)動機系統(tǒng)的性能評價體系構(gòu)架，構(gòu)建組合發(fā)動機性能評價體系。根據(jù)組合動力自身技術(shù)特點和高超聲速飛行器總體應(yīng)用對動力系統(tǒng)的需求，按照實用性、代表性和獨立性的原則，提出組合發(fā)動機性能指標(biāo)評價體系基本構(gòu)架如圖1所示。其中，能力層面的包含組合發(fā)動機的基本性能和針對高超聲速飛行器應(yīng)用需求提出的增強性能，應(yīng)用層面則包括經(jīng)濟性、可靠性等。

1.2 評價指標(biāo)選擇

傳統(tǒng)的火箭發(fā)動機和沖壓發(fā)動機性能指標(biāo)數(shù)量眾多，僅《GJB-3387-98火箭發(fā)動機術(shù)語》中涉及液體火箭發(fā)動機性能指標(biāo)定義約100條；《QJ1190-87沖壓發(fā)動機術(shù)語》中涉及75條沖壓發(fā)動機性能參數(shù)定義。結(jié)合傳統(tǒng)液體火箭發(fā)動機、沖壓發(fā)動機主要性能指標(biāo)選取組合發(fā)動機基本性能。根據(jù)高超聲速飛行器對組合發(fā)動機寬包線飛行、多模態(tài)、多次開機等性能需求，選取組合發(fā)動機增強性能、經(jīng)濟性及可靠性，見表1。

基本性能反映飛行器總體對組合發(fā)動機基本能力的需求，決定總體方案閉合的重要性能參數(shù)，均從構(gòu)成組合發(fā)動機的單一動力類型性能指標(biāo)中選取，但指標(biāo)的內(nèi)涵和界定與單一動力已有所不同，例如，對于推力指標(biāo)，組合發(fā)動機推力不僅反映設(shè)計狀態(tài)推力，還應(yīng)考慮不同工作模態(tài)下的推力特性。

增強性能反映了為滿足全空域、全速域等總體性能，對組合發(fā)動機提出的性能提升方面的需求。充分體現(xiàn)了組合發(fā)動機與單一動力相比的特有能力和性能優(yōu)勢。

經(jīng)濟性關(guān)系到飛行器總體應(yīng)用中的能量消耗與成本，所選性能指標(biāo)綜合反映推進劑能量及消耗水平。

可靠性關(guān)系到飛行器總體應(yīng)用中穩(wěn)定工作及長時間可靠性，反映了組合發(fā)動機與工作時間和起動能力相關(guān)的綜合性能。

1.3 組合發(fā)動機綜合性能評價模型

組合發(fā)動機綜合性能水平通過以下公式定量計算獲得：

其中R為發(fā)動機綜合性能總分；Si為各類性能層面下具體影響因素的（即性能指標(biāo)）計分值，R與Si的取值范圍相同，范圍大小由評價具體性能指標(biāo)的劃分等級確定，例如對具體性能指標(biāo)按照1～5分級打分，則1

根據(jù)計算結(jié)果，結(jié)合總體需求，可以規(guī)定對某得分段范圍的評價，例如4≤R≤5代表組合發(fā)動機的綜合性能優(yōu)良，可作為首選方案；3≤R<4組合發(fā)動機綜合性能一般，可作為備選方案；R<3則組合發(fā)動機的綜合性能較差，需進行改進設(shè)計以達到總體要求。

2 基于AHP的組合發(fā)動機性能指標(biāo)評價方法

AHP（Analytic Hierarchy Process）層次分析法是美國運籌學(xué)家T.L.Saaty教授于二十世紀(jì)70年代提出的一種實用的多方案或多目標(biāo)的決策方法，是一種定性與定量相結(jié)合的決策分析方法。常被運用于多目標(biāo)、多準(zhǔn)則、多要素、多層次的非結(jié)構(gòu)化的復(fù)雜決策問題，具有系統(tǒng)性、實用性和簡潔性的有點，在航空航天、國防軍事、工程、經(jīng)濟、乃至服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

2.1 AHP分析流程

采用AHP法對組合發(fā)動機各性能指標(biāo)進行綜合評價，就是通過對性能指標(biāo)進行兩兩對比判斷重要性等級，并對比較結(jié)果進行一致性檢驗，獲得最終的性能指標(biāo)權(quán)重關(guān)系?；痉治隽鞒倘鐖D2所示。首先，建立層次結(jié)構(gòu)模型，明確最高層、中間層和最低層，繪出層次結(jié)構(gòu)圖；第二，構(gòu)造判斷矩陣，確定各層次、各因素之間的相對重要性；第三，進行層次單排序，計算對于上一層，本層各因素的權(quán)重；第四，對判斷矩陣進行一致性檢驗。最后，進行層次總排序，確定最低層所有因素對于最高層的相對重要性的排序權(quán)值。

2.2 建立層次結(jié)構(gòu)模型

針對初步選擇出的組合發(fā)動機性能評價指標(biāo)建立層次結(jié)構(gòu)模型，包括1個最高層、4中間層和13個最低層。

最高層：C——組合發(fā)動機綜合性能。

中間層：C1——基本性能；C2——增強性能；

C3——經(jīng)濟性；C4——可靠性。

最低層：

C11——推力

C12——單位面積推力

C13——推質(zhì)比

C14——干質(zhì)量

C21——工作馬赫數(shù)范圍

C22——工作高度范圍

C23——可用攻角范圍

2.3 構(gòu)造判斷矩陣

針對中間層和最低層分別構(gòu)造判斷矩陣，對某一層次中的各元素ui（i=1，2，...，n），進行兩兩比較，并用1～9的比例標(biāo)度進行定量衡量，9級比例標(biāo)度的定義如下：

1——兩元素相比同等重要；

3——前者比后者稍重要；

5——前者比后者明顯重要；

7——前者比后者強烈重要；

9——前者比后者極端重要。

2、4、6、8為中間等級，1/i（i=1～9）表示兩者重要性相反。

兩兩比較結(jié)果所形成的標(biāo)度即構(gòu)成各性能指標(biāo)ui對于某類型性能指標(biāo)的判斷矩陣。

2.4 各指標(biāo)權(quán)重計算

采用層次單排序法，計算上述判斷矩陣的最大特征根和？姿max特征向量wj，并計算一致性比例C.R.。

其中，n為矩陣階數(shù)，R.I.為隨機一致性指標(biāo)。當(dāng)C.R.<0.1時，認(rèn)為權(quán)重計算結(jié)果滿足一致性要求，否則重新構(gòu)建判斷矩陣。

通過對性能指標(biāo)類型判斷矩陣的求解和調(diào)整，C.R.=0.0370<0.1，滿足一致性要求。四項性能指標(biāo)類型的權(quán)重系數(shù)為[0.2746，0.5753，0.0911，0.0590]，其中“增強性能”和“基本性能”最重要，其權(quán)重分別為0.5753和0.2746，該結(jié)果與認(rèn)識基本一致。

通過對基本性能判斷矩陣的求解和調(diào)整，C.R.=0.0339<0.1，滿足一致性要求。4項基本性能指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為[0.1355，0.3337，0.4508，0.0800]，權(quán)重分布如圖3所示，其中“推質(zhì)比”和“單位面積推力”最重要，其權(quán)重分別為0.4508和0.3337。

通過對增強性能判斷矩陣的求解和調(diào)整，C.R.=0.0269<0.1，滿足一致性要求。5項目增強性能指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)為[0.2387，0.4515，0.1549，0.0946，0.0603]，權(quán)重分布如圖3所示，其中“高度范圍變化范圍”、“馬赫數(shù)變化范圍”和“可用攻角范圍”較為重要，其權(quán)重分別為0.4515，0.2387，0.1549。

經(jīng)濟性、可靠性判斷矩陣中指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別為[0.2491，0.7509]和[0.6667，0.3333]，權(quán)重分布如圖3所示，其中相對重要的性能指標(biāo)分別為“推進劑密度比沖”和“累計工作時間”。

2.5 計算總權(quán)重

采用層次總排序法，根據(jù)13項性能指標(biāo)對于4類性能的權(quán)重，可計算得到各項性能指標(biāo)對于組合發(fā)動機綜合性能的總權(quán)重為：[0.0372，0.0916，0.1238，0.0220，0.1373，

0.2597，0.0891，0.0544，0.0347，0.0227，0.0684，0.0393，0.0197]。

3 組合發(fā)動機綜合性能指標(biāo)評價方法的應(yīng)用

在方案論證階段，考慮基本性能和增強性能的組合發(fā)動機綜合性能計算模型（1）中的wi采用總權(quán)重計算結(jié)果，Si需要根據(jù)具體的組合發(fā)動機在上述13項性能指標(biāo)中的評分確定。

總權(quán)重分布如圖4所示，權(quán)重較高的指標(biāo)為飛行高度范圍、飛行馬赫數(shù)范圍、推質(zhì)比、單位面積推力、可用攻角范圍、推進劑密度比沖和推力比，其中基本性能2項，增強性能4項，經(jīng)濟性1項，比較合理地反映了高超聲速飛行器總體對組合發(fā)動機性能的需求分布。

在Si項的選擇方面，目前公開文獻中組合發(fā)動機的性能參數(shù)有限，且針對組合發(fā)動機性能參數(shù)的定義和規(guī)范尚無相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，部分存在爭議。因此，有必要對組合發(fā)動機性能指標(biāo)項目制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按照可量化、可測量、可操作的原則完善性能指標(biāo)的定義、測量規(guī)范或計算方法，為該方法中Si項的確定提供依據(jù)。

4 結(jié)論

本文根據(jù)高超聲速飛行器對組合發(fā)動機的性能需求，構(gòu)建了綜合性能指標(biāo)評價框架。采用AHP建立了組合發(fā)動機性能指標(biāo)評價模型，實現(xiàn)了對組合發(fā)動機綜合性能的量化評估。隨著對組合發(fā)動機研究與應(yīng)用的不斷深入，將逐步補充完善應(yīng)用層面的性能指標(biāo)項目，健全組合發(fā)動機性能指標(biāo)評價體系。綜合評價組合發(fā)動機性能需考慮任務(wù)需求、總體方案、動力方案等多因素，本文提出的評價方法是對組合動力在高超聲速飛行器中應(yīng)用的綜合性能進行評價的一種嘗試，具有一定的理論依據(jù)，符合綜合、定量與高效的評估要求，后續(xù)將在應(yīng)用和實踐中進行驗證和不斷完善。

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