張 菁, 何 友, 彭應(yīng)寧, 李 剛

(1. 清華大學(xué)電子工程系, 北京 100084; 2. 復(fù)雜航空系統(tǒng)仿真重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100076; 3. 海軍航空大學(xué)信息融合研究所, 山東 煙臺(tái) 264001)

0 引 言

新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證,是指當(dāng)戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)發(fā)展將要跨入新一代時(shí),根據(jù)自身戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)需求和科技水平,分析研究下一代裝備應(yīng)具備哪些技術(shù)特征。其中“新一代”是指論證的對(duì)象是一代(而非單一型號(hào))裝備,是接下來(lái)開(kāi)展某單一型號(hào)裝備論證的基礎(chǔ)和前奏;“技術(shù)特征”是指新一代裝備區(qū)別與老一代的核心新技術(shù)特點(diǎn),是技術(shù)投入和發(fā)展方向的風(fēng)向標(biāo)。新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證是在作戰(zhàn)性能、研發(fā)生產(chǎn)代價(jià)和體系效能之間權(quán)衡的系統(tǒng)工程,對(duì)提升裝備體系效能和指導(dǎo)技術(shù)發(fā)展方向具有重要意義。隨著F-22、F-35、殲-20、T-50等第五代戰(zhàn)斗機(jī)日益成熟,新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證已成為航空科技界的重要課題。

傳統(tǒng)的新一代武器裝備論證通常采用逆向歸納的方法,例如以往的幾代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證,通常是在美、俄等領(lǐng)先國(guó)家最先出現(xiàn)的幾型新一代戰(zhàn)斗機(jī)基礎(chǔ)上,逆向分析歸納其采用了哪些當(dāng)前一代飛機(jī)沒(méi)有的重要技術(shù)特征[1],然后以此指導(dǎo)下一步技術(shù)發(fā)展。這種方式簡(jiǎn)單可行,但隨著技術(shù)的進(jìn)步其缺點(diǎn)也日益明顯:第一,需要在新一代武器裝備出現(xiàn)后才能開(kāi)展,時(shí)效性差,適合“跟跑”但不適合“齊頭并進(jìn)”;第二,世界多極化造成各軍事集團(tuán)新一代武器裝備任務(wù)能力需求差異化,例如美國(guó)空軍的六代機(jī)基于“絕對(duì)制空優(yōu)勢(shì)”而需要具備全方位寬頻段隱身能力[2],美國(guó)海軍的六代機(jī)基于“艦隊(duì)防空和戰(zhàn)術(shù)打擊”而需要具備較強(qiáng)的電子壓制能力[3],這使得從領(lǐng)先集團(tuán)逆向得到的技術(shù)特征不一定適應(yīng)己方的應(yīng)用需求;第三,隨著科技進(jìn)步的提速,各國(guó)的技術(shù)發(fā)展路線和優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域不同,例如六代機(jī)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域,美國(guó)的雷達(dá)隱身技術(shù)領(lǐng)先,而俄羅斯則注重發(fā)展光電系統(tǒng)來(lái)探測(cè)隱身目標(biāo)、發(fā)揮擅長(zhǎng)的機(jī)動(dòng)性能在近距格斗中打敗對(duì)手,因此逆向得到的技術(shù)特征也不一定符合己方的技術(shù)水平和優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域。

本文運(yùn)用數(shù)據(jù)科學(xué)的思想對(duì)傳統(tǒng)的逆向歸納方法展開(kāi)進(jìn)一步分析,通過(guò)抽象建模后與機(jī)器學(xué)習(xí)類比,從原理上分析其內(nèi)在特點(diǎn)和缺陷。數(shù)據(jù)科學(xué)的本質(zhì)就是從數(shù)據(jù)中獲得知識(shí),近年來(lái)隨著物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)的發(fā)展,數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)科學(xué)新興技術(shù)突飛猛進(jìn),廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事[4]中的態(tài)勢(shì)評(píng)估、行為預(yù)測(cè)[5]、仿真等諸多領(lǐng)域。

在對(duì)傳統(tǒng)的逆向歸納方法的分析基礎(chǔ)上,本文提出一種基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證方法。第一步,提出基于能力的新一代戰(zhàn)斗機(jī)定義,定義新一代戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)具備任務(wù)能力、環(huán)境能力和對(duì)抗能力;然后將這三類能力作為約束,以成本最低為目標(biāo),以技術(shù)特征為決策變量,建模為數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題,通過(guò)技術(shù)特征-能力/成本矩陣定義目標(biāo)和約束函數(shù),求解可得新一代戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)具備哪些技術(shù)特征。

最后,本文以美國(guó)海軍和俄羅斯空軍第六代戰(zhàn)斗機(jī)能力與技術(shù)特征論證為例,驗(yàn)證了方法的可行性,分析了其對(duì)比傳統(tǒng)方法的優(yōu)勢(shì)。在方法驗(yàn)證過(guò)程中,本文還對(duì)六代機(jī)能力和激光武器、智能輔助等幾項(xiàng)熱門(mén)技術(shù)特征進(jìn)行了分析,為基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證方法應(yīng)用打下基礎(chǔ),為技術(shù)發(fā)展方向的把握提供參考。

1 傳統(tǒng)方法內(nèi)在缺陷分析

戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)入噴氣式時(shí)代后,隨著新技術(shù)和新設(shè)計(jì)理念的不斷應(yīng)用,已經(jīng)歷了五代的發(fā)展?？茖W(xué)的論證思路應(yīng)從應(yīng)用需求出發(fā),先說(shuō)清“新一代”戰(zhàn)斗機(jī)的技術(shù)特征,再研究新一代中“某一型號(hào)”戰(zhàn)斗機(jī)的技術(shù)指標(biāo);而目前使用的傳統(tǒng)的逆向歸納論證方法,往往是先有一系列新戰(zhàn)斗機(jī)型號(hào)的研發(fā)出現(xiàn),然后業(yè)界認(rèn)識(shí)到其普遍具備了某些當(dāng)前一代飛機(jī)沒(méi)有的重要技術(shù)特征,造成了戰(zhàn)斗機(jī)綜合能力的階躍式提升,遂認(rèn)為戰(zhàn)斗機(jī)步入了新一代,而這些新技術(shù)特征即為新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征。圖1所示為逆向與正向論證的對(duì)比。

圖1 逆向與正向論證Fig.1 Backward and Frontward Analysis

為了更好地分析傳統(tǒng)的逆向歸納論證方法的不足,運(yùn)用數(shù)據(jù)科學(xué)的思想對(duì)其進(jìn)行抽象和建立數(shù)學(xué)模型,其內(nèi)涵可以看作是運(yùn)用了機(jī)器學(xué)習(xí)的思想。機(jī)器學(xué)習(xí)的本質(zhì)就是從樣本數(shù)據(jù)中總結(jié)歸納出內(nèi)在模型,例如“好西瓜”問(wèn)題,現(xiàn)有一定量的西瓜樣本數(shù)據(jù),每條樣本數(shù)據(jù)的內(nèi)容包括西瓜的顏色、紋理、形狀等特征和該西瓜是否為好西瓜的標(biāo)記,通過(guò)對(duì)樣本進(jìn)行學(xué)習(xí)可以獲得“具有什么樣特征的西瓜是好西瓜”這個(gè)模型,同時(shí)也得到了“好西瓜具備什么樣的特征”的知識(shí)[6]。

在逆向歸納論證方法中,每一型飛機(jī)都是一個(gè)樣本,是否為新一代戰(zhàn)斗機(jī)是該樣本的標(biāo)記,各項(xiàng)技術(shù)特征也就是屬性特征,特征提取與選擇來(lái)自先驗(yàn)知識(shí),通過(guò)學(xué)習(xí)得到的模型就是新一代飛機(jī)具備的各項(xiàng)技術(shù)特征及每項(xiàng)技術(shù)特征的重要程度。更進(jìn)一步,這屬于機(jī)器學(xué)習(xí)中的布爾概念學(xué)習(xí),學(xué)習(xí)得到的結(jié)果即新一代戰(zhàn)斗機(jī)的概念定義,也就是回答了“新一代戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)具有哪些技術(shù)特征”的問(wèn)題。該方法思路如圖2所示。

圖2 將逆向歸納論證方法與機(jī)器學(xué)習(xí)類比Fig.2 Comparison of backward induction with machine learning

例如,美國(guó)空軍官方刊物《空軍》采用逆向歸納論證方法提出的各代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征如表1所示[3]。

表1 《空軍》提出的各代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征

逆向歸納論證方法具備機(jī)器學(xué)習(xí)的固有難點(diǎn)和瓶頸。第一,依賴于樣本的數(shù)量和質(zhì)量,數(shù)量充分、標(biāo)記準(zhǔn)確的高質(zhì)量樣本集是機(jī)器學(xué)習(xí)效果的重要保證,而戰(zhàn)斗機(jī)型號(hào)本來(lái)就較少,隨著冷戰(zhàn)過(guò)后國(guó)際軍備競(jìng)賽放緩和戰(zhàn)斗機(jī)研發(fā)成本提高,未來(lái)的戰(zhàn)斗機(jī)型號(hào)將進(jìn)一步精簡(jiǎn),嚴(yán)重影響學(xué)習(xí)的效果;另外,該方法需要等新一代戰(zhàn)斗機(jī)樣本出現(xiàn)后才能開(kāi)始使用,時(shí)效性差,適用于“跟跑”,不適用于“齊頭并進(jìn)”。第二,可解釋性差,機(jī)器學(xué)習(xí)就像把黑盒內(nèi)的模型直接還原出來(lái),卻很難解釋模型中參數(shù)的物理意義和特征間的關(guān)系。每型戰(zhàn)斗機(jī)根據(jù)用戶使用、技術(shù)實(shí)力和成本等的不同而具備各自的能力需求,能力需求進(jìn)一步分解為技術(shù)特征,然而逆向歸納的方法直接得到了技術(shù)特征,跳過(guò)了飛機(jī)能力,無(wú)法解釋用戶使用、技術(shù)實(shí)力和成本等與飛機(jī)能力和技術(shù)特征的邏輯關(guān)系。第三,泛化性是衡量機(jī)器學(xué)習(xí)效果好壞的重要指標(biāo),好的泛化性是指從樣本集中學(xué)習(xí)得到的模型可以廣泛適用于新的樣本,過(guò)擬合是指得到的模型過(guò)于針對(duì)樣本集,而對(duì)樣本集以外的樣本不能很好適用。前幾代戰(zhàn)斗機(jī)的技術(shù)特征相對(duì)集中,但隨著政治和科技的多元化發(fā)展,未來(lái)幾代戰(zhàn)斗機(jī)的技術(shù)特征可能更加個(gè)性化,增加了逆向歸納過(guò)擬合的危險(xiǎn)性。通過(guò)以上幾點(diǎn)可以看出,逆向歸納論證方法已經(jīng)越來(lái)越不適用于未來(lái)的新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證。

2 基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證方法

未來(lái)新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證應(yīng)從各軍事集團(tuán)應(yīng)用場(chǎng)景和任務(wù)需求出發(fā),綜合考慮各方優(yōu)勢(shì)技術(shù)、成本等因素,確定能力和技術(shù)特征。

首先,定義新一代戰(zhàn)斗機(jī)需具備哪些能力。如體系作戰(zhàn)下的任務(wù)能力、環(huán)境能力和對(duì)抗能力,其中任務(wù)能力是指完成制空、情報(bào)監(jiān)視偵察、遠(yuǎn)程突防精確打擊等用戶體系特定任務(wù)的能力,環(huán)境能力是指滿足前沿部署境外保障、本土部署遠(yuǎn)程奔襲、作為航母艦載機(jī)等用戶體系特定環(huán)境下使用的能力,對(duì)抗能力是指在對(duì)抗前幾代飛機(jī)時(shí)應(yīng)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)、在對(duì)抗同一代其他型號(hào)飛機(jī)時(shí)不落入絕對(duì)劣勢(shì)。

然后,對(duì)新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征的論證可以轉(zhuǎn)化為對(duì)其定義能力的技術(shù)特征及程度論證,這是一個(gè)從系統(tǒng)總體角度出發(fā),綜合考慮多方面約束求最優(yōu)解的問(wèn)題,可以視為運(yùn)籌學(xué)中的數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題。于是,提出基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證方法,將定義能力作為約束,以成本最低為目標(biāo),以技術(shù)特征為決策變量,建模為數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題。

式(1)為決策變量空間,技術(shù)特征向量X包含了技術(shù)特征空間中的W個(gè)技術(shù)特征,例如新一代戰(zhàn)斗機(jī)的隱身、超音速巡航、激光自衛(wèi)干擾等。

X=(x1,x2,…xW)T

(1)

式(2)為目標(biāo)函數(shù),目標(biāo)是成本最小,此處的成本為全壽命周期成本,包括技術(shù)研發(fā)、批量生產(chǎn)和使用維護(hù)成本,這些成本主要受其技術(shù)特征影響,因此C(X)為技術(shù)特征向量X的函數(shù)。

min[C(X)]

(2)

式(3)～式(5)為約束條件,下面結(jié)合新一代戰(zhàn)斗機(jī)論證說(shuō)明。

(3)

(4)

(5)

式(3)為任務(wù)能力約束,戰(zhàn)斗機(jī)通常要能夠執(zhí)行制空、對(duì)地精確打擊等多項(xiàng)不同任務(wù),且有主次之分,技術(shù)特征直接決定其完成任務(wù)的能力,因此對(duì)第i項(xiàng)任務(wù)的完成能力為技術(shù)特征向量X的函數(shù)Mi(X);Kmi為任務(wù)偏好,表示第i項(xiàng)任務(wù)在戰(zhàn)斗機(jī)所有任務(wù)中的重要程度,例如美國(guó)空軍F-22的首要任務(wù)是制空而F-35的首要任務(wù)是對(duì)地打擊,取值可來(lái)自該戰(zhàn)斗機(jī)用于不同任務(wù)的架次或小時(shí)數(shù)比例;每項(xiàng)任務(wù)能力與任務(wù)偏好的乘積應(yīng)達(dá)到設(shè)定的閾值Tm。

式(4)為環(huán)境能力約束,戰(zhàn)斗機(jī)可能需要適應(yīng)前沿部署、縱深部署、艦上部署、高原部署等中的一種或多種環(huán)境,技術(shù)特征對(duì)其環(huán)境適應(yīng)性有很大影響,因此對(duì)第j種環(huán)境的適應(yīng)性為技術(shù)特征向量X的函數(shù)Ej(X);Kei為環(huán)境偏好,表示第j種環(huán)境在戰(zhàn)斗機(jī)所有應(yīng)用環(huán)境中的重要程度,每種環(huán)境適應(yīng)性與環(huán)境偏好的乘積應(yīng)達(dá)到設(shè)定的閾值Te。

式(5)為對(duì)抗能力約束,最新一代戰(zhàn)斗機(jī)為第N代,技術(shù)特征之間的相生相克將直接左右戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)抗結(jié)果,因此第N代與第n代戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)抗的交換比為技術(shù)特征向量X的函數(shù)V(X,N,n)。R為勢(shì)均力敵的交換比閾值,可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定,例如公認(rèn)同屬第四代戰(zhàn)斗機(jī)的米格23與F-16在中東戰(zhàn)爭(zhēng)貝卡谷地空戰(zhàn)中的交換比為4∶5[7],而F-35在2017年紅旗軍演中對(duì)抗四代機(jī)的交換比達(dá)到20∶1[8]。

3 基于技術(shù)特征矩陣的目標(biāo)和約束函數(shù)

在使用基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證方法時(shí),目標(biāo)和約束函數(shù)的確定十分關(guān)鍵,其都是技術(shù)特征向量X的函數(shù),可以說(shuō)目標(biāo)和約束函數(shù)就是技術(shù)特征如何影響武器裝備成本和能力的表現(xiàn)。目標(biāo)和約束函數(shù)的具體確定需要結(jié)合每次的應(yīng)用場(chǎng)景,例如戰(zhàn)斗機(jī)采用仿真空戰(zhàn)成績(jī)作為交換比函數(shù)V(X,N,n)等。

本文進(jìn)一步提出一種簡(jiǎn)單直觀的基于技術(shù)特征矩陣的目標(biāo)和約束函數(shù)確定方法。用技術(shù)特征-能力矩陣A作為約束函數(shù),其中Am、Ae、Av分別表示任務(wù)、環(huán)境、對(duì)抗能力,Aij表示第i項(xiàng)技術(shù)特征對(duì)第j項(xiàng)子能力的貢獻(xiàn)度。同時(shí)使用偏好向量Kmi表示對(duì)第i項(xiàng)子任務(wù)能力的偏好,sumKmi=1,Ke和Kv同理。目標(biāo)函數(shù)由技術(shù)特征-成本矩陣C表示,其中Cij表示第i項(xiàng)技術(shù)特征對(duì)第j項(xiàng)子成本的貢獻(xiàn)度。則數(shù)學(xué)規(guī)劃問(wèn)題可進(jìn)一步表示為

opt min[sum (-CT·X)]

(6)

4 驗(yàn) 證

為了驗(yàn)證提出方法的可行性和優(yōu)勢(shì),本文對(duì)美國(guó)海軍和俄羅斯空軍第六代戰(zhàn)斗機(jī)能力與技術(shù)特征進(jìn)行論證,圖3所示為方法的矩陣化與參數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系,其中式(2)～式(5)為形式化的方法原理公式,式(6)為矩陣化的計(jì)算公式。

圖3 方法的矩陣化與參數(shù)對(duì)應(yīng)Fig.3 Matrixing and parameter mapping

4.1 能力與偏好分析

根據(jù)美國(guó)海軍和俄羅斯空軍的情況論證其六代機(jī)需要具備的3類能力及偏好,即設(shè)置Km、Ke和Kv。美國(guó)海軍六代機(jī)將作為航母艦載機(jī),應(yīng)具備艦載機(jī)的多任務(wù)能力,而俄羅斯空軍的六代機(jī)應(yīng)以制空任務(wù)為主,且多部署于俄羅斯境內(nèi)縱深,因此設(shè)置能力項(xiàng)及偏好如表2所示。

表2 能力項(xiàng)及偏好

4.2 技術(shù)特征分析

根據(jù)美國(guó)海軍和俄羅斯空軍的情況分析當(dāng)前幾項(xiàng)熱門(mén)技術(shù)特征對(duì)六代機(jī)各項(xiàng)能力和成本的影響,生成技術(shù)特征-能力/成本矩陣,即設(shè)置Am、Ae、Av和C。如表3所示,其中，正值表示有貢獻(xiàn)；0表示無(wú)貢獻(xiàn)；負(fù)值表示有損害,例如A43=1表示雷達(dá)隱身技術(shù)對(duì)情報(bào)監(jiān)視偵查能力的貢獻(xiàn)度為1,后面將對(duì)各取值進(jìn)行具體分析。

表3 技術(shù)特征-能力/成本矩陣

4.2.1 變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)

變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)是戰(zhàn)斗機(jī)同時(shí)具備超音速巡航和大航程的關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)不能同時(shí)在低速和高速兩種狀態(tài)下均保持較好的性能,很難同時(shí)保證超音速巡航和大航程。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)動(dòng)態(tài)改變發(fā)動(dòng)機(jī)某些部件的幾何形狀、尺寸或位置來(lái)改變其熱力循環(huán),使得發(fā)動(dòng)機(jī)在各種速度包線范圍內(nèi),均具有較好的推力和油耗。變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)提升了戰(zhàn)斗機(jī)作戰(zhàn)半徑、巡航速度和留空時(shí)間,對(duì)環(huán)境能力中的縱深部署遠(yuǎn)程快速奔襲具有重要意義,對(duì)制空任務(wù)能力和對(duì)抗能力也有一定幫助。

4.2.2 定向能武器

定向能武器利用沿一定方向發(fā)射與傳播的高能射束攻擊目標(biāo),具有高速、高方向性、威力可控的特點(diǎn)。其威力在控制下可用于干擾、致盲敵方傳感器甚至直接造成物理破壞。其高速和高方向性對(duì)戰(zhàn)斗機(jī)制空任務(wù)能力和對(duì)抗能力有重大意義。目前的空中作戰(zhàn)火控與戰(zhàn)術(shù)都是基于速度和時(shí)間的,空空導(dǎo)彈等武器彈藥在空中飛行需要時(shí)間,目標(biāo)利用這個(gè)時(shí)間通過(guò)電子對(duì)抗和機(jī)動(dòng)進(jìn)行規(guī)避。而定向能武器一旦瞄準(zhǔn)則可以瞬間精確命中,攻防的關(guān)鍵因素變成了目標(biāo)跟蹤瞄準(zhǔn)和光電隱身。可見(jiàn)定向能武器將徹底改變空中作戰(zhàn)規(guī)則。

目前技術(shù)成熟度最高、剩余研發(fā)成本最低的定向能武器是激光武器,預(yù)期先后在戰(zhàn)斗機(jī)上實(shí)現(xiàn)激光干擾、激光自衛(wèi)打擊和激光對(duì)空打擊。2013年12月,美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室為六代機(jī)使用的激光武器發(fā)布信息征詢書(shū),包括用于干擾敵方傳感器的低功率激光干擾武器、用于摧毀來(lái)襲導(dǎo)彈的中功率激光自衛(wèi)武器,以及用于打擊敵方空中和地面目標(biāo)的高功率激光打擊武器等[9]。諾斯羅普·格魯曼公司提出的六代機(jī)概念方案中展示了激光擊毀來(lái)襲導(dǎo)彈的想法,并對(duì)波束控制和系統(tǒng)小型化進(jìn)行了深入研究,美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室希望在2019年將其設(shè)備搭載在戰(zhàn)斗機(jī)上進(jìn)行超音速飛行下的測(cè)試[10]。洛克希德·馬丁公司也通過(guò)研究實(shí)現(xiàn)了波束的360°全覆蓋[11]。對(duì)于激光對(duì)空打擊武器,面向不同目標(biāo)和搭載平臺(tái)的技術(shù)各有發(fā)展,用于助推段反導(dǎo)已經(jīng)比較成熟,美軍機(jī)載激光(airborne laser，ABL)項(xiàng)目將高能激光武器裝載在B747-400F飛機(jī)上,對(duì)剛剛發(fā)射處于助推段的彈道導(dǎo)彈進(jìn)行打擊[12]。然而激光武器對(duì)機(jī)動(dòng)飛機(jī)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)跟蹤,比對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡穩(wěn)定可預(yù)測(cè)的助推段彈道導(dǎo)彈要難得多;保證激光毀傷能量所需的武器設(shè)備和能源燃料體積也較大,搭載平臺(tái)從B747-400F換到戰(zhàn)斗機(jī),小型化技術(shù)也是一個(gè)難點(diǎn)。

但問(wèn)題是，這樣的多重迭加存在為什么也會(huì)發(fā)生坍縮呢？里奇認(rèn)為這個(gè)答案的根源在于人們喜歡用文字說(shuō)明照片的內(nèi)容和用標(biāo)題強(qiáng)調(diào)意義所指的明晰性。

4.2.3 隱身

第五代戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)具備了對(duì)火控雷達(dá)頻段的隱身,這對(duì)制空和對(duì)地打擊任務(wù)能力有重要意義,但其嚴(yán)苛的保障條件也影響了前沿部署和艦上部署能力,使用維護(hù)成本也很高。未來(lái)的雷達(dá)隱身技術(shù)重點(diǎn)在于降低隱身對(duì)載機(jī)傳感器使用、氣動(dòng)、載荷的影響及研發(fā)、生產(chǎn)、使用、維護(hù)的成本。其中一項(xiàng)重要技術(shù)是智能蒙皮,其將傳感器與集體外形更好地融合,減少了隱身外形與傳感器性能的沖突和內(nèi)耗。另一項(xiàng)重要技術(shù)是等離子隱身,其將飛機(jī)周圍空氣電離形成等離子層,對(duì)照射過(guò)來(lái)的雷達(dá)波一部分吸收、一部分沿機(jī)體向后方導(dǎo)流。將等離子隱身與傳統(tǒng)隱身配合使用,可以降低隱身對(duì)機(jī)體外形的苛刻要求。通過(guò)對(duì)等離子選頻,還可以靈活調(diào)整隱身頻段。

考慮到激光武器的快速發(fā)展,對(duì)激光武器的隱身也將成為提升戰(zhàn)斗機(jī)對(duì)抗能力的重要方面,主要是對(duì)抗激光武器的高精度跟蹤瞄準(zhǔn)系統(tǒng),包括光學(xué)和紅外隱身等技術(shù)。

4.2.4 智能輔助

智能輔助技術(shù)是指由機(jī)器智能輔助和替代飛行員操作,例如自動(dòng)起飛降落、自動(dòng)空中加油等,可以減少人為失誤和相應(yīng)的飛行員訓(xùn)練,極大降低時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本,是未來(lái)無(wú)人化作戰(zhàn)的必備技術(shù)。智能輔助技術(shù)對(duì)艦載機(jī)能力提升貢獻(xiàn)最大,主要有以下幾個(gè)原因:一是艦載機(jī)飛行員培養(yǎng)和維持成本高,例如需要花費(fèi)大量時(shí)間和金錢(qián)進(jìn)行著艦訓(xùn)練以保持技術(shù);二是飛行員駕機(jī)著艦難度大,難免出現(xiàn)復(fù)飛甚至事故,一旦復(fù)飛將延遲后續(xù)友機(jī),甚至不得不增加空中加油,而著艦事故引發(fā)的損失更大。美國(guó)DARPA的聯(lián)合無(wú)人空戰(zhàn)系統(tǒng)計(jì)劃中由諾斯羅普·格魯曼公司研發(fā)的X-47B艦載無(wú)人戰(zhàn)斗機(jī)已經(jīng)具備了在航母上起降、空中加油等能力[13]。美國(guó)海軍2017年將裝備首型艦載無(wú)人加油機(jī)MQ-25黃貂魚(yú)以把F/A-18E/F從伙伴加油任務(wù)中解放出來(lái)[14]。智能技術(shù)的基礎(chǔ)是綜合式航電系統(tǒng)提供的資源共享和多傳感器數(shù)據(jù)融合提供的信息共享,相關(guān)技術(shù)已受到行業(yè)廣泛關(guān)注[15]。雖然智能技術(shù)的水平短期內(nèi)還不能勝任制空作戰(zhàn)等復(fù)雜任務(wù),但在六代機(jī)上運(yùn)用智能輔助著艦和空中加油等技術(shù)可以大大減輕飛行員負(fù)擔(dān)、降低成本和事故率。

4.3 驗(yàn)證結(jié)果分析

基于以上分析數(shù)據(jù),按照式(6)進(jìn)行計(jì)算,對(duì)美國(guó)海軍和俄羅斯空軍第六代戰(zhàn)斗機(jī)能力與技術(shù)特征論證結(jié)果如圖4所示,其中雙方在各項(xiàng)技術(shù)特征上體現(xiàn)出差異,值越高說(shuō)明該項(xiàng)技術(shù)特征對(duì)該方六代機(jī)越重要。

圖4 美國(guó)海軍和俄羅斯空軍第六代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征Fig.4 Technical feature of sixth-generation fighters of US Navy and Russian Air Force

本文提出的方法克服了傳統(tǒng)方法的一系列缺點(diǎn)。首先,時(shí)效性更好,不依賴于樣本,無(wú)需等到新一代戰(zhàn)斗機(jī)出現(xiàn)后再借鑒學(xué)習(xí)其技術(shù)特征;第二,可解釋性強(qiáng),例如論證方法驗(yàn)證結(jié)果顯示智能輔助加油和著艦技術(shù)特征對(duì)美國(guó)海軍六代機(jī)很重要,這可由艦上部署的環(huán)境能力需求和技術(shù)優(yōu)勢(shì)(美軍MQ-25已具備該技術(shù))來(lái)解釋。第三,泛化性強(qiáng),論證結(jié)果顯示針對(duì)不同的對(duì)象可以得到相應(yīng)的結(jié)果,不會(huì)過(guò)擬合到同一個(gè)結(jié)果,例如美國(guó)海軍六代機(jī)偏向于智能輔助艦上起降和加油,而俄羅斯空軍則偏向于激光自衛(wèi)與打擊,各有偏重。

5 結(jié) 論

(1) 運(yùn)用數(shù)據(jù)科學(xué)的思想對(duì)傳統(tǒng)的基于逆向歸納的論證方法進(jìn)行分析,通過(guò)將其抽象建模后與機(jī)器學(xué)習(xí)方法類比,指出其應(yīng)用于新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證時(shí)將存在樣本依賴度高、時(shí)效性差、不可解釋、易過(guò)擬合等缺陷。

(2) 針對(duì)傳統(tǒng)方法的以上問(wèn)題,本文提出的基于數(shù)學(xué)規(guī)劃的新一代戰(zhàn)斗機(jī)技術(shù)特征論證方法,以任務(wù)、環(huán)境和對(duì)抗能力為約束,以成本為目標(biāo),通過(guò)數(shù)學(xué)規(guī)劃求解技術(shù)特征,可以較好地適用于下一代戰(zhàn)斗機(jī)能力和技術(shù)特征論證。

(3) 變循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)、激光自衛(wèi)和打擊武器、低成本雷達(dá)隱身、光電隱身、智能輔助艦上起降和加油等技術(shù)對(duì)第六代戰(zhàn)斗機(jī)任務(wù)、環(huán)境和對(duì)抗能力意義重大,是重點(diǎn)技術(shù)發(fā)展方向。