面向多任务场景的民用高速旋翼机方案综合评估方法.pdf
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1、沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Shenyang Aerospace University第40卷 第3期2 0 2 3 年 6 月Vol.40 No.3Jun.2 0 2 3面向多任务场景的民用高速旋翼机方案综合评估方法李雨轩1,肖洋洋1,崔骁1,李书1,牟晓伟2,吕乐丰2(1.北京航空航天大学 航空科学与工程学院,北京 100191;2.中国航空研究院 民用飞机技术研究部,北京 100029)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
2、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。关键词:民用航空;高速旋翼机;综合评估;层次分析法;多任务场景中图分类号:V219 文献标志码:Adoi:10
3、.3969/j.issn.2095-1248.2023.03.001A comprehensive evaluation method for civil high-speed rotorcraft schemes in multi-mission scenariosLI Yu-xuan1,XIAO Yang-yang1,CUI Xiao1,LI Shu1,MU Xiao-wei2,LYU Le-feng2(1.School of Aeronautic Science and Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2.Civil
4、 Aircraft Technology Research Department,Chinese Aeronautical Establishment,Beijing 100029,China)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 init
5、ial 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 mul
6、tiple 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 收稿日期:2023-03-03基金项目:工信部民机科研项目(项目编号:MJZ5-2N21)作者简介:李雨轩(2000-),男,湖南长沙人,硕士研究生,主要研究方向:飞机气动设计,E-mail:;李书(1965-),男,辽宁沈阳
7、人,教授,博士,主要研究方向:飞行器结构优化设计和飞行器结构动力学,E-mail;。文章编号:2095-1248(2023)03-0001-08航空宇航工程沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报第 40 卷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.Fin
8、ally,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
9、 high-speed rotorcvaft.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)
10、,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
11、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
12、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。2李雨轩,等:面向多任务
13、场景的民用高速旋翼机方案综合评估方法第 3 期1.2紧急救援任务场景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层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)是美国匹兹堡大学运筹学专家 Saaty
14、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,
15、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,各层级指表1科研勘探任务具体指标指标机型任务内容航程飞行时间飞行速度作业时间作业区域/海拔作业过程内载外载飞行高度内容某型高速旋翼机设备投放及运输1 000 km(直线距离700 km)2 h+30 min(作业)500 km/h
16、30 min南海西北部海域(0 m)飞赴作业区域,投下勘探设备1.5 t(包含勘探人员、设备等)2 t3 000 m表2紧急救援任务具体指标指标机型任务内容航程飞行时间飞行速度作业时间作业区域/海拔作业过程内载外载飞行高度内容某型高速旋翼机患者紧急救援1 000 km(直线距离700 km)2 h+20 min(作业)500 km/h20 min中国东部(550 m)携带设备及医护人员,紧急转运患者1.5 t(包含患者、医护人员、设备等)0 t3 000 m表3公务运输任务具体指标指标机型任务内容航程飞行时间飞行速度作业时间作业区域/海拔作业过程内载外载飞行高度内容某型高速旋翼机通航公务运输1
17、 000 km(直线距离700 km)2 h+30 min(作业)500 km/h30 min中国东部(550 m)公务运输1.5 t(包含乘客、行李、服务设施等)0 t3 000 m3沈 阳 航 空 航 天 大 学 学 报第 40 卷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
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