面向巡逻阵位保持的空中加油管理时空协同方法

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28438

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面向巡逻阵位保持的空中加油管理时空协同方法

吴傲¹, 李寰宇¹(), 高杨军¹, 岳龙飞¹, 崔娅婕², 杨任农¹

^1.空军工程大学空管领航学院，西安　710051
^2.中国西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室，西安　710000

收稿日期:2022-12-28 修回日期:2023-02-16 接受日期:2023-04-24 出版日期:2023-10-25 发布日期:2023-04-28
通讯作者: 李寰宇 E-mail:lihuanyu1984@163.com

Time-space coordination method for air refueling management for combat air patrol position maintenance

Ao WU¹, Huanyu LI¹(), Yangjun GAO¹, Longfei YUE¹, Yajie CUI², Rennong YANG¹

^1.Air Traffic Control and Navigation College，Air Force Engineering University，Xi’an 　710051，China
^2.State Key Laboratory of Astronautic Dynamics，China Xi’an Satellite Control Center，Xi’an 　710000，China

Received:2022-12-28 Revised:2023-02-16 Accepted:2023-04-24 Online:2023-10-25 Published:2023-04-28
Contact: Huanyu LI E-mail:lihuanyu1984@163.com

摘要/Abstract

摘要：

针对高强度对抗下的长周期空中战斗巡逻阵位保持问题，提出了一种面向巡逻阵位保持的空中加油管理时空协同方法。首先，基于长周期战斗巡逻阵位保持的任务需求，综合考虑空中战斗巡逻的任务效果和任务效率，提出了包括战斗机轮转、加油机轮转在内的多个加油管理子任务的时空协同模型；其次，建立了包括装备兵力需求、机场出动频次、持续飞行时长、起飞载荷配置等4类目标在内的综合任务目标模型，以及面向任务效能的方案效能评价模型；在此基础上，通过多目标优化算法实现加油管理时空协同的可行解计算；最后，对典型任务情景下，影响加油管理时空协同效能的关键要素进行了具体仿真分析。实验结果表明：提出的空中加油管理模型，能够针对给定的战斗巡逻任务需要，生成合理可行的时空协同加油管理方案，有效支持长周期的空中战斗巡逻阵位保持。相比没有加油支持的空中战斗巡逻方案，在提出的时空协同管理方法支持下，给定兵力能够满足更复杂任务需求下的长周期战斗巡逻任务，并且兵力需求能够减少37.5%，机场使用强度降低62.5%，战斗机最小起飞燃油量降低54.3%，综合任务效能提升47.3%。

关键词: 战斗巡逻, 空中加油, 战斗管理, 时空协同

Abstract:

To address the problem of long-cycle Combat Air Patrol （CAP） position maintenance in high-intensity confrontation， a time-space coordination method for air refueling management for CAP position maintenance is proposed. Firstly， based on the task requirements of long-cycle CAP position maintenance， a time-space coordination model for multiple refueling management sub-tasks including fighters rotation and tanker rotation are proposed with a comprehensive consideration of the mission effectiveness and efficiency of CAP. Secondly， a comprehensive mission objective model including four types of objectives of force requirements， airfield sortie frequency， sustained flight duration， and takeoff load configuration is established，and a program effectiveness evaluation model oriented to mission effectiveness are established. On this basis， the feasible solution of time-space cooperative refueling management is calculated by multi-objective optimization algorithm.Finally， the key elements affecting the effectiveness of time-space synergy in refueling management in typical mission scenarios are analyzed with a simulation. The experimental results show that the proposed air refueling management model can generate a reasonable and feasible time-space cooperative refueling management solution for a given CAP mission， and effectively support the long-cycle CAP position maintenance. Compared with the scenario without refueling support， with the time-space collaborative management approach proposed in the paper， the given force can meet the long-period combat patrol mission with more complex mission requirements， and the force requirement can be reduced by 37.5%， the airfield usage intensity can be reduced by 62.5%， the minimum takeoff fuel quantity of fighters can be reduced by 54.3%， and the overall mission effectiveness can be improved by 47.3%.

Key words: combat air patrol, air refueling, battle management, time-space coordination

中图分类号:

V279⁺.3

吴傲, 李寰宇, 高杨军, 岳龙飞, 崔娅婕, 杨任农. 面向巡逻阵位保持的空中加油管理时空协同方法[J]. 航空学报, 2023, 44(20): 628438-628438.

Ao WU, Huanyu LI, Yangjun GAO, Longfei YUE, Yajie CUI, Rennong YANG. Time-space coordination method for air refueling management for combat air patrol position maintenance[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(20): 628438-628438.

图/表 32

图1

图 2

图 3

图 4

图 5

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图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

表 1

模型参数

序号	参数	符号	数值
1	战斗机油箱容量/kg	$O f 0$	5 000
2	加油机油箱容量/kg	$O t 0$	90 000
3	战斗机巡航速度/（km·h^-1）	$v f h$	900
4	战斗机巡逻速度/（km·h^-1）	$v f l$	900
5	战斗机受油速度/（km·h^-1）	$v f s$	600
6	战斗机巡航耗油率/（kg·h^-1）	$α f h$	1 800
7	战斗机巡逻耗油率/（kg·h^-1）	$α f l$	1 800
8	战斗机受油耗油率/（kg·h^-1）	$α f s$	1 800
9	加油机速度/（km·h^-1）	$v t$	600
10	加油机耗油率/（kg·h^-1）	$α t$	6 000
11	加油机输油管数	$n s$	2
12	加油机输油速度/（kg·min^-1）	$α a$	1 500
13	战斗机受油对接脱离时间/min	$t d t$	2
14	CAP保持时长/h	$α f h$	8
15	CAP在岗兵力/架	$α f h$	8
16	战斗机机场与CAP距离/km	$d f$	800
17	加油机机场与CAP距离/km	$d t$	800
18	加油机机场与CAP方位角/（°）	$a t$	30
19	战斗机机场兵力数量/架	$n 1 j$	48
20	战斗机机场保障能力/（架次/8 h）	$n 1 c$	96
21	加油机机场兵力数量/架	$n 2 j$	16
22	加油机机场保障能力/（架次/8 h）	$n 2 c$	32
23	战斗机最长在空时间/h	$t f m a x$	6
24	加油机最长在空时间/h	$t t m a x$	6
25	战斗机再次出动准备时间/h	$t f ⁃ p r e$	2
26	加油机再次出动准备时间/h	$t t ⁃ p r e$	2
27	飞机安全燃油比率	$η s a f e$	0.1

表 1

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

表 2

表 3

图 21

图 22

图 23

图 24

表 4

图 25

图 26

图 27

图 28

参考文献 28

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任务效能	飞机数量/架	飞机出动架次	战斗机编队数量/支	战斗机编队出动批次	加油机数量/架	加油机出动架次	在岗保障加油机数量/架	在岗保障加油机出动架次
1.449 4	35	36	4	4	3	4	3	4
在岗保障加油机返回机场的剩余燃油比率	来途保障加油机数量/架	来途保障加油机出动架次	回途保障加油机数量/架	回途保障加油机出动架次	开始加油空域	结束加油空域	开始燃油比率	结束燃油比率
0.202 2	0	0	0	0	399.141 5	150	0.261 2	0.850 0
战斗机来途是否加油	战斗机回途是否加油	最小战斗机起飞燃油比率	战斗机一次出动时长/h	战斗机一次出动巡逻时长/h	战斗机一次出动到岗次数	战斗机编队一次受油时间/h	战斗机编队受油距离/km	战斗机编队一次受油量/km
否	否	0.421 5	4.992 4	1.025 4	2	0.412 5	249.141 5	25 727.593 7
组内出动间隔/h	组间出动间隔/h	战斗机编队出动批次	加油机在岗保障周期/h	加油机在岗保障周期耗油量/kg	加油机来回路途耗油量/kg	加油机一次出动在岗保障次数	加油机一次出动时长/h	加油机出动间隔/h
1.025 4	4.101 6	4	1.025 4	31 879.951 6	11 705.133 6	2	3.391 5	2.050 8

典型兵力搭配	加油机典型油量/kg	战斗机典型油量/kg
有人加油机-有人战斗机	90 000、70 000	10 000、12 000
有人加油机-无人战斗机	40 000	7 000
无人加油机-有人战斗机	15 000	5 000
无人加油机-无人战斗机	15 000	3 000

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