图1为4种不同数量的多机编队结构示意图。
图1不同数量的多机编队结构示意图
1、飞机协同编队飞行的定义和优势
多机协同编队飞行是将多架具有自主功能的飞机按照一定的结构形式进行三维空间排列,使其在飞行过程中保持稳定的队形,并能根据外部情况和任务需求进行动态调整,以体现整个机群的协同一致性。
在军事侦察、目标打击、通信中继、电子对抗、战场评估和骚扰诱惑等方面,飞机协同编队飞行可以提高单次完成任务的效率。如在目标打击任务中,飞机协同编队飞行可使更多战斗型飞机同时从不同角度对同一目标进行全方位攻击,扩大命中范围,提高杀伤力和命中率;也可以同时对多个地方目标实施攻击,扰乱敌方防空体系,提高战斗的时效性;而在执行侦察任务时,通过调整侦察设备(如相机)在飞机上的工作角度,飞机协同编队可使机群在较短时间(相对于单架飞机执行相同任务所需时间而言)内完成对目标全方位立体拍照的任务。
2、飞机协同编队飞行的队形设计
多机的协同编队飞行队形设计是整个编队飞行任务中需要解决的重要问题之一。合理的队形设计,将有利于节省飞机飞行中的能量消耗,延长飞行距离,同时还可增强飞行安全。而如何在计算量最小的条件下快速形成最佳队形结构,是队形设计问题的关键所在。
R. O. Saber等从编队队形快速定位和队形稳定的角度出发,提出了基于二维空间的虚拟长机和几何中心的编队结构,如图2有所增加,但更接近于实际情况。从降低单架飞机的计算量角度考虑, D. M. Stipanovic等提出了分散重叠编队方式以及J.Walls等研究了最邻近目标和最快目标两种编队跟随策略如图3所示,但后者因为其队形结构能够进行任务规划的重构,所以更具有发展前景。另外,针对编队用途(如空中侦察或加油等)、编队数量、应用环境(如城市、森林、海洋以及地方区域的环境)和编队形状的不同,采用何种方式的队形结构才能即达到节省燃油,又顾全安全要求的目的,许多科研人员都在进行深入研究,如A.Lucas等分析了不同数量、不同机型的多机编队队形结构问题; K. K.Madhava等则根据地方环境的不同,建立可动态调整的编队模型。
图2虚拟长机结构方式和编队几何中心方式
图3两种编队策略
图4各种队形的编队飞行
各种常见的飞机协同编队飞行结构(“十字架形”、“超天平形”、“人字形”、“镖形”和“三角形”等)如图4所示。
3、飞机协同编队飞行队形的动态调整
结合飞机协同编队飞行的需求,研究人员分别从以下几个不同角度探讨了多机协同编队飞行队形的动态调整所应具备的一些性能:如G.Wagner等从节省燃油的角度,研究了定时按顺序调整编队中前后端位置上飞机的方法,如图5(a)所示,达到节省油耗,延长巡航时间的目的。中国科学研究院从飞行的突发事件角度,研究了怎样对编队飞行中的个体实现随时补充,或进行整体的重新配置的方法,如图6(b)和图7所示,力求降低任务风险。R. O. Saber等则进一步从完成任务的灵活性和安全性角度展开研究,将编队中的每架飞机视为刚体,通过图形理论法研究,当编队飞行汇总任务目标发生改变,或遇到威胁物时,实时改变多飞机编队的集合形状,如图7所示,达到编队组网的多目的性和多任务性。