美軍戰斗機自動防撞系統研發概覽

宋珂珂　陳宇

近年來，美軍為加強飛行安全建設，減少墜機事故造成的裝備和人員損失，正在從半自動化的戰斗機防撞系統升級成自動防撞系統（ACAS）和一體化自動防撞系統（AJCAS），進一步提升各軍種戰斗機的安全系數。

兩種重大事故催生自動防撞系統

2006—2016年，美國海軍和海軍陸戰隊列裝的F/A-18“大黃蜂”戰斗機共發生40起事故，其中1 5起事故飛機墜毀，直接損失26億美元。其中的14起是由飛機半空相撞或者是“可控飛行撞地”（CFIT）事故，盡管這類事故比例只占35%，但是造成的損失卻高達50%，飛行員喪生的比例更是高達73%。

根據美國海軍安全中心2016年9月發布的數據顯示，2015—2016年，美國海軍有5架F/A-18戰斗機墜毀，3名飛行員因可控飛行撞地事故喪生。為避免類似事故，飛行員需要小心計劃飛行路線，美國海軍也研發了大量的輔助系統來降低事故概率，但是CFIT事故仍然是戰斗機和飛行員損失的最主要原因。

據美國飛機工業協會（AIAA）2004年出版的《航空定向力障礙》一書介紹，CFIT事故是指發生在飛機受控狀態下，但是最終仍然撞到地面、山峰、水面或障礙物，而且災難的發生沒有任何預先征兆。這一定義顯示，當飛行員意識到將到發生空中碰撞時，已經來不及做出有效的反應。美國聯邦航空局（FAA）和國際航空協會也認為，CFIT事故是民航相撞事故的第二大原因，在美國乃至全世界范圍內時常發生。盡管飛機失控是造成墜毀的第一大原因，但也是最近才超過CFIT事故的比例。

美國國防部“航空安全改革任務部隊”擬制的《2004年戰斗機/攻擊機自動防撞系統案例研究報告》，也清晰地指明了CFIT事故的危害。報告透露美國國防部認為CFIT事故是造成部隊生命、財產和作戰能力損失的首要因素，可控飛行撞地導致的事故總是導致機毀人亡的結局，對飛行機組而言最為致命。

美軍認為，空中相撞與CFIT事故略有不同，是非常特殊的軍事難題，而且發生的概率非常高。1998年，美國聯邦航空局的一份報告顯示，民航的空中相撞事故排名事故比例首位，而軍用飛機空中相撞導致事故的比例僅排在第十位。但是到了2004年，空中相撞已經成為戰斗機墜毀的第五大事故原因。美軍戰斗機部隊犧牲的飛行員有28%死于空中相撞和CFIT事故，墜毀的飛機有22%是由空中相撞和CFIT共同導致。

如此之高的比例可謂觸目驚心，美軍為此展開了細致的研究，力圖尋找事故根源，以便推出改進措施，大幅降低此類事故比例，從根本上解決飛行員和戰斗機損失的問題。

半自動化系統難以根本解決問題

美軍通過大量分析研究認為，空中相撞和CFIT事故的原因主要是由于飛行員的生理限制。一般而言，CFIT事故都是飛行員的飛行空間定向障礙導致，發生災難時飛行員由于注意力局限造成態勢感知（SA）喪失。注意力局限又是所有機組人員共同面對的問題，也是空中相撞的主要原因。相應地，美軍發展了能夠提醒飛行員面臨危險的機載系統，使機組人員提高注意力，重建態勢感知，及時操控飛機避免事故。

近幾十年來，美軍研發了多種型號的空中防撞系統，比如利用視覺原理的報警燈或平視顯示器（HUD），在HUD上顯示“拉起”（pull-up）、“注意地形”（terrain）的提示，或者是一個向上的箭頭。視覺提示之外，通常還伴有語音提示，提醒飛行員快速拉起飛機。但是，有觀點認為很多空難中黑匣子的錄音顯示，每次聽到pull up的提示就基本宣告這架飛機死亡了，甚至是pull up剛剛響起就結束飛行記錄了。等于告訴地面空管和周圍飛機，該飛機遇險失事，因此認為空中防撞提示是“雞肋”。

不過，盡管有不同的觀點，這些提示系統還是大量整合到現代作戰飛機的航電系統，其中又包括低空告警（LAW）、接近地面告警（GPWS）、地形規避告警（TAWS）和地面防撞系統（GCAS）。低空告警系統相對簡單，其核心部件是雷達測高計，飛行員根據自身的特點選擇啟動告警的臨界海拔高度，以便及時操控飛機規避地形。地形規避告警和地面防撞系統更為復雜，核心部件是機載慣性制導系統，外加GPS導航系統和全局地形雷達系統（或是數字化地形海拔數據測算系統），提供一系列不同的告警提示，包括低空告警和平顯提示，為飛行員恢復態勢感知提供全方位的精確指示。但是，這些系統仍然需要飛行員輸入海拔臨界值，也就是還需要人為參與才能解決問題。因此，半自動化的系統并不能完全解決人類注意力局限的問題。

在“可控飛行撞地”事故預防上，美國同樣研發系統提醒機組，防止與附近的飛機相撞?？罩薪煌ǚ雷哺婢到y（TCAS）實時提供附近飛機的精確的航程、方位角、海拔信息，裝備該系統的飛機有一部海拔高度發射機應答器，向機組人員提供多種語音和視覺提示。盡管TCAS主要用來滿足民航的安全需求，美國海軍和海軍陸戰隊戰術飛機并沒有這樣的需求。但是毫無疑問，這些技術積累為美軍降低事故概率提供了可能，比如，F/A-18戰斗機的地形規避告警系統，自從安裝以來就明顯降低了CFIT事故概率。但是，“可控飛行撞地”事故仍在接連發生，這就刺激美軍開發更先進的系統，進一步降低事故概率。

自動化防撞系統原理研究

飛行員的駕駛操控時做出有效反應一般分為三步，第一步是必須認識提示信息并做出正確反應，第二步是將正確的反應轉化為“運動反應”，最后還要將運動反應轉化成操控動作，比如操縱桿和油門，理論上需要230～250毫秒。在第一步中，可能會出現多個提示，都需要大腦反應，第二和第三步也需要飛行員熟練掌握飛機的所有操控動作，綜合因素影響之下，反應時間就會延長，受空間定向障礙影響，反應時間還會進一步增加。美軍的低空預警操作時間是750毫秒，“運動反應”時間要求為500毫秒，在這之內要能夠觸碰到所有盲區內的按鈕或操縱桿，因此對飛行員提出了極高的要求。

即使以最短的250毫米計算，飛機在飛行員反應時間里以480節（889千米/時）、30度俯角的速度飛行（典型的俯沖轟炸模式），飛行高度就下降了30米，到飛機拉起時已經下降了90米。如果是兩架戰斗機以450節（833千米/時）的速度飛行（典型的視距內狗斗模式），四分之一秒的時間就接近了106米，還是非常容易發生碰撞事故。

在事故等級劃分方面，美軍規定造成200萬美元損失或發生亡人、終身殘疾的事故為A級事故。據美國海軍案例中心統計，1985年至今，美國海軍和海軍陸戰隊共計發生1172起A級事故，其中193起是發生在各種型號的F/A-18“大黃蜂”戰斗機上，損失了185架飛機、有86名機組人員喪生。其中，CFIT事故損失了34架飛機和26名飛行員，空中相撞事故損失了38架飛機和28名飛行員，合計在“大黃蜂”所有A級事故中所占比例為40%的飛機和63%的人員，遠遠高于美軍整體事故中CFIT和空中相撞的損失比例（22%的飛機和28%的人員）。

F/A-18（A/B型和C/D型）“大黃蜂”戰斗機機隊的平均飛行小時QqT事故率是每16萬小時損失1架飛機，空中相撞事故率是每23萬小時損失1架，兩者綜合就是9.75萬小時損失1架飛機。按機隊年均飛行3萬小時計算，7年時間因這兩類事故至少要損失兩架飛機。而F/A-18E/F“超級大黃蜂”戰斗機機隊的事故比例大大低于這個數字。該機型研發運行120萬飛行小時的歷史中只發生了一起CFIT事故。在過去的6年里，機隊年平均飛行12.9萬小時或稍多，空中相撞事故率是每12.8萬小時一起。如果今后“超級大黃蜂”年飛行小時數不變，則空中相撞將導致平均每年至少損失一架飛機。

未來，“大黃蜂”系列戰斗機還要減少因生理因素造成的事故，比如意識喪失（G-LOC）、缺氧、空間定向障礙等。1985年以來，已經有14架F/A-18因飛行員生理因素墜毀。盡管不是典型的CFIT類事故，但是其中兩起是由于意識喪失造成的CFIT，同樣導致機毀人亡。這一組數據表明，更先進的機型由于機載航電系統更加先進，事故概率也會下降，這就促使美國海軍引入更先進的自動化防撞系統來解決問題。

自動化防撞系統

美軍的自動防撞系統已經發展了30多年，美國空軍發展的自動地面防撞系統（AGCAS）就是其中非常普遍的一種。AGCAS由空軍研究實驗室、洛克希德一馬丁公司在NASA的研發驗證項目基礎上開發，可以使撞地事故降低90%。自動防撞系統開發的3個基本原則是“不危害”、“不干擾”和“防止碰撞”。其中，“不危害”確保AGCAS將與現有的F-16子系統一同工作，不會引起任何不可預見的問題，可以確保系統不會妨礙使用限制，避免潛在干擾導致事故?！安桓蓴_”原則要求AGCAS不會妨礙飛行員執行戰術任務。“防止碰撞”主要評估AGCAS避免發生CFIT事故的能力。

AGCAS是一種基于軟件的挽救飛機技術，通過采用機載數字地形測繪數據、強大的地形掃描模式和防撞周期算法來監控飛行軌跡，預測即將發生的撞擊地面狀態，在最后時刻自動執行規避機動，主要的算法由軌跡預測算法（TPA）、地形掃描算法、碰撞評估程序和飛行控制耦合等4個主要部分組成。

具體而言，AGCAS能夠不斷地將戰斗機的飛行軌跡與從機載數字式地面海拔數據庫產生的地形剖面進行比較，確定是否存在即將發生的碰撞。如果探測到飛機將要撞到地面時，系統開始進行規避軌跡的預測，包括持續評估各種規避類型和機動能力，而碰撞評估程序自動地調整掃描/跟蹤剖面，以適應最恰當的威脅想定。接下來系統發出一個規避指令，如果飛行員沒有立即采取措施，系統將自動地獲取控制權臨時接管飛機，通過數字式電傳操縱系統執行一個自動恢復機動來保護機組人員。系統自動恢復機動的動作是緊急滾轉加上一個過載5的拉升，直到確認地形安全，再把飛機的飛行控制權限交還給飛行員。

美國空軍表示，AGCAS已經從2014年10月開始陸續安裝到愛德華茲空軍基地、猶他州希爾空軍基地和肖恩空軍基地的F-16 Block 40/50和F-22等多種機型，列裝一年多就已經4次避免了F-16戰斗機的撞地事故，預計在F-16機隊剩余的服役期內還將拯救10名飛行員和多達14架飛機，能夠因此節省5.3億美元。作為“增量3.2C”升級項目的重要內容之一，美國空軍從2015年開始將AGCAS陸續配備到F-22A戰斗機，有效地避免了“猛禽”此前因飛行員“缺氧”等問題導致的機毀人亡。未來，AGCAS安全性升級項目還要整合到F-35聯合攻擊機上，希爾空軍基地的奧格登空軍后勤綜合體將負責升級工作。另外，美國空軍也在發展自動空中防撞系統（AACAS），運用機載傳感器信息和空中交通信息，通過數據鏈的傳輸，進行自動防撞機動，同樣是緊急滾轉加上拉升。美國空軍還計劃將AACAS與AGCAS兩大系統整合，最終形成一體化自動防撞系統（AICAS）。

自動防撞系統將為美軍帶來豐厚的回報。早在2003年，美國國防部就制訂了減少飛行事故50%的目標，2006年國防部安全調查委員會發布的《戰斗/攻擊機自動防撞系統案例》也對當時的四種主力機型F-22、F-35F-16和F/A-18的防撞系統建設進行了分析和規劃。通過分析此前14年的歷史數據，美軍計算出因避免F-16發生事故而節約的經費與防撞系統成本比值為1.7：1。美國空軍研究實驗室近期的研究發現，AGCAS的回報率已經上升到了3.0：1——研發與列裝成本6000萬美元，2014年“拯救”了4架戰斗機，一架F-16的價值約4500萬美元。海軍據此得出F/A-18預計的回報率高達7：1——研發與列裝成本9180萬美元，但是在2014年以來已經有5架“大黃蜂”因CFIT事故墜毀，5名飛行員喪生。

根據美國海軍安全中心的數據，F/A-18安裝TAWS系統之后CFIT事故有所下降，但是10年來每10萬飛行小時仍有0.42架飛機因CFIT墜毀，比全壽命周期內的墜毀0.54架僅有微小下降，避免事故還是要靠更先進的AGCAS。盡管2006年的國防部報告沒有給出F/A-18采用AGCAS的成本分析，但是，按F-16的5000萬美元計算，也能實現1，1：1的收益，AICAS每7年能夠拯救10架飛機。美國海軍也傾向于引進AICAS，從而保護更多的戰機和寶貴的海軍飛行員。

編輯：石堅