宋珂珂　陳宇

近年來，美軍為加強(qiáng)飛行安全建設(shè)，減少墜機(jī)事故造成的裝備和人員損失，正在從半自動(dòng)化的戰(zhàn)斗機(jī)防撞系統(tǒng)升級(jí)成自動(dòng)防撞系統(tǒng)（ACAS）和一體化自動(dòng)防撞系統(tǒng)（AJCAS），進(jìn)一步提升各軍種戰(zhàn)斗機(jī)的安全系數(shù)。

兩種重大事故催生自動(dòng)防撞系統(tǒng)

2006—2016年，美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)列裝的F/A-18“大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)共發(fā)生40起事故，其中1 5起事故飛機(jī)墜毀，直接損失26億美元。其中的14起是由飛機(jī)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(dá)50%，飛行員喪生的比例更是高達(dá)73%。

根據(jù)美國海軍安全中心2016年9月發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2015—2016年，美國海軍有5架F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)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(jì)劃飛行路線，美國海軍也研發(fā)了大量的輔助系統(tǒng)來降低事故概率，但是CFIT事故仍然是戰(zhàn)斗機(jī)和飛行員損失的最主要原因。

據(jù)美國飛機(jī)工業(yè)協(xié)會(huì)（AIAA）2004年出版的《航空定向力障礙》一書介紹，CFIT事故是指發(fā)生在飛機(jī)受控狀態(tài)下，但是最終仍然撞到地面、山峰、水面或障礙物，而且災(zāi)難的發(fā)生沒有任何預(yù)先征兆。這一定義顯示，當(dāng)飛行員意識(shí)到將到發(fā)生空中碰撞時(shí)，已經(jīng)來不及做出有效的反應(yīng)。美國聯(lián)邦航空局（FAA）和國際航空協(xié)會(huì)也認(rèn)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(nèi)時(shí)常發(fā)生。盡管飛機(jī)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(wù)部隊(duì)”擬制的《2004年戰(zhàn)斗機(jī)/攻擊機(jī)自動(dòng)防撞系統(tǒng)案例研究報(bào)告》，也清晰地指明了CFIT事故的危害。報(bào)告透露美國國防部認(rèn)為CFIT事故是造成部隊(duì)生命、財(cái)產(chǎn)和作戰(zhàn)能力損失的首要因素，可控飛行撞地導(dǎo)致的事故總是導(dǎo)致機(jī)毀人亡的結(jié)局，對(duì)飛行機(jī)組而言最為致命。

美軍認(rèn)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(fā)生的概率非常高。1998年，美國聯(lián)邦航空局的一份報(bào)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(jī)空中相撞導(dǎo)致事故的比例僅排在第十位。但是到了2004年，空中相撞已經(jīng)成為戰(zhàn)斗機(jī)墜毀的第五大事故原因。美軍戰(zhàn)斗機(jī)部隊(duì)犧牲的飛行員有28%死于空中相撞和CFIT事故，墜毀的飛機(jī)有22%是由空中相撞和CFIT共同導(dǎo)致。

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

半自動(dòng)化系統(tǒng)難以根本解決問題

美軍通過大量分析研究認(rèn)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(dǎo)致，發(fā)生災(zāi)難時(shí)飛行員由于注意力局限造成態(tài)勢(shì)感知（SA）喪失。注意力局限又是所有機(jī)組人員共同面對(duì)的問題，也是空中相撞的主要原因。相應(yīng)地，美軍發(fā)展了能夠提醒飛行員面臨危險(xiǎn)的機(jī)載系統(tǒng)，使機(jī)組人員提高注意力，重建態(tài)勢(shì)感知，及時(shí)操控飛機(jī)避免事故。

近幾十年來，美軍研發(fā)了多種型號(hào)的空中防撞系統(tǒng)，比如利用視覺原理的報(bào)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(gè)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(jī)。但是，有觀點(diǎn)認(rèn)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(jī)死亡了，甚至是pull up剛剛響起就結(jié)束飛行記錄了。等于告訴地面空管和周圍飛機(jī)，該飛機(jī)遇險(xiǎn)失事，因此認(rèn)為空中防撞提示是“雞肋”。

不過，盡管有不同的觀點(diǎn)，這些提示系統(tǒng)還是大量整合到現(xiàn)代作戰(zhàn)飛機(jī)的航電系統(tǒng)，其中又包括低空告警（LAW）、接近地面告警（GPWS）、地形規(guī)避告警（TAWS）和地面防撞系統(tǒng)（GCAS）。低空告警系統(tǒng)相對(duì)簡單，其核心部件是雷達(dá)測(cè)高計(jì)，飛行員根據(jù)自身的特點(diǎn)選擇啟動(dòng)告警的臨界海拔高度，以便及時(shí)操控飛機(jī)規(guī)避地形。地形規(guī)避告警和地面防撞系統(tǒng)更為復(fù)雜，核心部件是機(jī)載慣性制導(dǎo)系統(tǒng)，外加GPS導(dǎo)航系統(tǒng)和全局地形雷達(dá)系統(tǒng)（或是數(shù)字化地形海拔數(shù)據(jù)測(cè)算系統(tǒng)），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(fù)態(tài)勢(shì)感知提供全方位的精確指示。但是，這些系統(tǒng)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(dòng)化的系統(tǒng)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(yù)防上，美國同樣研發(fā)系統(tǒng)提醒機(jī)組，防止與附近的飛機(jī)相撞。空中交通防撞告警系統(tǒng)（TCAS）實(shí)時(shí)提供附近飛機(jī)的精確的航程、方位角、海拔信息，裝備該系統(tǒng)的飛機(jī)有一部海拔高度發(fā)射機(jī)應(yīng)答器，向機(jī)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(zhàn)隊(duì)?wèi)?zhàn)術(shù)飛機(jī)并沒有這樣的需求。但是毫無疑問，這些技術(shù)積累為美軍降低事故概率提供了可能，比如，F(xiàn)/A-18戰(zhàn)斗機(jī)的地形規(guī)避告警系統(tǒng)，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(fā)生，這就刺激美軍開發(fā)更先進(jìn)的系統(tǒng)，進(jìn)一步降低事故概率。

自動(dòng)化防撞系統(tǒng)原理研究

飛行員的駕駛操控時(shí)做出有效反應(yīng)一般分為三步，第一步是必須認(rèn)識(shí)提示信息并做出正確反應(yīng)，第二步是將正確的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為“運(yùn)動(dòng)反應(yīng)”，最后還要將運(yùn)動(dòng)反應(yīng)轉(zhuǎn)化成操控動(dòng)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(huì)出現(xiàn)多個(gè)提示，都需要大腦反應(yīng)，第二和第三步也需要飛行員熟練掌握飛機(jī)的所有操控動(dòng)作，綜合因素影響之下，反應(yīng)時(shí)間就會(huì)延長，受空間定向障礙影響，反應(yīng)時(shí)間還會(huì)進(jìn)一步增加。美軍的低空預(yù)警操作時(shí)間是750毫秒，“運(yùn)動(dòng)反應(yīng)”時(shí)間要求為500毫秒，在這之內(nèi)要能夠觸碰到所有盲區(qū)內(nèi)的按鈕或操縱桿，因此對(duì)飛行員提出了極高的要求。

即使以最短的250毫米計(jì)算，飛機(jī)在飛行員反應(yīng)時(shí)間里以480節(jié)（889千米/時(shí)）、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(jī)拉起時(shí)已經(jīng)下降了90米。如果是兩架戰(zhàn)斗機(jī)以450節(jié)（833千米/時(shí)）的速度飛行（典型的視距內(nèi)狗斗模式），四分之一秒的時(shí)間就接近了106米，還是非常容易發(fā)生碰撞事故。

在事故等級(jí)劃分方面，美軍規(guī)定造成200萬美元損失或發(fā)生亡人、終身殘疾的事故為A級(jí)事故。據(jù)美國海軍案例中心統(tǒng)計(jì)，1985年至今，美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)共計(jì)發(fā)生1172起A級(jí)事故，其中193起是發(fā)生在各種型號(hào)的F/A-18“大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)上，損失了185架飛機(jī)、有86名機(jī)組人員喪生。其中，CFIT事故損失了34架飛機(jī)和26名飛行員，空中相撞事故損失了38架飛機(jī)和28名飛行員，合計(jì)在“大黃蜂”所有A級(jí)事故中所占比例為40%的飛機(jī)和63%的人員，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于美軍整體事故中CFIT和空中相撞的損失比例（22%的飛機(jī)和28%的人員）。

F/A-18（A/B型和C/D型）“大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)隊(duì)的平均飛行小時(shí)QqT事故率是每16萬小時(shí)損失1架飛機(jī)，空中相撞事故率是每23萬小時(shí)損失1架，兩者綜合就是9.75萬小時(shí)損失1架飛機(jī)。按機(jī)隊(duì)年均飛行3萬小時(shí)計(jì)算，7年時(shí)間因這兩類事故至少要損失兩架飛機(jī)。而F/A-18E/F“超級(jí)大黃蜂”戰(zhàn)斗機(jī)機(jī)隊(duì)的事故比例大大低于這個(gè)數(shù)字。該機(jī)型研發(fā)運(yùn)行120萬飛行小時(shí)的歷史中只發(fā)生了一起CFIT事故。在過去的6年里，機(jī)隊(duì)年平均飛行12.9萬小時(shí)或稍多，空中相撞事故率是每12.8萬小時(shí)一起。如果今后“超級(jí)大黃蜂”年飛行小時(shí)數(shù)不變，則空中相撞將導(dǎo)致平均每年至少損失一架飛機(jī)。

未來，“大黃蜂”系列戰(zhàn)斗機(jī)還要減少因生理因素造成的事故，比如意識(shí)喪失（G-LOC）、缺氧、空間定向障礙等。1985年以來，已經(jīng)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(shí)喪失造成的CFIT，同樣導(dǎo)致機(jī)毀人亡。這一組數(shù)據(jù)表明，更先進(jìn)的機(jī)型由于機(jī)載航電系統(tǒng)更加先進(jìn)，事故概率也會(huì)下降，這就促使美國海軍引入更先進(jìn)的自動(dòng)化防撞系統(tǒng)來解決問題。

自動(dòng)化防撞系統(tǒng)

美軍的自動(dòng)防撞系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展了30多年，美國空軍發(fā)展的自動(dòng)地面防撞系統(tǒng)（AGCAS）就是其中非常普遍的一種。AGCAS由空軍研究實(shí)驗(yàn)室、洛克希德一馬丁公司在NASA的研發(fā)驗(yàn)證項(xiàng)目基礎(chǔ)上開發(fā)，可以使撞地事故降低90%。自動(dòng)防撞系統(tǒng)開發(fā)的3個(gè)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(xiàn)有的F-16子系統(tǒng)一同工作，不會(huì)引起任何不可預(yù)見的問題，可以確保系統(tǒng)不會(huì)妨礙使用限制，避免潛在干擾導(dǎo)致事故?！安桓蓴_”原則要求AGCAS不會(huì)妨礙飛行員執(zhí)行戰(zhàn)術(shù)任務(wù)?！胺乐古鲎病敝饕u(píng)估AGCAS避免發(fā)生CFIT事故的能力。

AGCAS是一種基于軟件的挽救飛機(jī)技術(shù)，通過采用機(jī)載數(shù)字地形測(cè)繪數(shù)據(jù)、強(qiáng)大的地形掃描模式和防撞周期算法來監(jiān)控飛行軌跡，預(yù)測(cè)即將發(fā)生的撞擊地面狀態(tài)，在最后時(shí)刻自動(dòng)執(zhí)行規(guī)避機(jī)動(dòng)，主要的算法由軌跡預(yù)測(cè)算法（TPA）、地形掃描算法、碰撞評(píng)估程序和飛行控制耦合等4個(gè)主要部分組成。

具體而言，AGCAS能夠不斷地將戰(zhàn)斗機(jī)的飛行軌跡與從機(jī)載數(shù)字式地面海拔數(shù)據(jù)庫產(chǎn)生的地形剖面進(jìn)行比較，確定是否存在即將發(fā)生的碰撞。如果探測(cè)到飛機(jī)將要撞到地面時(shí)，系統(tǒng)開始進(jìn)行規(guī)避軌跡的預(yù)測(cè)，包括持續(xù)評(píng)估各種規(guī)避類型和機(jī)動(dòng)能力，而碰撞評(píng)估程序自動(dòng)地調(diào)整掃描/跟蹤剖面，以適應(yīng)最恰當(dāng)?shù)耐{想定。接下來系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)規(guī)避指令，如果飛行員沒有立即采取措施，系統(tǒng)將自動(dòng)地獲取控制權(quán)臨時(shí)接管飛機(jī)，通過數(shù)字式電傳操縱系統(tǒng)執(zhí)行一個(gè)自動(dòng)恢復(fù)機(jī)動(dòng)來保護(hù)機(jī)組人員。系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)機(jī)動(dòng)的動(dòng)作是緊急滾轉(zhuǎn)加上一個(gè)過載5的拉升，直到確認(rèn)地形安全，再把飛機(jī)的飛行控制權(quán)限交還給飛行員。

美國空軍表示，AGCAS已經(jīng)從2014年10月開始陸續(xù)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(jī)型，列裝一年多就已經(jīng)4次避免了F-16戰(zhàn)斗機(jī)的撞地事故，預(yù)計(jì)在F-16機(jī)隊(duì)剩余的服役期內(nèi)還將拯救10名飛行員和多達(dá)14架飛機(jī)，能夠因此節(jié)省5.3億美元。作為“增量3.2C”升級(jí)項(xiàng)目的重要內(nèi)容之一，美國空軍從2015年開始將AGCAS陸續(xù)配備到F-22A戰(zhàn)斗機(jī)，有效地避免了“猛禽”此前因飛行員“缺氧”等問題導(dǎo)致的機(jī)毀人亡。未來，AGCAS安全性升級(jí)項(xiàng)目還要整合到F-35聯(lián)合攻擊機(jī)上，希爾空軍基地的奧格登空軍后勤綜合體將負(fù)責(zé)升級(jí)工作。另外，美國空軍也在發(fā)展自動(dòng)空中防撞系統(tǒng)（AACAS），運(yùn)用機(jī)載傳感器信息和空中交通信息，通過數(shù)據(jù)鏈的傳輸，進(jìn)行自動(dòng)防撞機(jī)動(dòng)，同樣是緊急滾轉(zhuǎn)加上拉升。美國空軍還計(jì)劃將AACAS與AGCAS兩大系統(tǒng)整合，最終形成一體化自動(dòng)防撞系統(tǒng)（AICAS）。

自動(dòng)防撞系統(tǒng)將為美軍帶來豐厚的回報(bào)。早在2003年，美國國防部就制訂了減少飛行事故50%的目標(biāo)，2006年國防部安全調(diào)查委員會(huì)發(fā)布的《戰(zhàn)斗/攻擊機(jī)自動(dòng)防撞系統(tǒng)案例》也對(duì)當(dāng)時(shí)的四種主力機(jī)型F-22、F-35F-16和F/A-18的防撞系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)行了分析和規(guī)劃。通過分析此前14年的歷史數(shù)據(jù)，美軍計(jì)算出因避免F-16發(fā)生事故而節(jié)約的經(jīng)費(fèi)與防撞系統(tǒng)成本比值為1.7：1。美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室近期的研究發(fā)現(xiàn)，AGCAS的回報(bào)率已經(jīng)上升到了3.0：1——研發(fā)與列裝成本6000萬美元，2014年“拯救”了4架戰(zhàn)斗機(jī)，一架F-16的價(jià)值約4500萬美元。海軍據(jù)此得出F/A-18預(yù)計(jì)的回報(bào)率高達(dá)7：1——研發(fā)與列裝成本9180萬美元，但是在2014年以來已經(jīng)有5架“大黃蜂”因CFIT事故墜毀，5名飛行員喪生。

根據(jù)美國海軍安全中心的數(shù)據(jù)，F(xiàn)/A-18安裝TAWS系統(tǒng)之后CFIT事故有所下降，但是10年來每10萬飛行小時(shí)仍有0.42架飛機(jī)因CFIT墜毀，比全壽命周期內(nèi)的墜毀0.54架僅有微小下降，避免事故還是要靠更先進(jìn)的AGCAS。盡管2006年的國防部報(bào)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(jì)算，也能實(shí)現(xiàn)1，1：1的收益，AICAS每7年能夠拯救10架飛機(jī)。美國海軍也傾向于引進(jìn)AICAS，從而保護(hù)更多的戰(zhàn)機(jī)和寶貴的海軍飛行員。

編輯：石堅(jiān)