格雷厄姆·沃里克（華盛頓）

西科斯基公司S-70A“黑鷹”直升機以無人模式飛行30min，完成一次自主飛行試驗任務，展示了與眾不同的任務靈活性和自主處理突發(fā)事件的能力。在試驗中，機載激光雷達模擬器探測數(shù)字數(shù)據(jù)庫中的虛擬建筑，“矩陣技術”自動駕駛系統(tǒng)實時規(guī)劃新的航線，規(guī)避了虛擬障礙物。

2022年2月，西科斯基公司自動化技術取得新進展。該公司開發(fā)的“矩陣技術”（Matrix Technology）自動駕駛系統(tǒng)有望在復雜任務中發(fā)揮戰(zhàn)略優(yōu)勢，為機組人員的飛行安全提供支持。

“矩陣技術”自動駕駛系統(tǒng)開發(fā)

西科斯基公司（Sikorsky）于2013年啟動“矩陣技術”自動駕駛系統(tǒng)計劃，旨在減少飛行員在執(zhí)行常規(guī)任務和復雜任務（特別是緊急任務）中的工作量，以提高旋翼機的安全性、任務靈活性尤其是執(zhí)行危險任務時的靈活性。直升機安裝“矩陣技術”系統(tǒng)后，能以無人模式執(zhí)行任務。

與此同時，西科斯基公司開發(fā)了一種駕駛艙內(nèi)置模式轉換器。模式轉換器上標注了“2-1-0”檔位，“2”檔表示機上有兩名操控員，“1”檔表示機上有一名操控員，“0”檔表示機上無操控員。當開關被置于“2”檔時，“矩陣技術”自動駕駛系統(tǒng)協(xié)助兩名操控員執(zhí)行一項復雜任務；在“1”檔時，“矩陣技術”系統(tǒng)作為一種數(shù)字化自動駕駛儀，供一名操控員使用；在0檔時，機上無操控員，“矩陣技術”系統(tǒng)控制直升機飛行。

在直升機飛行中，“矩陣技術”系統(tǒng)允許操控員設置高級任務目標和約束條件，同時賦予自主軟件重新規(guī)劃任務的靈活性，以規(guī)避障礙和威脅。該系統(tǒng)采用人性化設計，操控員可以坐在S-70A直升機駕駛艙的后座上，操作平板電腦控制直升機飛行。

“矩陣技術”系統(tǒng)不是人工智能系統(tǒng)，而是操控員向直升機發(fā)送任務指令。但是，該系統(tǒng)具有較強的功能，比人類更擅長處理緊急任務。例如，當一架重型直升機在低空飛行時，一臺發(fā)動機突然停車，這時飛行員必須在數(shù)秒甚至不到一秒內(nèi)做出決策，是緊急降落還是讓直升機繼續(xù)使用其他無故障發(fā)動機為飛行提供動力，并獲得足夠的空速以減少飛行動力。面對此類突發(fā)事件，“矩陣技術”系統(tǒng)能夠非常明確地做出決策。在西科斯基公司開展的多次模擬試驗中，“矩陣技術”系統(tǒng)幾乎每次都能戰(zhàn)勝人類。

圖1 S-70A“黑鷹”是一種可選駕駛模式直升機。

S-70A“黑鷹”直升機發(fā)展概況

西科斯基公司S-70A“黑鷹”(S-70A Black Hawk)于2019年3月首飛，是一種可選駕駛模式直升機(OPV)，由陸軍退役直升機UH-60A改裝而成，最大起飛重量6356kg，安裝了全權限電傳飛行控制系統(tǒng)和“矩陣技術”自動駕駛系統(tǒng)。其機頭下方掛載了激光雷達傳感器，用于探測和規(guī)避障礙物。

目前，S-70A“黑鷹”直升機僅掛裝一臺激光雷達，但配置“矩陣技術”系統(tǒng)的量產(chǎn)型直升機將安裝一種帶有多臺激光雷達和攝像儀的分布式系統(tǒng)。根據(jù)操控員的實際需求，分布式系統(tǒng)可提供360°視野覆蓋。

“機組人員駕駛艙內(nèi)置自動化系統(tǒng)”計劃實施

美國國防預研局（DARPA）項目經(jīng)理斯圖亞特·楊（Stuart Young）介紹，2016年，美國國防部高級研究項目辦公室啟動“機組人員駕駛艙內(nèi)置自動化系統(tǒng)”（Alias）計劃，目的是開發(fā)一種靈活、可擴展自主架構，提高現(xiàn)役有人機的安全性和作戰(zhàn)效能。9種不同型號的軍機和民機已利用“機組人員駕駛艙內(nèi)置自動化系統(tǒng)”開展飛行測試。

“機組人員駕駛艙內(nèi)置自動化系統(tǒng)”負責規(guī)劃任務，提供任務執(zhí)行的方法并按照人類發(fā)送的指令完成任務。雖然該系統(tǒng)的自動化程度較低，但擁有諸多優(yōu)勢。

一是減輕飛行員的認知工作量，讓飛行員專注于任務管理和高級決策。

二是有望減少培訓需求和維護成本。

三是能將傳動控制裝置的運行時間縮短到僅10min。

四是防止壽命有限的部件發(fā)生過載，將這些部件的使用壽命延長近一倍而不影響部件性能。

在美國國防預研局“機組人員駕駛艙內(nèi)置自動化系統(tǒng)”計劃支持下，西科斯基公司正在探索“矩陣技術”系統(tǒng)在軍用旋翼機、軍用固定翼飛機、商用貨運飛機、設計中的未來電動垂直起降（eVTOL）飛行器和混合動力垂直起降（VTOL）飛行器中的應用。

目前，西科斯基公司正在將開發(fā)的技術移交給陸軍，以幫助陸軍拓展“未來垂直起降”（FVL）等項目的自主性需求。美國空軍對“機組人員駕駛艙內(nèi)置自動化系統(tǒng)”在洛克希德-馬丁公司F-16戰(zhàn)斗機中的應用也表現(xiàn)出興趣。

“機組人員駕駛艙內(nèi)置自動化系統(tǒng)”計劃的總經(jīng)費為1.5億美元。在6年時間里，美國國防預研局和西科斯基公司大致分別使用了7500萬美元。該計劃現(xiàn)已接近尾聲，預計2022年底結束。西科斯基公司仍在繼續(xù)使用S-70A可選駕駛模式直升機和西科斯基公司S-76研究用自主直升機（SARA）拓展“矩陣技術”系統(tǒng)的性能，以開發(fā)傳感器數(shù)據(jù)融合算法和其他功能的算法。

S-70A以有人模式出色完成試驗任務

2021年，S-70A“黑鷹”可選駕駛模式直升機在亞利桑那州尤馬試驗場參加美國陸軍“2021項目融合”（PC21）技術驗證試驗，展示了對抗環(huán)境下的后勤物質補給能力。

西科斯基公司在“矩陣技術”系統(tǒng)中加裝了一個開放式應用程序編程接口。在“2021項目融合”試驗期間，陸軍驗證了陸軍用戶界面控制直升機的能力。

美國陸軍任務規(guī)劃人員表示，在“2021項目融合”試驗中，他們已經(jīng)看到S-70A與機上安全操控員一起飛行，S-70A實現(xiàn)了預期目標，期待不久能見證S-70A采用無人模式自主飛行。

現(xiàn)在，美國陸軍須要證明，“矩陣技術”系統(tǒng)擁有足夠強的性能控制S-70A在無人模式下飛行。

S-70A以無人模式完成自主飛行任務

美國陸軍坎貝爾堡基地位于美國肯塔基州，是美國陸軍第101空降師和第160特種作戰(zhàn)航空團的駐地，兩者都是“黑鷹”直升機的運營單位。

2022年2月5日，西科斯基公司在陸軍坎貝爾堡基地測試了“矩陣技術”自動駕駛系統(tǒng)的性能。首先，2名操控員對一架跑道上的S-70A“黑鷹”直升機進行模式重置，將轉換器上的開關從“2”檔快速旋轉到“0”檔后關機，然后從駕駛艙出來，離開直升機。接著，地面操控員操作平板電腦，向“矩陣技術”系統(tǒng)發(fā)送指令，“矩陣技術”系統(tǒng)收到指令后啟動輔助動力裝置，為機上無操控員的S-70A“黑鷹”直升機充電，并按照檢查清單項目，自動對直升機實施飛行前檢查，最后啟動兩臺發(fā)動機。此后，S-70A“黑鷹”升空，飛行30min后降落在跑道上，并自主停機。值得一提的是，S-70A“黑鷹”以無人模式完成了自主飛行任務。

在試驗期間，地面操控員收到S-70A“黑鷹”直升機傳輸?shù)男盘?，“黑鷹”直升機自主執(zhí)行了一項從平板電腦發(fā)出的預設任務。

此次自主飛行任務其實是S-70A“黑鷹”直升機模擬紐約市曼哈頓區(qū)上空的飛行。S-70A未開啟激光雷達，但機載激光雷達模擬器探測了紐約市數(shù)字數(shù)據(jù)庫中的建筑物，并將障礙物數(shù)據(jù)發(fā)送給“矩陣技術”系統(tǒng)，“矩陣技術”系統(tǒng)實時對飛行任務進行重新規(guī)劃，規(guī)避了模擬障礙物并完成任務。操作人員在激光雷達模擬器中加載了數(shù)字數(shù)據(jù)庫，并將位置從曼哈頓區(qū)重新定位到坎貝爾堡基地，而“矩陣技術”系統(tǒng)中的其他設備并不清楚建筑物的位置。當虛擬障礙物進入激光雷達模擬器的探測范圍時，“矩陣技術”系統(tǒng)會重新規(guī)劃在建筑物周圍飛行的航線。

圖2 在“2021項目融合”試驗中，安全操控員在機上操作平板電腦控制S-70A“黑鷹”飛行。

圖3 2022年2月5日，S-70A“黑鷹”可選駕駛模式直升機完成一次自主飛行試驗。

西科斯基公司創(chuàng)新部門總監(jiān)伊戈爾·切爾平斯基（Igor Cherepinsky）稱，此前開展全自主飛行試驗時，S-70A“黑鷹”直升機駕駛艙都有安全操控員。這次試驗是一次真正的無人飛行，“矩陣技術”系統(tǒng)在試驗中展示了與眾不同的靈活性和自主處理突發(fā)事件的能力。

參與試驗的S-70A可選駕駛模式直升機歸屬于西科斯基公司。但是，美國陸軍已完成一架現(xiàn)役UH60M直升機的改裝，并給UH60M安裝了電傳飛控和“矩陣技術”系統(tǒng)，計劃2022年4月初開展試飛。兩架“黑鷹”可選駕駛模式直升機可能會在下一次“項目融合”試驗中展示自主協(xié)同飛行能力。

下一步，美國陸軍將驗證“矩陣技術”系統(tǒng)的其他能力，即在低能見度環(huán)境中，如何為機組人員的飛行安全提供支持。

未來發(fā)展計劃

西科斯基公司積極與美國陸軍合作，以交付可選駕駛模式直升機，并計劃將“矩陣技術”系統(tǒng)定制為一種套件，供UH-60直升機和F-16戰(zhàn)斗機等現(xiàn)役軍機使用，還準備將“矩陣技術”系統(tǒng)的技術授權給其他制造商。

西科斯基公司正在與美國聯(lián)邦航空管理局合作，開展首個民用系統(tǒng)的適航審定，以期執(zhí)行包括夜間空中滅火和水上搜救在內(nèi)的高風險民用任務。西科斯基公司沒有透露民用系統(tǒng)的具體名稱，只透露它是“一架大型貨機”。但據(jù)航空網(wǎng)站“氣流”（Air Current）報道，“矩陣技術”系統(tǒng)控制了一架美國聯(lián)邦快遞公司（FedEx Express）ATR72貨機飛行。