美國自動綜合防撞系統(tǒng)飛行測試

自動綜合防撞系統(tǒng)飛行測試任務(wù)

飛行測試使用的兩架F-16戰(zhàn)斗機(jī)中，蓋伊乘坐的飛機(jī)作為“攻擊者”飛機(jī)，代號為“骷髏1號”，是第416飛行試驗(yàn)中隊(duì)的一架50批次F-16戰(zhàn)斗機(jī)，試飛員是加拿大皇家空軍的交換軍官賈米勒·詹久阿（Jameel Janjua）少校，他是自動防撞技術(shù)戰(zhàn)斗機(jī)風(fēng)險(xiǎn)減縮項(xiàng)目的首席試飛員。

作為“目標(biāo)”的F-16代號為“骷髏2號”，由美國空軍的試飛員布萊恩·凱利（Brian Kelly）少校駕駛，觀察員是來自空軍研究實(shí)驗(yàn)室的專家凱文·普林斯（Kevin Price）中校（已退役）。在與“目標(biāo)”飛機(jī) “交戰(zhàn)”的過程中，“攻擊者”飛機(jī)將作為承擔(dān)更多動態(tài)的角色。

愛德華基地的自動綜合防撞系統(tǒng)測試團(tuán)隊(duì)

任務(wù)的第一部分為重現(xiàn)幾個碰撞場景（包括迎頭飛過），以展示自動空中防撞系統(tǒng)如何在可接受的相對距離下在合適的時機(jī)接管控制權(quán)限。第二階段展示自動綜合防撞系統(tǒng)接近地面時的性能，包括通過山谷的“達(dá)標(biāo)測試”。最后一部分是檢查飛機(jī)在做過激的基本作戰(zhàn)機(jī)動、重新編隊(duì)過程中以及超低空貼地飛行時是否符合預(yù)期目標(biāo)。

為了保證安全，在較高飛行高度的測試中，研制人員視不同測試點(diǎn)的情況而在測試軟件中添加“禁區(qū)”，從而在特定方向上禁止系統(tǒng)觸發(fā)機(jī)動。但自動綜合防撞系統(tǒng)的算法無法感知這些區(qū)域，好像這些限制并不存在而繼續(xù)做判斷。

作為進(jìn)一步的安全性措施，研制人員給參與測試的飛機(jī)設(shè)置了高度偏移，即飛機(jī)實(shí)際會飛行在不同的高度層上。然而，通過設(shè)置系統(tǒng)的算法會認(rèn)為兩架飛機(jī)在同一高度，在機(jī)動激發(fā)時，會根據(jù)最佳規(guī)避方案發(fā)送飛機(jī)向上或向下移動的數(shù)值表示?！爱?dāng)靠近地面測試時，我們會大幅增加高度偏移并不設(shè)置禁區(qū)。這樣可讓飛機(jī)向任意需要的地方進(jìn)行機(jī)動，”第416試飛中隊(duì)的自動綜合防撞系統(tǒng)項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)人查爾斯·伊格（Charles Eger）表示。

在非加力最大推力下全速起飛后，飛機(jī)要進(jìn)行過載感知機(jī)動和安全檢查，包括打開前后駕駛艙側(cè)桿上的寬柄開關(guān)，確保飛機(jī)激活自動綜合防撞系統(tǒng)。測試之前確認(rèn)功能是否有效非常關(guān)鍵，它可以保證飛機(jī)處于一種正常狀態(tài)，即如果駕駛員沒有識別即將發(fā)生的碰撞并關(guān)閉這個開關(guān)來阻止防撞系統(tǒng)激活，或終止激活而做規(guī)避機(jī)動，那么飛機(jī)將會真的發(fā)生碰撞。與“骷髏2號”進(jìn)入指尖隊(duì)形飛行后，需要校準(zhǔn)高度來確保攻擊者與目標(biāo)之間的高度表顯示差距在3m（10ft）內(nèi)。雖然這是一個看似普通的步驟，但校準(zhǔn)高度對這項(xiàng)任務(wù)而言很重要。

兩架測試飛機(jī)正在校準(zhǔn)海拔，確?！肮粽摺迸c“目標(biāo)”在系統(tǒng)上的高度差在3m（10ft）內(nèi)

測試第一部分：雙機(jī)碰撞

測試的第一部分是兩架飛機(jī)在高度幾乎無差別的情況下，進(jìn)行一系列的自動防撞機(jī)動。在6096m（20000ft）飛行的第一次測試，“骷髏1號”的起始位置在速度為555km/h（300kn）的“骷髏2號”下方1220m（4000ft）、后方60m（200ft），然后加速到722km/h（390kn）靠近“骷髏2號”，并保持一個翼展的距離。此時，由于事先進(jìn)行過系統(tǒng)設(shè)置，自動空中防撞系統(tǒng)認(rèn)為二者在同一高度而被激活，“骷髏1號”執(zhí)行了一個躍升半外筋斗機(jī)動，而另一架F-16則向上拉起。“骷髏1號”的操縱者詹久阿表示，他在虛擬情況中試圖迎頭撞向“骷髏2號”，但在兩架飛機(jī)幾乎沒有高度差的情況下，不管出于什么原因，系統(tǒng)認(rèn)為“骷髏2號”向上飛行而“骷髏1號”向下飛行更符合常理。

這項(xiàng)測試為系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了該系統(tǒng)的量化數(shù)據(jù)：系統(tǒng)是否被激活、激活時機(jī)是否合適、反應(yīng)是否足夠強(qiáng)烈亦或太早等。但無論如何，即使有高度偏移，當(dāng)兩架機(jī)靠近到27m（90ft）時，兩者看起來近得可怕。詹久阿表示，“這讓人非常震驚，就算是一名已經(jīng)飛行了多年的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員，也不見得看到過任何飛機(jī)離自己那么近?！?/p>

接下來的測試是在6096m（20000ft）的高度，“骷髏1號”向左傾斜15°，以777km/h（425kn）的速度靠近，這個測試的規(guī)避動作是攻擊者飛機(jī)向左而目標(biāo)飛機(jī)向右。之后還進(jìn)行了第二次小角度交叉相遇，其中“骷髏2號”向“骷髏1號”飛機(jī)逼近，它高出60m（200ft）飛行，向左傾斜20°減速，并會在虛擬情況下與“骷髏1號”機(jī)頭相撞。第一次嘗試時，兩架飛機(jī)同時違反了禁區(qū)，因此盡管系統(tǒng)被激活了，但兩架飛機(jī)都沒有做機(jī)動。再次進(jìn)行嘗試時，只有“骷髏2號”進(jìn)行了一個滾轉(zhuǎn)接向右拉升的動作，而“骷髏1號”則又違反了“禁區(qū)”而沒有機(jī)動。

測試還包括了超聲速迎頭防撞場景。這個試驗(yàn)要求非常高精度的飛行，對雙方試飛員的要求很高，兩架飛機(jī)分別爬升到9144m（30000ft）和9450m（31000ft）的高度并相距65km（40mile）。兩者都加速到Ma1.2，以Ma2.4的閉合速度快速掠過測試場。為了安全，在自動空中防撞系統(tǒng)中設(shè)置有290m（950ft）的高度偏移，但在虛擬情況中，兩架機(jī)要在一個翼展的距離上飛過對方，“骷髏1號”飛機(jī)出現(xiàn)系統(tǒng)的警告箭頭，飛機(jī)在即將接觸的瞬間執(zhí)行了向右滾轉(zhuǎn)加5g轉(zhuǎn)彎的規(guī)避動作，“骷髏2號”從左側(cè)飛過。事后分析表明在虛擬情況下，兩架機(jī)對飛時相互之間的最小距離只有107m（352ft）。

這個試驗(yàn)需要拋掉副油箱降低飛機(jī)載荷。研制人員稱，在目前的設(shè)計(jì)中，自動空中防撞系統(tǒng)和自動地面防撞系統(tǒng)在自動機(jī)動時不會受限于飛機(jī)的設(shè)計(jì)滾轉(zhuǎn)速率。然而，在飛行員主動激發(fā)自動規(guī)避時（打開手柄），如果在外部油箱內(nèi)有燃油，則會限制滾轉(zhuǎn)速率。

出于安全因素，在防撞測試期間系統(tǒng)內(nèi)置了高度偏移

測試第二部分：穿過山谷

測試的第二部分是在1500m（5000ft）高度以下進(jìn)行的，第一步是在兩座大山間（加洛克山與骷髏山）演示迎頭對撞的場景。由于離地面太近，出于安全考慮將飛機(jī)的相對高度偏移增加到365m（1200ft），而兩架飛機(jī)在虛擬世界里仍在同一高度。隨著兩架機(jī)都以722km/h（390kn）的速度對飛，飛行員看到相撞警告箭頭出現(xiàn)并不斷靠近。當(dāng)兩個箭頭看起來就要接觸時，“骷髏1號”繼續(xù)平直飛行，而“骷髏2號”做了個爬升機(jī)動。

在作戰(zhàn)訓(xùn)練過程中，每架戰(zhàn)斗機(jī)上的自動防撞系統(tǒng)能隨時記錄下不同的飛行軌跡，但數(shù)據(jù)鏈在任一時刻只能傳輸三條飛行軌跡的數(shù)據(jù)。而戰(zhàn)斗機(jī)有9種規(guī)避動作可選，其中的7種是在不同傾斜角度的滾轉(zhuǎn)接拉升機(jī)動，一種是躍升半外筋斗，還有一種是保持原來的狀態(tài)什么也不做。因此，研制人員會考慮戰(zhàn)斗機(jī)的性能，基于幾何原理或飛行員的偏好，從可利用的機(jī)動中進(jìn)行優(yōu)先選擇。對飛行員來說，可以通過最小的努力避免一次碰撞，并不是兩架飛機(jī)全都要機(jī)動，“什么也不做”也是一種選擇。

在愛德華空軍基地試驗(yàn)場，兩架F-16戰(zhàn)斗機(jī)于山谷內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)時，其自動綜合防撞系統(tǒng)激活后兩架機(jī)之間的真實(shí)相對距離，這時并不考慮高度偏移。

當(dāng)兩架飛機(jī)再次飛回山谷重復(fù)這一測試任務(wù)時，結(jié)果不同了。兩架飛機(jī)都向右傾斜并作5g的爬升轉(zhuǎn)彎。骷髏山的山峰突然在“骷髏1號”的右側(cè)閃現(xiàn)，但是綜合防撞系統(tǒng)立即意識到地形的威脅并使飛機(jī)與之保持安全距離?！爱?dāng)飛機(jī)繞過山峰并在山脈和另一架飛機(jī)之間飛行時，大片地形充斥著我們的視野，”詹久阿說，“那才是我們本質(zhì)上想做的——努力讓該系統(tǒng)在飛機(jī)和地形之間做出選擇，而明智的選擇是對兩者都進(jìn)行規(guī)避?！?/p>

第二步是評估系統(tǒng)對在山谷狹窄的邊界中接近并超越其他飛機(jī)的任務(wù)時的反應(yīng)。在兩山之間，當(dāng)“骷髏1號”飛機(jī)到達(dá)“骷髏2號”下方365m（1200ft）、后方1370m（4500ft）的位置時，前者加速到722km/h（390kn）并激發(fā)防撞系統(tǒng)。此時同樣系統(tǒng)認(rèn)為兩架飛機(jī)在同一高度，它控制“骷髏1號”飛機(jī)向上飛行。然而在現(xiàn)實(shí)世界中，“骷髏2號”幾乎在“骷髏1號”的正上方，因此當(dāng)規(guī)避機(jī)動被激發(fā)時，“骷髏1號”正快速逼近“骷髏2號”的機(jī)腹。飛行員詹久阿等到自動規(guī)避完成后，在聽到了測試點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)采集完畢提示音的同一瞬間，拉動寬柄扳手關(guān)閉了系統(tǒng)，重新取得了飛機(jī)的控制權(quán)，并做了個滾轉(zhuǎn)遠(yuǎn)離了“骷髏2號”。

對此詹久阿表示，他在聽到提示音后，就表明已可在任意時刻拿回控制權(quán)。但即使對方飛機(jī)已近在咫尺，他也一直等到規(guī)避動作完成之后才扳動手柄。自動規(guī)避的最長時間是4.5s，但如果讓它持續(xù)那么長時間則無疑會撞到另一架飛機(jī)，因?yàn)閮杉茱w機(jī)的距離使相撞時間不足5s。但是他此前已在模擬器上飛行了太多遍，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，留給他們?yōu)椴蛔屜嘧病暗贸选倍M(jìn)行機(jī)動的時間大概是1～2s。

在一些更緊迫的情況下，如地形和另一架飛機(jī)都距你自身足夠近、且構(gòu)成了威脅時，水平和垂直告警箭頭都會出現(xiàn)。水平箭頭表明自動地面防撞系統(tǒng)即將做出向上飛行的規(guī)避動作，空中防撞系統(tǒng)的箭頭是垂直的。在這次飛行測試中，雖然飛機(jī)飛過了山谷，但是機(jī)動設(shè)計(jì)時考慮了與地形間足夠的間隔，從而未出現(xiàn)自動地面防撞系統(tǒng)的箭頭。這表明了該綜合防撞系統(tǒng)會避免來自地形和另一架飛機(jī)的威脅同時出現(xiàn)。

隨著測試的進(jìn)行，飛機(jī)的燃料不斷消耗，在伊莎貝拉湖區(qū)域與一架波音KC-135R進(jìn)行了空中加油，每架F-16接受了1587kg（3500lb）的燃油，然后快速返回莫哈韋沙漠進(jìn)行下一個測試任務(wù)。

測試第三部分：故障激發(fā)

測試的第三部分是考察在執(zhí)行典型的基本戰(zhàn)斗機(jī)動和正常重新編隊(duì)期間，當(dāng)飛行員動作太大或者錯誤操作時，該系統(tǒng)故障激發(fā)的易發(fā)性。本次測試將防撞系統(tǒng)置于不工作狀態(tài)，但當(dāng)觸發(fā)防撞系統(tǒng)的情形出現(xiàn)時，仍能夠在耳機(jī)中給飛行員提供音頻警告。測試背景是在1500m（5000ft）的高度進(jìn)行一系列航炮攻擊的場景。

第一種情形是小角度追蹤機(jī)動，當(dāng)“骷髏2號”進(jìn)入一個2g轉(zhuǎn)彎時，“骷髏1號”在非加力最大推力狀態(tài)650km/h（350kn）的速度跟隨它，并保持近距追蹤直到離前者180～210m，剛好在空軍空戰(zhàn)訓(xùn)練的最小安全距離圈外（150m）。這種情形下并沒有聽到任何警告提示音。

第二種情形是“骷髏2號”減小轉(zhuǎn)彎半徑向“骷髏1號”切來，或者“強(qiáng)行拐彎”來縮小距離而增加方位角，拉4g的機(jī)動復(fù)制曾發(fā)生的空中相撞情景?！叭绻w行員注意力不夠集中，或任務(wù)飽和，亦或視線固定在目標(biāo)上時，做基本空中機(jī)動會容易出現(xiàn)問題，”詹久阿說，“嚴(yán)格地說，這種問題在經(jīng)驗(yàn)不足的飛行員中出現(xiàn)得較多，但經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員偶爾也會遇到?！边@項(xiàng)測試是極其困難的，因?yàn)轱w行員要將系統(tǒng)運(yùn)行在標(biāo)準(zhǔn)訓(xùn)練中允許飛行的邊界上而不觸發(fā)系統(tǒng)自動規(guī)避。

第三種情形是基本戰(zhàn)斗機(jī)動是其中最激進(jìn)的一個，要保持小角度近距追擊。當(dāng)兩架F-16的距離近到約400m（1300ft）時，“骷髏2號”進(jìn)行一個360°螺旋閃避機(jī)動。“骷髏1號”為了近距離跟住前者，進(jìn)行了螺旋式猛拉。在螺旋追擊的過程中，“骷髏1號”以805km/h（435kn）的速度接近目標(biāo)，當(dāng)距離縮短到115m（375ft）時，進(jìn)入了允許的訓(xùn)練圈內(nèi)?！霸凇俭t2號’做逃逸機(jī)動時，我努力咬住它，通過持續(xù)追擊進(jìn)入武器攻擊距離并保證安全脫離距離。這是另一個發(fā)生過空難的危險(xiǎn)區(qū)域，有飛行員追得太猛導(dǎo)致空中相撞，”詹久阿說。從故障激發(fā)的角度看，這次試驗(yàn)很成功，在整個任務(wù)過程中，飛行員的耳機(jī)沒有出現(xiàn)一聲告警音，這表明了該系統(tǒng)并未被激發(fā)。

試驗(yàn)證明，盡管兩架戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)入了空軍空戰(zhàn)訓(xùn)練的最小安全距離圈（150m）內(nèi)，自動綜合防撞系統(tǒng)也不會故障激發(fā)。

不發(fā)生故障激發(fā)的航炮追擊場景試驗(yàn)對該系統(tǒng)能否被接受而言非常關(guān)鍵，它表明該系統(tǒng)不會妨礙戰(zhàn)斗機(jī)的正常操作。對在空戰(zhàn)中飛行的戰(zhàn)斗機(jī)飛行員來說，他們更愿意相信一個可信的系統(tǒng)，通過使用足夠長的時間來證明它能挽救他們和戰(zhàn)友的生命。就像自動地面防撞系統(tǒng)那樣，只有開始挽救生命，才會獲得投資。

在試驗(yàn)后段，兩架飛機(jī)下降到離地約610m（2000ft），開始進(jìn)行一系列重新編隊(duì)任務(wù)來測試更多可能發(fā)生故障激發(fā)的情況。“骷髏1號”以740km/h（400kn）的速度飛行，“骷髏2號”比它慢50kn，具體的重新編隊(duì)訓(xùn)練包括一架飛機(jī)從外延軌跡采用躍升機(jī)動直線并入編隊(duì)、從戰(zhàn)術(shù)隊(duì)形直線并入編隊(duì)和一架飛機(jī)采用帶躍升機(jī)動的轉(zhuǎn)彎并入編隊(duì)。這一系列動作又在1220m（4000ft）高度進(jìn)行了重復(fù)，其中“骷髏2號”報(bào)告在一些任務(wù)中聽到了警告提示音，這表明系統(tǒng)仍有一些軟件改進(jìn)工作需要開展，以消除在某些地方的故障警告，但這不會成為部署該系統(tǒng)的阻礙。

測試任務(wù)的最后階段，由“骷髏1號”測試低空飛行的故障告警。飛機(jī)下降到90m（300ft）的高度，以一個低空飛行模擬戰(zhàn)術(shù)地形遮蔽和躲避以探測系統(tǒng)故障激發(fā)的威脅。當(dāng)以833km/h(450kn)的速度在山谷地形上呈現(xiàn)為小點(diǎn)的矮灌木叢上方猛沖時，飛機(jī)的影子赫然出現(xiàn)。當(dāng)飛機(jī)以僅僅75m（250ft）的距離切過一個山脊時，“注意高度，注意高度”的警告不斷發(fā)出，但是平顯上并未出現(xiàn)警告箭頭。這表明自動地面防撞系統(tǒng)是穩(wěn)定的，即使以如此高的速度在這么低的高度下飛過山脊、平地或傾斜地形，系統(tǒng)也會等到即將撞上的時刻才激發(fā)。之后飛機(jī)返回了愛德華基地，結(jié)束了歷時2.7h的測試任務(wù)。

結(jié)論

美國空軍近期開展的這一系列飛行測試證明了自動綜合防撞系統(tǒng)不僅能夠大幅提升戰(zhàn)斗機(jī)飛行員的安全性，而且絕不會影響已經(jīng)在40/50批次F-16上裝備的自動地面防撞系統(tǒng)的功能。

對于艱難地率先推進(jìn)自動綜合防撞技術(shù)的美國空軍和工業(yè)界團(tuán)隊(duì)來說，該項(xiàng)測試可稱為世界上第一個戰(zhàn)斗機(jī)全方位保護(hù)系統(tǒng)的決定性演示。