绝地逢生 F—16V“蝰蛇”战斗机的新型地面防撞系统

2016-03-24温杰

现代兵器 2016年3期

温杰

除了重点升级火控系统和驾驶舱外，洛·马公司在优化发展F-16V方案过程中还不失时机地增加了一项飞行安全技术――自动地面防撞系统（Auto GCAS）。该系统由美国空军研究实验室（AFRL）、洛·马公司和NASA联合研制，可以有效避免飞行员在训练、演习和作战期间无意识地撞向地面等障碍物，造成机毁人亡的严重事故。目前，这一技术已经用于改装美国空军的F-16系列战斗机上，并开始大显身手，在不到一年时间里先后挽救了3名飞行员及其驾驶的F-16战斗机。

作为F-16V战斗机的可选配置，尚不清楚中国台湾空军和韩国空军是否会选择加装这一系统，但是洛·马公司在向印尼空军提供全新的批生产战斗机时，毫无疑问会直接在飞控系统软件中嵌入这一功能。从长远效益来看，这种最新的飞行安全技术必将成为F-16系列战斗机的“守护神”，而Auto GCAS的研制与发展经历一个从前沿技术到立项研究、再从飞行测试到升级改装的漫长过程。

2011年7月28日，美国空军一架F-16C战斗机在奥什科什机场降落时偏离跑道

频繁出现机毁人亡

自从本世纪初以来，美国空军针对现役战斗机在训练和演习期间出现的机毁人亡事故，一直在寻求各种技术措施，力求解决可控飞行撞地（CFIT）所导致的飞行事故频发的问题，大幅度降低战斗机在战术训练中的事故率，及时挽救飞行员的生命。

CFIT是指飞行员驾驶一架性能完好的飞机，在没有意识到危险来临的情况下撞向地面、山峰、水面或障碍物，结果造成机毁人亡的严重事故。这个术语是波音公司的工程师在20世纪70年代末首先提出的。从民航运输来看，客机坠毁到地面可能涉及恶劣天气和导航设备等多种问题，但飞行员操作失误是CFIT事故中最常见的因素。

多年以来，CFIT引发的飞行事故是美国空军战斗机/攻击机发生机毁人亡事故的头号原因，已经成为一个亟待解决的问题。早在2003年，美国国防部安全监督委员会（DSOC）通过分析前十年的统计数据发现，1993—2002年间，美国空军发生的一等事故中，25%是由CFIT引起的。为此，DSOC提出应该及时采取一些有效措施，将军用飞机事故减少50%的要求。

其实，早在20世纪80年代中期，AFRL、NASA和洛克希德公司就意识到需要发展一种Auto GCAS技术，并在90年代中期启动了自动防撞技术（ACAT）计划。1997年，研究团队首先开展了Auto GCAS项目，以F-16战斗机为平台，在先进战斗机技术集成（AFTI/F-16）计划的最后阶段进行了技术优化，分别测试了俯冲向地面和飞向山脉一侧的感知和控制能力，同时还确定了Auto GCAS可能阻碍飞行员执行标准战术任务的任何情况。

在当时情况下，Auto GCAS作为一种较为先进的飞行安全技术，要求F-16战斗机加装新的飞行控制系统部件，导致了改装成本过于昂贵，使得相关工作只能停留在研究层面。同时，F-16战斗机的作战方式也逐渐发生变化，开始更多地集中于在更高的高度投放精确制导武器。因此，美国空军决策层认为没有必要再加装一种自动恢复系统，只需使用一种基于声音告警的预报地面防撞系统（P-GCAS）就足以满足需要。

然而实际情况并非如此，美国空军在飞行员生命和作战装备两方面都付出了昂贵代价。2000—2009年间，美国空军的事故记录表明，仍然有16架飞机损毁和13名飞行员丧生。从技术上看，P-GCAS是一种人工告警系统，存在的问题是它必须为飞行员留出足够的时间，并不能阻止空间定向障碍、过载诱发的意识丧失、未放起落架着陆或任务饱和等引发的事故。对此，DSOC的高级安全分析师威尔金斯认为，在坠毁的16架飞机中，15架是配备了P-GCAS的F-16战斗机，这些都有可能借助于Auto GCAS得以避免。

精心研制软件系统

Auto GCAS从最初概念到技术验证很大程度上得益于美国空军对F-16机队实施的硬件升级。从2000年开始，美国空军花费了5亿美元陆续为F-16机队实施硬件升级，同时还相应进行了其他一些改进，都有利于加装Auto GCAS，因此具备更高的成本效益。为此，AFRL和NASA在2006年1月提出一个联合倡议，并邀请DSOC和美国空军空战司令部参与其中，共同拟定了战斗机风险降低计划（FRRP），主要目的是在ACAT计划的框架下，推动Auto GCAS研制和试验。

ACAT计划的三个基本原则是“不危害”、“不干扰”和“防止碰撞”。其中，“不危害”确保Auto GCAS将与现有的F-16子系统一同工作，不会引起任何不可预见的问题，可以确保系统不会妨碍使用限制，避免潜在地导致一次事故;“不干扰”关系到Auto GCAS不会妨碍飞行员执行战术任务;“防止碰撞”主要评估Auto GCAS避免发生CFIT的能力。

按照计划，FRRP分为三个阶段。第一阶段将重点发展Auto GCAS。第二阶段主要研制自动空中防撞系统（Auto ACAS），设计用于防止战斗机在空中相撞，全部投资列入到2012财年预算中。第三阶段涉及到将地面和空中系统集成到一个单独的自动防撞系统（Auto CAS）中，目前称之为自动综合防撞系统（Auto ICAS）。

实际上，Auto GCAS是一种基于软件的挽救飞机技术，通过采用机载数字地形测绘数据、强大的地形扫描模式和防撞周期算法来监控飞行轨迹，预测即将发生的撞击地面状态，在最后时刻自动执行规避机动。它的算法由轨迹预测算法（TPA）、地形扫描算法、碰撞评估程序和飞行控制耦合等4个主要部分组成。

具体而言，Auto GCAS借助于数字地形高程数据库和飞机的能量状态来规划飞行轨迹，通过比较已知的位置和基于前方路线的地形所预测的位置，确定是否存在即将发生的碰撞。如果确定存在碰撞的可能性，该系统将执行一个规避机动。规避轨迹的预测包括持续评估各种规避类型和机动能力，而碰撞评估程序自动地调整扫描/跟踪剖面，以适应最恰当的威胁想定。

Auto GCAS自动改变F-16战斗机飞行轨迹的示意图

然后，系统确定是否需要采取的规避机动、接近地面的最低飞行高度以及采取规避动作所需的时间。然后，系统立即发出规避指令，如果飞行员（无论何种原因）没有采取行动的话，将立即接管飞行控制系统来执行规避机动。一旦消除了潜在威胁，系统将把飞机的飞行控制权限交还给飞行员。

联合开展飞行试验

2007年，AFRL专门组建了一个综合试验团队，包括洛·马公司下属的航空系统公司、美国空军飞行试验中心和NASA德莱顿飞行研究中心（现更名为阿姆斯特朗飞行研究中心）。按照合同，洛·马公司不仅承担了Auto GCAS的设计、软件研制、系统集成和地面模拟，还将一架F-16D Block 50战斗机改装为试验机（见题图）。由于此前曾经考虑引入Auto GCAS，现役F-16战斗机上的数据传输设备已经得到升级，为防撞改进提供了一个更加容易的途径。

洛·马公司将软件更改引入到先进的数据传输设备，包括加载防撞程序和数字地形高程数据库（DTED）。这些改进也相应地补充到数字式飞行控制系统的Auto GCAS机动控制律中。研制人员还修改了模块化任务计算机，以适应于数据传输设备和飞行控制计算机所需的接口。在飞行试验之前，洛·马公司在沃斯堡的操纵品质（HQ）模拟设施上对Auto GCAS算法的各项改进进行了全面评估，以在真实环境内全面评估实际硬件。

同时，建立测试程序的关键一步是如何发现挑战性地形的最佳组合。德莱顿飞行研究中心对地球表面做了全面调查，基本要求是验证DTED的精确性，这对于系统的性能至关重要。ACAT计划能够使用航天飞机雷达地形测量任务（SRTM）在2000年获得的高程数据，这是一个接近全球测量，以产生了围绕地球的最完整的高分辨率数字式地形数据库。

F-16D试验机从爱德华兹基地起飞执行ACAT技术测试任务

洛·马公司的操纵品质模拟设施，可以在试飞前评估Auto GCAS算法

飞行试验涵盖了可以代表曾经出现过的F-16事故的各种情况。研究人员绘制了飞行包线，并将其叠加在试飞模型上。2009年3月，Block A测试通过3次试飞检查了测试仪器，同年5月开始开始了ACAT/FRRP的真实测试，通过16次试飞Block B系列，识别出Auto GCAS在最初设计中存在的一些异常。当年年底，Block C/D开始，包括一个最终系统评估。

F-16试验机的试飞验证了Auto GCAS在飞行员空间定向障碍或高过载诱发意识丧失、在山谷内高速穿行和低速/高速飞向山峰等多种想定情况下，如何摆脱危险、如何保障飞机在极低高度时安全地高速飞行，并最大限度避免意外拉升，降低对战术任务的干扰。全面的飞行试验证明，该系统在防止战斗机撞地的测试中成功率达到98%，可以有效地防止虚假报警或意外拉升，即便是在最苛刻的战术任务情况下也不会产生干扰。

2010年年底，Auto GCAS凭借着令人满意的结果获得了美国空军的青睐，并被正式列入F-16机队的M6.2+作战飞行程序（OFP）升级的一部分。次年3月，AFRL领导的ACAT/FRRP团队凭借着在Auto GCAS研制和试飞中取得的创新成果，在美国《航空周刊》举办的第54届“月桂”奖中荣获了“信息技术/电子”奖项。

全面配备现役机队

作为最新的M6.2+作战飞行计划（OFP）软件升级的一部分，美国空军已经从2014年10月开始在F-16 Block 40/50战斗机上加装Auto GCAS。据国外媒体报道，截止到2014年年底，洛·马公司已经为440架F-16战斗机配备了Auto GCAS。由此推测，美国空军装备数字式电传飞控的F-16战斗机应该全部都具备了自动地面防撞能力。

更值得关注的是，据美国空军的报道，截至2015年10月底，Auto GCAS在一年时间里已经在危机时刻挽救了3名飞行员及其驾驶的F-16战斗机。2015年2月初，美国空军一架F-16C战斗机从约旦境内起飞，参加打击叙利亚境内“伊斯兰国”武装力量的空袭行动，在持续的空对地打击过程中，曾经一度陷入CFIT的危险境地，但是借助于新近加装的Auto GCAS，奇迹般地成为第一架绝地求生的“战隼”，及时挽救了一名飞行员，并且挽回了一架战斗机。

从技术途径来讲，韩国空军的KF-16战斗机已经采用了数字式电传飞控系统，可以通过升级软件直接实现Auto GCAS功能。但是台湾空军的F-16A/B战斗机作为早期批生产型号，采用模拟式电传飞控系统，则需要进行一些改装。一种方案是将模拟式电传飞控系统升级为成数字式电传飞控系统，直接嵌入Auto GCAS软件;另一种方案是将一些数字式处理器模块增加到模拟式飞控系统中，产生了一种混合式数字/模拟飞行控制架构。

目前，世界上大约有1400多架早期F-16战斗机仍在服役，包括美国空军的400多架和其他国家的1000多架。从市场来看，Auto GCAS集成到早期F-16战斗机取决于机队规模、年度飞行小时CFIT事故率和飞机预计服役时间等因素。AFRL通过相关数据分析认为，为这些F-16战斗机升级模拟式飞控系统在商业方面是可行的。

有关数据表明，Auto GCAS对于单发战斗机具有不可低估的重要价值，将在飞行员安全和作战装备完好率方面带来前所未有的回报。基于以往的事故率，美国空军估算Auto GCAS可能在F-16机队剩余的服役期内拯救10名飞行员，挽回多达14架飞机，可以节省5.3亿美元。在假设目前的事故率依然持续的前提下，美国空军估计Auto GCAS的引入将挽救多达170架F-35战斗机，价值超过84亿美元。根据美国空军的最新消息，正在考虑将一部分F-15和F-16战斗机的使用时间延长到2045年，因此Auto GCAS在保持“战隼”机队规模方面的作用更是不容小视。

更为重要的是，作为“增量3.2C”（Increment 3.2C）升级项目的重要内容之一，美国空军旨在将Auto GCAS陆续配备到F-22战斗机上。就战术训练而言，这种系统可以有效地避免“猛禽”此前因飞行员“缺氧”等问题导致的机毁人亡。按照计划，这种系统将在2016年加装到F-35战斗机上。

可见，Auto GCAS技术可谓物有所值。从经济效益来讲，美国空军只需Auto GCAS挽救一架飞机就能为这项研制计划埋单，目前已经接连出现了3起这种情况。对美国空军而言，这种技术不只是解决一个安全问题，更是关系到现役机队的持续作战能力，特别是对于目前已经停产的F-22战斗机来说，更是有效维持空中优势的一个重要因素。

（编辑/栀子）