孙友师 ¦ 美空军F-35A战斗机装备对地自动防撞系统

原标题:孙友师 ¦ 美空军F-35A战斗机装备对地自动防撞系统

2019724日,美国洛克希德·马丁公司(简称洛马公司)宣布,公司已开始在美空军F-35A战斗机上装备对地自动防撞系统,比原计划提前了七年。该系统是在飞机飞行控制系统中引入一项新的控制功能,目的是避免飞机撞击地面。该系统已经配装美空军F-16战斗机上,取得了较好效果。此外,美空军还研发了空中自动防撞系统,并正在研发集成空中防撞和对地防撞功能的综合自动防撞系统。通过装备这些系统,战斗机的飞行安全可得到极大提升。

一、研发背景

1.空中相撞和“可控飞行撞地”事故严重威胁战斗机飞行安全

美军方研究表明,空中相撞和“可控飞行撞地”(CFIT,由于飞行员迷失方向、缺氧、过载导致的丧失意识等原因造成的飞机撞地事故)是造成战斗机致命性事故的主要原因。据统计,美军战斗机部队牺牲的飞行员中,有28%死于空中相撞和CFIT事故,坠毁的飞机有22%是由空中相撞和CFIT共同导致。美国联邦航空局报告显示,2004年,空中相撞是第五大战斗机事故原因。201949日,日本航空自卫队一架F-35A在太平洋坠毁,这是世界上首起F-35A坠毁事故,事故原因被判定为飞行员空间迷向,也属于CFIT事故。

2.美空军希望通过自动防撞技术降低飞行事故率

早在20035月,美时任国防部长拉姆斯菲尔德就签发了《降低可预防事故》的备忘录,要求将美军飞行事故率降低50%20043月,时任国防部常务副部长沃尔福威茨在《20062011财年战略规划指南》中,要求将事故率降低75%20075月,时任国防部长盖茨发布了《零可预防事故》的备忘录,支持上述举措。此外,美军曾统计2000年至2013年发生的可通过自动防撞技术避免的致命性事故,这些事故带来的损失是:损失F-16飞机17架、飞行员14名;损失F/A-18战斗机10架、飞行员7名;损失F-22战斗机2架、飞行员2名。美军认为,通过战斗机配装对地自动防撞系统,有望显著减少战斗机致命事故。因此,美军将自动防撞技术视为提高飞行安全的重要手段。

2019221日,美空军第461飞行试验中队的一架F-35A在美国塞拉山脉的山谷中穿行(美国克里斯托弗·麦格里维摄影,图片转自美国《飞行者》网站)

二、研发历程和最新进展

1.对地自动防撞系统

美空军研究实验室、美国航空航天局等机构从1984年起就开始研发对地自动防撞系统。1991年至1993年,美空军又开展了后续的研发试验活动。19971月至199811月,美空军和瑞典空军合作开展了对地自动防撞系统飞行试验。但后续研发由于经费不足而停滞。

随着美国防部提出降低飞行事故率的要求,对地自动防撞系统的研发又获得了支持。2007年,美空军研究实验室启动了“自动防撞技术/战斗机风险降低”计划,项目目标是降低对地自动防撞系统的应用风险,使该技术能够快速向美军第40/50批次F-16,以及F-22F-35飞机转化应用。

2010年年底,对地自动防撞系统试验取得良好结果,被纳入F-16作战飞行软件升级计划,从201410月开始在配备有数字式电传飞控系统的F-1640/50批次战斗机上安装。从2015年起,美空军又开始为F-22安装对地自动防撞系统。

美空军在爱德华兹基地进行对地自动防撞系统试飞时,使用了多架F-16飞机开展不同阶段不同条件下的试验(美空军图片)

201811月,美空军开始在爱德华兹基地进行F-35A配装对地自动防撞系统的试飞,确保该系统与F-35上其他机载软件兼容。目前,该系统比计划提前七年装备F-35,表明其技术已发展成熟。

2019221日,美空军第461飞行试验中队的一架F-35A在美国塞拉山脉的山谷中进行急转弯飞行(美国克里斯托弗·麦格里维摄影,图片转自美国《飞行者》网站)

2.空中自动防撞系统

2000年,美空军研究实验室与瑞典国防装备管理局合作,共同启动了自动空中防撞系统研究项目,由波音公司、洛马公司和瑞典萨伯公司联合开发一种空中防撞技术。2002年至2003年,空中自动防撞系统被安装到两架F-16上进行了飞行演示。在演示中,两架F-16不断相互靠近,空中防撞系统在无飞行员指令的情况下,自动操纵飞机及时采取了规避相撞的机动。

由于经费不足,空中自动防撞系统后续研究工作停滞多年,直到2010年,洛马公司才重新启动研究。20143月至9月,美空军在爱德华兹空军基地进行了32次空中自动防撞系统的飞行试验,并于2015年完成研发工作。

3.综合自动防撞系统

2015年起,美空军开始将对地和空中自动防撞系统的功能进行综合,研发综合自动防撞系统。2016年,美空军完成了该系统第一阶段的试验。20174月开始第二阶段试验。目前综合自动防撞系统还处于研发中。

三、工作原理、关键技术和应用效果

1.工作原理

美空军对自动防撞系统的设计提出了三条基本设计原则:无害、不干涉和防碰撞。“无害”是指该系统不会引起事故;“不干涉”是指该系统不会干扰飞行员完成任务;“防碰撞”是指该系统能够最大限度防止飞机与地面或其他飞机相撞情况的发生。这三条设计原则中“无害”要求优先度最高、“不干涉”次之、“防碰撞”最低,这意味着如果自动防撞系统会造成飞机损伤或者妨碍飞行员执行任务,则系统会被强制进入不启动的状态。

对地自动防撞系统在F-16战斗机上进行试飞时,部分设备和系统被装到了飞机翼尖挂载的P5系列AN/ASQ-T50(V)1型空战机动仪表吊舱中,从而简化了试验方案设计(美空军图片)

对地自动防撞系统采用精确导航和数字地形数据监测飞机相对于任何已知障碍物的确切位置,并将飞机的飞行轨迹叠加到数字地形图上,通过比对确定飞机飞行轨迹是否会与地面或其它障碍物相撞。如果可能相撞,系统会操纵飞机采取规避机动动作,持续评估各种规避类型和机动能力,并根据碰撞威胁预测算法自动找出最匹配的威胁想定,计算出耗时最少且最安全的规避线路。

空中自动防撞系统在所有战斗机之间来回传输多组飞行轨迹信息,一旦计算出两架战斗机可能发生空中相撞,将在碰撞前数秒内自动执行预定的规避策略,让两架飞机同时采取规避机动。在实施协同规避机动时,战斗机会做出规避机动动作,机动规避过程会让飞行员处于可承受的过载状态。自动规避后12秒,空中自动防撞系统将飞机控制权交还给飞行员。

美空军“综合自动防撞系统”算法逻辑框图(美空军F-16战斗机综合自动防撞系统开发小组图片)

2.关键技术

自动防撞系统涉及的主要关键技术包括防撞算法设计技术、地形数据库技术、导航与传感器技术等。

防撞算法设计是自动防撞系统的核心。对地自动防撞系统的防撞算法包括轨迹预测、地形扫描、碰撞预估和飞控耦合四部分。“轨迹预测”在飞机执行自动恢复或机动过程中预测飞机的飞行轨迹。“地形扫描”根据飞机当前空速、转弯速率和飞行轨迹角的不同,从地形数据库中选取适当的区域,构建飞机前方地形剖面图。“碰撞预估”将预测的飞行轨迹叠加到地形剖面图上,判断飞机是否将与地面碰撞。“飞控耦合”响应来自碰撞预估程序的请求,并命令飞机执行自动恢复机动。

F-35战斗机上对地自动防撞系统工作流程说明图(美国洛马公司图片)

地形数据库技术是对地自动防撞系统不可或缺的关键技术。目前涵盖范围最大的地形数据库为“航天飞机雷达地形测绘使命”(SRTM)数字地形高程数据库,该数据库是2000年由美国“奋进”号航天飞机测绘而得,覆盖全球80%以上的陆地表面,经处理的数据精度达平面精度±20米、高程精度±16米。

导航与传感器技术用于对飞机进行精确定位。为了防止在战斗中暴露自身的位置,传感器要求无源。F-16的对地自动防撞系统利用来自嵌入式全球定位系统/惯性导航系统的信息进行定位。

针对F-1640批次前采用的模拟式飞控计算机,洛马公司和BAE系统公司开发了一种混合计算机技术,将数字处理器嵌入到模拟计算机中,使之可以运行自动防撞系统软件。

3.应用效果

自动对地防撞系统自安装在F-16上以来取得了显著效果,安装后一年多,就已经4次避免了F-16的撞地事故。截至2019724日宣布为F-35A加装时,该系统已在F-16上运行5年,挽救了8名飞行员的生命。美空军估计:在F-16剩余服役期内,该系统还将拯救10名飞行员和14架飞机,由此减少损失5.3亿美元;在F-35A服役期内,该系统可防止至少26次撞地事故。

“自动防撞地系统”对美空军F-16战斗机机队的安全性影响统计数据(美空军图片)

四、启示

飞行安全是各国空中力量都高度重视的一个问题。美空军的实践已证明,对地自动防撞系统是防止可控飞行撞地事故的有效解决方案。该军种已经完成了对地自动防撞系统的研发,正在加速多机型、跨军种推广应用,同时开展了综合自动防撞系统的研发,将有效提高美军训练和作战飞行的安全性。

孙友师先生已为《空天防务观察》提供6篇专栏文章,如下表:

序号 篇名
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5 2019117
6 美空军F-35A战斗机装备对地自动防撞系统(即本篇) 1016

(中国航空工业发展研究中心孙友师)返回搜狐,查看更多

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