絕地逢生 F—16V“蝰蛇”戰斗機的新型地面防撞系統

溫杰

除了重點升級火控系統和駕駛艙外，洛·馬公司在優化發展F-16V方案過程中還不失時機地增加了一項飛行安全技術――自動地面防撞系統（Auto GCAS）。該系統由美國空軍研究實驗室（AFRL）、洛·馬公司和NASA聯合研制，可以有效避免飛行員在訓練、演習和作戰期間無意識地撞向地面等障礙物，造成機毀人亡的嚴重事故。目前，這一技術已經用于改裝美國空軍的F-16系列戰斗機上，并開始大顯身手，在不到一年時間里先后挽救了3名飛行員及其駕駛的F-16戰斗機。

作為F-16V戰斗機的可選配置，尚不清楚中國臺灣空軍和韓國空軍是否會選擇加裝這一系統，但是洛·馬公司在向印尼空軍提供全新的批生產戰斗機時，毫無疑問會直接在飛控系統軟件中嵌入這一功能。從長遠效益來看，這種最新的飛行安全技術必將成為F-16系列戰斗機的“守護神”，而Auto GCAS的研制與發展經歷一個從前沿技術到立項研究、再從飛行測試到升級改裝的漫長過程。

2011年7月28日，美國空軍一架F-16C戰斗機在奧什科什機場降落時偏離跑道

頻繁出現機毀人亡

自從本世紀初以來，美國空軍針對現役戰斗機在訓練和演習期間出現的機毀人亡事故，一直在尋求各種技術措施，力求解決可控飛行撞地（CFIT）所導致的飛行事故頻發的問題，大幅度降低戰斗機在戰術訓練中的事故率，及時挽救飛行員的生命。

CFIT是指飛行員駕駛一架性能完好的飛機，在沒有意識到危險來臨的情況下撞向地面、山峰、水面或障礙物，結果造成機毀人亡的嚴重事故。這個術語是波音公司的工程師在20世紀70年代末首先提出的。從民航運輸來看，客機墜毀到地面可能涉及惡劣天氣和導航設備等多種問題，但飛行員操作失誤是CFIT事故中最常見的因素。

多年以來，CFIT引發的飛行事故是美國空軍戰斗機/攻擊機發生機毀人亡事故的頭號原因，已經成為一個亟待解決的問題。早在2003年，美國國防部安全監督委員會（DSOC）通過分析前十年的統計數據發現，1993—2002年間，美國空軍發生的一等事故中，25%是由CFIT引起的。為此，DSOC提出應該及時采取一些有效措施，將軍用飛機事故減少50%的要求。

其實，早在20世紀80年代中期，AFRL、NASA和洛克希德公司就意識到需要發展一種Auto GCAS技術，并在90年代中期啟動了自動防撞技術（ACAT）計劃。1997年，研究團隊首先開展了Auto GCAS項目，以F-16戰斗機為平臺，在先進戰斗機技術集成（AFTI/F-16）計劃的最后階段進行了技術優化，分別測試了俯沖向地面和飛向山脈一側的感知和控制能力，同時還確定了Auto GCAS可能阻礙飛行員執行標準戰術任務的任何情況。

在當時情況下，Auto GCAS作為一種較為先進的飛行安全技術，要求F-16戰斗機加裝新的飛行控制系統部件，導致了改裝成本過于昂貴，使得相關工作只能停留在研究層面。同時，F-16戰斗機的作戰方式也逐漸發生變化，開始更多地集中于在更高的高度投放精確制導武器。因此，美國空軍決策層認為沒有必要再加裝一種自動恢復系統，只需使用一種基于聲音告警的預報地面防撞系統（P-GCAS）就足以滿足需要。

然而實際情況并非如此，美國空軍在飛行員生命和作戰裝備兩方面都付出了昂貴代價。2000—2009年間，美國空軍的事故記錄表明，仍然有16架飛機損毀和13名飛行員喪生。從技術上看，P-GCAS是一種人工告警系統，存在的問題是它必須為飛行員留出足夠的時間，并不能阻止空間定向障礙、過載誘發的意識喪失、未放起落架著陸或任務飽和等引發的事故。對此，DSOC的高級安全分析師威爾金斯認為，在墜毀的16架飛機中，15架是配備了P-GCAS的F-16戰斗機，這些都有可能借助于Auto GCAS得以避免。

精心研制軟件系統

Auto GCAS從最初概念到技術驗證很大程度上得益于美國空軍對F-16機隊實施的硬件升級。從2000年開始，美國空軍花費了5億美元陸續為F-16機隊實施硬件升級，同時還相應進行了其他一些改進，都有利于加裝Auto GCAS，因此具備更高的成本效益。為此，AFRL和NASA在2006年1月提出一個聯合倡議，并邀請DSOC和美國空軍空戰司令部參與其中，共同擬定了戰斗機風險降低計劃（FRRP），主要目的是在ACAT計劃的框架下，推動Auto GCAS研制和試驗。

ACAT計劃的三個基本原則是“不危害”、“不干擾”和“防止碰撞”。其中，“不危害”確保Auto GCAS將與現有的F-16子系統一同工作，不會引起任何不可預見的問題，可以確保系統不會妨礙使用限制，避免潛在地導致一次事故;“不干擾”關系到Auto GCAS不會妨礙飛行員執行戰術任務;“防止碰撞”主要評估Auto GCAS避免發生CFIT的能力。

按照計劃，FRRP分為三個階段。第一階段將重點發展Auto GCAS。第二階段主要研制自動空中防撞系統（Auto ACAS），設計用于防止戰斗機在空中相撞，全部投資列入到2012財年預算中。第三階段涉及到將地面和空中系統集成到一個單獨的自動防撞系統（Auto CAS）中，目前稱之為自動綜合防撞系統（Auto ICAS）。

實際上，Auto GCAS是一種基于軟件的挽救飛機技術，通過采用機載數字地形測繪數據、強大的地形掃描模式和防撞周期算法來監控飛行軌跡，預測即將發生的撞擊地面狀態，在最后時刻自動執行規避機動。它的算法由軌跡預測算法（TPA）、地形掃描算法、碰撞評估程序和飛行控制耦合等4個主要部分組成。

具體而言，Auto GCAS借助于數字地形高程數據庫和飛機的能量狀態來規劃飛行軌跡，通過比較已知的位置和基于前方路線的地形所預測的位置，確定是否存在即將發生的碰撞。如果確定存在碰撞的可能性，該系統將執行一個規避機動。規避軌跡的預測包括持續評估各種規避類型和機動能力，而碰撞評估程序自動地調整掃描/跟蹤剖面，以適應最恰當的威脅想定。

Auto GCAS自動改變F-16戰斗機飛行軌跡的示意圖

然后，系統確定是否需要采取的規避機動、接近地面的最低飛行高度以及采取規避動作所需的時間。然后，系統立即發出規避指令，如果飛行員（無論何種原因）沒有采取行動的話，將立即接管飛行控制系統來執行規避機動。一旦消除了潛在威脅，系統將把飛機的飛行控制權限交還給飛行員。

聯合開展飛行試驗

2007年，AFRL專門組建了一個綜合試驗團隊，包括洛·馬公司下屬的航空系統公司、美國空軍飛行試驗中心和NASA德萊頓飛行研究中心（現更名為阿姆斯特朗飛行研究中心）。按照合同，洛·馬公司不僅承擔了Auto GCAS的設計、軟件研制、系統集成和地面模擬，還將一架F-16D Block 50戰斗機改裝為試驗機（見題圖）。由于此前曾經考慮引入Auto GCAS，現役F-16戰斗機上的數據傳輸設備已經得到升級，為防撞改進提供了一個更加容易的途徑。

洛·馬公司將軟件更改引入到先進的數據傳輸設備，包括加載防撞程序和數字地形高程數據庫（DTED）。這些改進也相應地補充到數字式飛行控制系統的Auto GCAS機動控制律中。研制人員還修改了模塊化任務計算機，以適應于數據傳輸設備和飛行控制計算機所需的接口。在飛行試驗之前，洛·馬公司在沃斯堡的操縱品質（HQ）模擬設施上對Auto GCAS算法的各項改進進行了全面評估，以在真實環境內全面評估實際硬件。

同時，建立測試程序的關鍵一步是如何發現挑戰性地形的最佳組合。德萊頓飛行研究中心對地球表面做了全面調查，基本要求是驗證DTED的精確性，這對于系統的性能至關重要。ACAT計劃能夠使用航天飛機雷達地形測量任務（SRTM）在2000年獲得的高程數據，這是一個接近全球測量，以產生了圍繞地球的最完整的高分辨率數字式地形數據庫。

F-16D試驗機從愛德華茲基地起飛執行ACAT技術測試任務

洛·馬公司的操縱品質模擬設施，可以在試飛前評估Auto GCAS算法

飛行試驗涵蓋了可以代表曾經出現過的F-16事故的各種情況。研究人員繪制了飛行包線，并將其疊加在試飛模型上。2009年3月，Block A測試通過3次試飛檢查了測試儀器，同年5月開始開始了ACAT/FRRP的真實測試，通過16次試飛Block B系列，識別出Auto GCAS在最初設計中存在的一些異常。當年年底，Block C/D開始，包括一個最終系統評估。

F-16試驗機的試飛驗證了Auto GCAS在飛行員空間定向障礙或高過載誘發意識喪失、在山谷內高速穿行和低速/高速飛向山峰等多種想定情況下，如何擺脫危險、如何保障飛機在極低高度時安全地高速飛行，并最大限度避免意外拉升，降低對戰術任務的干擾。全面的飛行試驗證明，該系統在防止戰斗機撞地的測試中成功率達到98%，可以有效地防止虛假報警或意外拉升，即便是在最苛刻的戰術任務情況下也不會產生干擾。

2010年年底，Auto GCAS憑借著令人滿意的結果獲得了美國空軍的青睞，并被正式列入F-16機隊的M6.2+作戰飛行程序（OFP）升級的一部分。次年3月，AFRL領導的ACAT/FRRP團隊憑借著在Auto GCAS研制和試飛中取得的創新成果，在美國《航空周刊》舉辦的第54屆“月桂”獎中榮獲了“信息技術/電子”獎項。

全面配備現役機隊

作為最新的M6.2+作戰飛行計劃（OFP）軟件升級的一部分，美國空軍已經從2014年10月開始在F-16 Block 40/50戰斗機上加裝Auto GCAS。據國外媒體報道，截止到2014年年底，洛·馬公司已經為440架F-16戰斗機配備了Auto GCAS。由此推測，美國空軍裝備數字式電傳飛控的F-16戰斗機應該全部都具備了自動地面防撞能力。

更值得關注的是，據美國空軍的報道，截至2015年10月底，Auto GCAS在一年時間里已經在危機時刻挽救了3名飛行員及其駕駛的F-16戰斗機。2015年2月初，美國空軍一架F-16C戰斗機從約旦境內起飛，參加打擊敘利亞境內“伊斯蘭國”武裝力量的空襲行動，在持續的空對地打擊過程中，曾經一度陷入CFIT的危險境地，但是借助于新近加裝的Auto GCAS，奇跡般地成為第一架絕地求生的“戰隼”，及時挽救了一名飛行員，并且挽回了一架戰斗機。

從技術途徑來講，韓國空軍的KF-16戰斗機已經采用了數字式電傳飛控系統，可以通過升級軟件直接實現Auto GCAS功能。但是臺灣空軍的F-16A/B戰斗機作為早期批生產型號，采用模擬式電傳飛控系統，則需要進行一些改裝。一種方案是將模擬式電傳飛控系統升級為成數字式電傳飛控系統，直接嵌入Auto GCAS軟件;另一種方案是將一些數字式處理器模塊增加到模擬式飛控系統中，產生了一種混合式數字/模擬飛行控制架構。

目前，世界上大約有1400多架早期F-16戰斗機仍在服役，包括美國空軍的400多架和其他國家的1000多架。從市場來看，Auto GCAS集成到早期F-16戰斗機取決于機隊規模、年度飛行小時CFIT事故率和飛機預計服役時間等因素。AFRL通過相關數據分析認為，為這些F-16戰斗機升級模擬式飛控系統在商業方面是可行的。

有關數據表明，Auto GCAS對于單發戰斗機具有不可低估的重要價值，將在飛行員安全和作戰裝備完好率方面帶來前所未有的回報。基于以往的事故率，美國空軍估算Auto GCAS可能在F-16機隊剩余的服役期內拯救10名飛行員，挽回多達14架飛機，可以節省5.3億美元。在假設目前的事故率依然持續的前提下，美國空軍估計Auto GCAS的引入將挽救多達170架F-35戰斗機，價值超過84億美元。根據美國空軍的最新消息，正在考慮將一部分F-15和F-16戰斗機的使用時間延長到2045年，因此Auto GCAS在保持“戰隼”機隊規模方面的作用更是不容小視。

更為重要的是，作為“增量3.2C”（Increment 3.2C）升級項目的重要內容之一，美國空軍旨在將Auto GCAS陸續配備到F-22戰斗機上。就戰術訓練而言，這種系統可以有效地避免“猛禽”此前因飛行員“缺氧”等問題導致的機毀人亡。按照計劃，這種系統將在2016年加裝到F-35戰斗機上。

可見，Auto GCAS技術可謂物有所值。從經濟效益來講，美國空軍只需Auto GCAS挽救一架飛機就能為這項研制計劃埋單，目前已經接連出現了3起這種情況。對美國空軍而言，這種技術不只是解決一個安全問題，更是關系到現役機隊的持續作戰能力，特別是對于目前已經停產的F-22戰斗機來說，更是有效維持空中優勢的一個重要因素。

（編輯/梔子）

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F-22戰斗機的機毀人亡事故

從近年來有關墜機事故調查的公開報道來看，F-22戰斗機在2009年的戰術測試中出現的機毀人亡就屬于最為典型的CFTI事故。

2009年3月25日上午10時，美國空軍第411試飛中隊的一架F-22戰斗機正在以馬赫數1.78的速度執行一項武器測試任務，突然在距離愛德華茲空軍基地東北56千米處墜毀，試飛員大衛·庫萊當場喪生。據估計，此次事故包括飛機、設備損壞和人身賠償等全部成本超過1.55億美元。

根據目擊陳述、語音和遙控等數據以及模擬再現的結果，美國空軍在當年7月31日正式對外公開了有關此次事故的調查報告，確定F-22戰斗機墜毀的主要原因在于：試飛員在連續實施高過載機動后出現短暫的意識喪失，未能及時地控制飛機的姿態。

當時，F-22戰斗機正在對一種未公開的武器實施掛架試驗，庫萊連續實施了3次同樣的高過載機動，以便收集各項數據。在第3次機動時，庫萊出現了“近乎過載誘發的意識喪失”（A-LOG），在至關重要的4秒鐘內，未能及時地脫離高過載俯沖，錯失了改出F-22戰斗機的最佳時機。

此后，庫萊盡管從A-LOC狀態下恢復出來，并嘗試恢復飛機，但是F-22戰斗機卻已經處在馬赫數1.3、急劇俯沖狀態下，缺乏相應的安全恢復和彈射的高度。在高度只有1188米、逃生時間只有1.49秒的緊急情況下，庫萊本能地實施了彈射，但是F-22戰斗機的速度超出了“先進概念彈射座椅”（ACES II）的可生存包線304千米/時。結果，F-22戰斗機徑直撞向地面。