“黑鷹”直升機以無人模式完成自主飛行任務

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事件的能力。在試驗中，機載激光雷達模擬器探測數字數據庫中的虛擬建筑，“矩陣技術”自動駕駛系統實時規劃新的航線，規避了虛擬障礙物。

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

“矩陣技術”自動駕駛系統開發

西科斯基公司（Sikorsky）于2013年啟動“矩陣技術”自動駕駛系統計劃，旨在減少飛行員在執行常規任務和復雜任務（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行危險任務時的靈活性。直升機安裝“矩陣技術”系統后，能以無人模式執行任務。

與此同時，西科斯基公司開發了一種駕駛艙內置模式轉換器。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”自動駕駛系統協助兩名操控員執行一項復雜任務；在“1”檔時，“矩陣技術”系統作為一種數字化自動駕駛儀，供一名操控員使用；在0檔時，機上無操控員，“矩陣技術”系統控制直升機飛行。

在直升機飛行中，“矩陣技術”系統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劃任務的靈活性，以規避障礙和威脅。該系統采用人性化設計，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”系統不是人工智能系統，而是操控員向直升機發送任務指令。但是，該系統具有較強的功能，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，一臺發動機突然停車，這時飛行員必須在數秒甚至不到一秒內做出決策，是緊急降落還是讓直升機繼續使用其他無故障發動機為飛行提供動力，并獲得足夠的空速以減少飛行動力。面對此類突發事件，“矩陣技術”系統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”系統幾乎每次都能戰勝人類。

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和“矩陣技術”自動駕駛系統。其機頭下方掛載了激光雷達傳感器，用于探測和規避障礙物。

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”系統的量產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。根據操控員的實際需求，分布式系統可提供360°視野覆蓋。

“機組人員駕駛艙內置自動化系統”計劃實施

美國國防預研局（DARPA）項目經理斯圖亞特·楊（Stuart Young）介紹，2016年，美國國防部高級研究項目辦公室啟動“機組人員駕駛艙內置自動化系統”（Alias）計劃，目的是開發一種靈活、可擴展自主架構，提高現役有人機的安全性和作戰效能。9種不同型號的軍機和民機已利用“機組人員駕駛艙內置自動化系統”開展飛行測試。

“機組人員駕駛艙內置自動化系統”負責規劃任務，提供任務執行的方法并按照人類發送的指令完成任務。雖然該系統的自動化程度較低，但擁有諸多優勢。

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“機組人員駕駛艙內置自動化系統”計劃支持下，西科斯基公司正在探索“矩陣技術”系統在軍用旋翼機、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“機組人員駕駛艙內置自動化系統”在洛克希德-馬丁公司F-16戰斗機中的應用也表現出興趣。

“機組人員駕駛艙內置自動化系統”計劃的總經費為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。該計劃現已接近尾聲，預計2022年底結束。西科斯基公司仍在繼續使用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”系統的性能，以開發傳感器數據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，展示了對抗環境下的后勤物質補給能力。

西科斯基公司在“矩陣技術”系統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。

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

現在，美國陸軍須要證明，“矩陣技術”系統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”系統發送指令，“矩陣技術”系統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”直升機傳輸的信號，“黑鷹”直升機自主執行了一項從平板電腦發出的預設任務。

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字數據庫中的建筑物，并將障礙物數據發送給“矩陣技術”系統，“矩陣技術”系統實時對飛行任務進行重新規劃，規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字數據庫，并將位置從曼哈頓區重新定位到坎貝爾堡基地，而“矩陣技術”系統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”系統會重新規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。

西科斯基公司創新部門總監伊戈爾·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”系統在試驗中展示了與眾不同的靈活性和自主處理突發事件的能力。

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，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”試驗中展示自主協同飛行能力。

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

未來發展計劃

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”系統定制為一種套件，供UH-60直升機和F-16戰斗機等現役軍機使用，還準備將“矩陣技術”系統的技術授權給其他制造商。

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