战斗机的自动防撞

晨枫

有道是，天空任鸟飞，但飞机在天上是会碰撞的。飞机之间可能互相碰撞，飞机还可能会撞上山峦或者其他地物。有些碰撞是系统失控的结果，但大多数碰撞是由于飞行员的操作错误、大过载飞行导致暂时丧失意识或者空间错觉造成的。美国空军的研究表明，自70年代末F-16投入使用以来，72%的碰撞和坠机事故是可以避免的，其中24%是空中相撞，其他的是操作错误（术语为受控触地，简称CFIT）、过载导致昏迷（简称G-LOC）和空间错觉（如海天一色时分不清天空和海面或者在夜间分不清星光和灯火）而触地。用自动控制技术避免飞行员错误或者暂时失能造成的碰撞或者触地事故早就是人们孜孜以求的事情，但自动防撞的实现是30多年不懈研究后才实现的。有说法这是继弹射座椅后对战斗机飞行员最重要的安全措施。
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战斗机是有弹射座椅的，但弹射座椅也不是什么时候都救得了命的，尤其是飞行员操纵不当，错误估计了拉起高度的话，经常连弹射的机会都没有。60年代时，英国皇家空军开始引入F-4K“鬼怪”式战斗机，取代“闪电”式战斗机。“闪电”采用独特的上下并列双发，机翼平面形状也很独特，既可以说是翼梢与后缘平行的后掠翼，也可以看成内侧被切去三角形的三角翼。“闪电”式的机动性很不错，尽管已经临近退役，新锐的“鬼怪”式在空战格斗训练中还是不容易讨到便宜。但“鬼怪”式中队是重点部队，优秀飞行员趋之若鹜，在空战格斗训练中“有责任”打败行将退役的“闪电”式。在一次训练中，双方打得难解难分，从高空缠斗到低空。“鬼怪”式意外地做了一个低空筋斗，最低点离地只有2米！“闪电”式自叹弗如，拱手言败。英国飞行员有着陆后到基地酒吧喝一杯的传统，这天“闪电”式飞行员由衷地赞美了“鬼怪”式飞行员几句，“这样的动作你也敢做啊！”但后者心里暗暗叫苦：天地良心，这实在是太托大了，你是没有看到我差点就大小便失禁了啊！在训练和实际作战中，这种需要自动防撞“把关”的地方并不罕见。
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自动防撞的第一步是在正常飞行中避免触地，尤其是低空飞行。在60年代，雷达控制的高炮和防空导弹开始普及，依赖高空高速硬闯不行了，但雷达的低空盲区依然存在，飞机改用低空突防。突防高度越来越低，速度越来越快，低空飞行的安全问题也越来越突出。另一方面，机载雷达开始普及，地形跟踪和地形回避成为战术飞机的前沿技术。地形跟踪是用雷达对前方地形进行扫描，如果有障碍物，将自动拉高，飞越障碍物，然后再自动降低到规定的高度。
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地形跟踪极大地降低了突防飞机在雷达前的暴露时间，但地形回避更进一步，不是自动拉高避撞，而是保持高度，自动绕过障碍物。当然，到绕不过去的时候，最后还是要拉高飞越的，所以地形回避总是包含地形跟踪的。
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5 ~/ q, {  S/ |' T0 e背运的美国F-111战斗轰炸机和下马的英国TSR-2侦察轰炸机是最早采用地形跟踪和地形回避技术的战术飞机。这以后，地形跟踪和地形回避成为越来越多战术飞机的标准配备。另一方面，飞行员在高g机动后失去知觉而无意识放松操纵杆的话，有的飞机也有自动回正功能，自动把飞机设置在水平、直线、维持速度的状态，等待飞行员恢复知觉。但事故坠机还在继续。

数字飞控已经是广泛采用的技术了，与避撞雷达交联也不难实现，但现代战术飞机需要高速贴地飞行，或者高速俯冲、在最后一秒钟才拉平，而且要求动作泼辣，这是战术需要决定的。因此，战斗机自动避撞不仅要自动避免碰撞，还要容许泼辣的飞行动作，只有到不自动干预就将导致近在眼前而且不可避免的碰撞事故时，才可自动干预。过度保守而容易过早拉起的自动避撞注定要被飞行员关掉，避撞和不影响战术动作对飞行员是同等重要的事情。
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8 ]' d- u! u' d  a' R; K$ S- q在技术上，留有足够余量的自动避撞不是太难，但在泼辣飞行中确保几乎没有任何差错余地的“最后一秒钟”自动避撞，这就难了。最大的难度在于要精确判断是不是到了最后一秒钟。过早干预对正常战术动作是不必要的干扰，太晚干预当然就达不到避撞的目的，失去了系统存在的意义。

0 U: ]  L" N# w2 L7 X在自动控制中，有三种基本的控制方式：
' H" ?0 T* c7 ]1.        设定值控制
" Z2 e3 ]) _# ]4 D8 l, h2.        随动控制
4 u3 W2 v5 c0 Y+ F4 P7 s3.        约束控制
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设定值是期望控制参数达到的数值。在高速公路上，汽车定速巡航设定在100公里/小时，这就是设定值。实际速度低了，系统会自动加一点油门；实际速度高了，则会自动减一点油门；最终使得速度回到到设定值。

定速巡航也是典型的设定值控制，设定值相对固定，主要控制挑战是补偿各种干扰影响。对于定速巡航来说，上下坡、顶风等都是外来干扰，油门会自动相应补偿。
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随动控制的设定值是可变的，主要控制目的是使得控制参数跟上设定值的变化。传统飞控就是典型的随动控制，飞行员通过操纵杆给出的舵面动作指令就是设定值，飞控系统要尽量无偏差、无滞后地实现规定的实际舵面动作。干扰补偿也是要的，但跟上设定值变化是主要要求。
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约束控制则不同，并无明确的控制目标，但有明确的不得越过的参数边界。方兴未艾的汽车车道自动保持就是约束控制，保持在车道中央并不是控制目标（否则在没有车道线的广场的话，控制系统就要发神经病了），但车辆有可能越线的时候就会自动干预，确保车辆继续在车道内行驶。
* ]9 l: u% {2 Z: j+ a4 [0 z. c( D
) e4 I) k6 ]* p4 f" I这些不同的控制方式并不互相排斥，自动飞行仪按照航线点自动转弯，或者在规定的时候自动升高、降低，这是随动控制；但在航线点之间保持直线、固定高度的飞行就是设定值控制。先进的定速巡航不仅保持速度，还可与自动车道控制结合，这是带约束的设定值控制。

约束还可以是动态的。比如说，定速巡航可以与前车探测相结合，距离过近或者前车减速时，自动减速，保持车距。这是带动态约束的设定值控制。

另一方面，约束控制有硬约束和软约束。简单地说，软约束在控制参数越界时用最大努力拉回来，但并不是绝对不容许越界。自动车道控制就是这样的，越过车道线需要尽一切可能拉回来，但越线本身并不是绝对不容许。但硬约束绝对不容许任何越界， 像在悬崖边上开车，悬崖边就是硬约束，越过了就掉下去了，就不是什么尽最大努力的问题了。战斗机防撞也是一样，触地就晚了。

约束控制是基于动态数学模型的。动态数学模型不是简单地从当前状态画延长线，而是考虑到飞行员操纵输入、当前姿态、飞机重量和重心、发动机剩余推力、外挂的气动阻力、气动控制翼面和发动机推力的响应时间、局部大气和风力条件的影响、地面效应的影响等，这样才能精确预测飞机的惯性和在操纵动作（包括加油门）下飞机在未来一段时间里的飞行轨迹。如果模型足够精确，在理论上是能够精确到最后一分一厘的。实际上做不到这样的精确度，那就需要留一点余量。难点在于，从战术需要出发，余量越小越好。这正是战斗机自动防撞用了30年研发时间的一大原因。
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另一大原因是一体化的数字控制，不仅要包括飞行控制，还要包括发动机控制，才能完美实现自动防撞。

还有一个原因是精确的数字化地形图。现代战斗机雷达都有地形测绘功能，但雷达只能看见视界内的前方，不可能知道山背后的地形，对两侧地形也不甚了了，必须与数字化地形图相对照，才能有效规划最优脱离路径。

地形模型是三维的，用打格子的方法可以把地形标高数字化，每一个相同长宽的细方柱的平顶代表这一地点的高度。由于方柱是规整的，地形是不规整的，因此保险起见，用相当于外接圆的方法取这一块的最高点。

2 S# W' a# m1 Q由于自动防撞只能沿方柱的外侧飞过，过于粗疏的格子导致过度保守的防撞飞行路线，不符合战术要求。但格子越细密，数据是越精确了，数据量也更大。由于数字化地形图不光覆盖当日任务，还需要足够的余量，一面万一飞出界的情况。实际上，需要输入整个地区的数字化地形图。这不光是储存的问题，也带来数据检索速度的问题。高度近地飞行中的自动防撞需要的计算速度极快，不能被过度琐碎的数据处理拖累，所以地形数据库的网格尺寸是很有讲究的事情。

F-111和TSR-2的地形跟踪还是设定值控制，只要求保持高度。这也是需要飞行员有意开启才工作的模式，也不能防止低空翻飞时的意外触地。真正的战斗机自动防撞是纯约束控制。在具有精确动态模型、飞行-发动机一体化控制和精确的数字化地形图之后，战斗机自动防撞就成为可能。
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0 C8 E3 L. L0 H$ v- L4 MNASA和美国空军研究实验室（美国空军的主要科研中心）联合研制的战斗机防触地系统（简称A-GCAS）里，计算机根据当前数学模型计算出未来5秒内的飞行轨迹，与前方18000英尺（约5486米）和两侧各5500英尺（约1676米）范围里的数字化地形图相比较，判断是否需要拉起，以及什么时候才必须拉起。由于飞机不一定是两翼水平地接近地形障碍，直接拉起未必是最优脱离路径，有可能是向一侧滚转再拉起更合理。在另一种情况下，也有可能是从滚转状态改平后再拉起更加合理。倒飞状态会首先回正然后脱离，筋斗如果高度不够也自动改平脱离。这些都是控制决策要决定的问题。在自动脱离后，还要在适当时候释放自动控制，使飞行员可以接管正常的飞行控制。在整个飞行路径上，A-GCAS时刻在计算和比较多个脱离路径，只要有任何一个路径依然可行，就不必自动介入、启动脱离动作。A-GCAS无法猜测飞行员的下一步意图。如果飞行员主动脱离了危险路径，那就不应该自动介入。只有飞行员“一意孤行”到最后时刻，才自动介入。
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这最后时刻真是最后时刻，因为A-GCAS一旦启动，就是5g机动，任何低于5g的规避动作都留给飞行员自己做。在起飞时，高度超过400英尺（约122米）、速度超过200节（约370公里/小时）后A-GCAS自动接通。A-GCAS有不同模式，容许飞行员自行设定最低拉起高度，可设定的最低高度是50英尺（约15米）。
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+ _" O4 Z  z0 r. a有意思的是，副油箱并不能承受5g过载，A-GCAS不考虑这个问题，防撞比结构损坏更加优先。当然，要考虑也不难，把5g拉起降低到比如说2-3g，但那样就容易过早触发，会影响一般战术动作。而这样的关键参数为了避免人为错误，是在厂家就固定的，不能由飞行员或者地勤在现场重设。当然，随着使用经验的增加，未来可能容许现场重设，这在技术上不难做到。

: b, n' @, E7 X% lF-16上的A-GCAS在2014年投入使用，当年就挽救了2架飞机。到现在，A-GCAS已经累计挽救了6架飞机，7名飞行员（其中一架是双座）。美国空军还公布了一段视频，其中一名受训的外国飞行员在8.3g筋斗后拉起时失去知觉（G-LOC），飞机在全加力状态下从17000英尺（约5182米）俯冲，大约22秒后俯冲角度超过50度，速度超过音速。在另一架F-16里伴飞的教官呼叫拉起未果，但A-GCAS在8760英尺（约2670米）高度自动切入执行5g拉起，速度已经达到652节（约1207.5公里/小时）。这时飞行员苏醒过来，拉杆恢复（短时间里达到9.1g），高度已经跌到1332米。从飞行员失去知觉到恢复控制大约30秒。如果没有A-GCAS，这几乎肯定成为这个飞行员人生的最后30秒。
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由于每种战斗机的动态特性都不同，A-GCAS的数学模型必须对每种战斗机分别研制。F-16因为主要承担空对地任务，需要近地飞行，在Block 40/50上首先装备A-GCAS。美国空军接下来计划为F-35装备A-GCAS。在2000-14年里，19架F-16因为CFIT撞地，16名飞行员丧生。2014年装备A-GCAS后，再也没有任何F-16因为CFIT或者G-LOC而坠机。估计到2040年，A-GCAS可望挽救40架F-16和F-35，57名飞行员。CFIT实际上占非发动机导致的坠机的一半不到，但占飞行员损失的75%以上，因为飞行员常常来不及跳伞。相比来说，发动机故障时，飞行员还有更多机会跳伞。

, |# w. D8 q9 z/ l+ q" |# k( e由于2015年德国之翼航空公司的一架A320因为飞行员的自杀倾向，故意撞山，造成惨重伤亡。A-GCAS在理论上也可以配装民航客机，避免这样的事情发生。但A-GCAS只能防止意外撞山，如果飞行员有意关掉A-GCAS，那就没有办法了。但A-GCAS也是必须能由飞行员关闭的，否则就没法降落了。这已经不是技术问题了。

  T4 ]/ c+ X" X( r; P7 C9 XA-GCAS是第一步，接下来是空中防撞。在密集编队或者对抗性训练中，战斗机是有可能空中相撞的。与A-GCAS相似，自动空中防撞（简称A-ACAS）首先计算未来飞行路径。与A-GCAS不同的是，防撞的对象是另一架飞机。

* a$ O% k6 w+ z! z3 O: @A-GCAS有合作与非合作模式。在合作模式中，两架飞机通过数据链互相通报未来飞行路径，互相判断是否有相交可能，并决定是否需要启动自动避撞，并且协调脱离路径。在滚转拉起时，还要考虑横滚状态掉高度的问题。但由于两架飞机的进入状态和可行脱离路径的不同，并不总是两架飞机同时脱离，可能出现只有一架飞机执行脱离，而另一架飞机保持原状态飞行的情况。
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* C; F# B1 }2 m" D合作模式在友机之间实现，对于敌机或者未装备A-ACAS的飞机之间，就只有用雷达实现非合作模式了。非合作模式假定对方按照原状态保持飞行，以此规划脱离路径。

& @* X) l2 V) ?0 A; d3 g另外，A-ACAS不能孤立地工作，地形防撞依然必须保证，不能出现一面在空中转弯避撞，一面飞向地面障碍物的情况。在规划脱离路径的时候，同时要考虑到地形，不会等到没法逃逸的时候再执行规避。另一个情况是对空域高度的限制，训练高度不能进入民航航线高度，但避免超高的控制比较简单。因此，A-ACAS必须与A-GCAS相整合，结果就是一体化的自动防撞系统（简称A-ICAS）。所有自动介入都以语音和图示方式提醒飞行员，并不会在飞行员不知情的情况下“莫名其妙”地把飞机带向意想不到的方向。
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3 T6 M* q" ~( R- w* |$ l与主动电扫雷达、信息融合、、分布式光电系统等先进技术相比，A-ICAS不抓眼球，但这是切实改善飞行安全的，尤其是高强度训练中的飞行安全。值得高度重视。
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天狼星

想起前不久披露老轰6的文章，老式轰6上飞行员每时每刻都要跟操纵杆较劲，限制航程的一个重要因素不是航油和发动机，而是飞行员体力跟不上了。。。新操控系统到战神才改过来。
外国在飞行安全方面继续领先啊，国内不知道战斗机防撞研究到哪一步了。

猫元帅

天狼星 发表于 2018-4-30 08:15
3 G& v5 r, ], }: g4 w想起前不久披露老轰6的文章，老式轰6上飞行员每时每刻都要跟操纵杆较劲，限制航程的一个重要因素不是航油和 ...

限制航程的毫无疑问是航油和发动机啊。否则干嘛美苏都要造大飞机呢。
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图-95能够绕日本一圈，轰六再怎么魔改，也突破不了物理限制啊。

晨枫

天狼星 发表于 2018-4-29 18:15
想起前不久披露老轰6的文章，老式轰6上飞行员每时每刻都要跟操纵杆较劲，限制航程的一个重要因素不是航油和 ...

+ r1 I3 [5 Z  M! y) H4 ^老轰6那个太奇葩了。不过这是苏联传统。米格-15 vs F-86就有这个问题，F-86有液压助力，硬指标不及米格-15，实战中反而更加灵活。

晨枫

猫元帅 发表于 2018-4-29 18:51
8 j6 P* }6 }' S8 v. ?+ x限制航程的毫无疑问是航油和发动机啊。否则干嘛美苏都要造大飞机呢。

# X3 V" w/ T/ g* X8 q& y+ S图-95能够绕日本一圈，轰六再怎么 ...

0 i0 B0 i2 Q  \: ?4 u轰6魔改绕日本一圈是做得到的.炸弹舱改燃油舱，更加省油的发动机，改变了原来的物理限制。

阿忙

鬼怪式的机动能力这么强啊，我一直以为这家伙不行呢

晨枫

阿忙 发表于 2018-4-30 06:28
鬼怪式的机动能力这么强啊，我一直以为这家伙不行呢

. j" Q. H- }+ M) i) |- |( b: P鬼怪式的机动性不错的。由于上舰要求，翼载低于同时代空军战斗机，反而帮了机动性一把。鬼怪式的问题在于推力相对不足，所以机动的时候要管理好能量。米格的推重比更高一点，但航程就差多了，机载系统也不能比。在老鸟手里，鬼怪式可以压倒米格；在菜鸟手里，米格对鬼怪式撩了就走就比较容易。

木不铎

/ C! ]: b' Q6 p( m' n; ^
! k3 g0 b. V! Z" {     可以参考一下鸟儿

3 U$ Y4 M( _. O7 Yhttp://www.youtube.com/embed/V4f_1_r80RY
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