美国自动综合防撞系统飞行测试

自动综合防撞系统飞行测试任务

飞行测试使用的两架F-16战斗机中，盖伊乘坐的飞机作为“攻击者”飞机，代号为“骷髅1号”，是第416飞行试验中队的一架50批次F-16战斗机，试飞员是加拿大皇家空军的交换军官贾米勒·詹久阿（Jameel Janjua）少校，他是自动防撞技术战斗机风险减缩项目的首席试飞员。

作为“目标”的F-16代号为“骷髅2号”，由美国空军的试飞员布莱恩·凯利（Brian Kelly）少校驾驶，观察员是来自空军研究实验室的专家凯文·普林斯（Kevin Price）中校（已退役）。在与“目标”飞机 “交战”的过程中，“攻击者”飞机将作为承担更多动态的角色。

爱德华基地的自动综合防撞系统测试团队

任务的第一部分为重现几个碰撞场景（包括迎头飞过），以展示自动空中防撞系统如何在可接受的相对距离下在合适的时机接管控制权限。第二阶段展示自动综合防撞系统接近地面时的性能，包括通过山谷的“达标测试”。最后一部分是检查飞机在做过激的基本作战机动、重新编队过程中以及超低空贴地飞行时是否符合预期目标。

为了保证安全，在较高飞行高度的测试中，研制人员视不同测试点的情况而在测试软件中添加“禁区”，从而在特定方向上禁止系统触发机动。但自动综合防撞系统的算法无法感知这些区域，好像这些限制并不存在而继续做判断。

作为进一步的安全性措施，研制人员给参与测试的飞机设置了高度偏移，即飞机实际会飞行在不同的高度层上。然而，通过设置系统的算法会认为两架飞机在同一高度，在机动激发时，会根据最佳规避方案发送飞机向上或向下移动的数值表示。“当靠近地面测试时，我们会大幅增加高度偏移并不设置禁区。这样可让飞机向任意需要的地方进行机动，”第416试飞中队的自动综合防撞系统项目领导人查尔斯·伊格（Charles Eger）表示。

在非加力最大推力下全速起飞后，飞机要进行过载感知机动和安全检查，包括打开前后驾驶舱侧杆上的宽柄开关，确保飞机激活自动综合防撞系统。测试之前确认功能是否有效非常关键，它可以保证飞机处于一种正常状态，即如果驾驶员没有识别即将发生的碰撞并关闭这个开关来阻止防撞系统激活，或终止激活而做规避机动，那么飞机将会真的发生碰撞。与“骷髅2号”进入指尖队形飞行后，需要校准高度来确保攻击者与目标之间的高度表显示差距在3m（10ft）内。虽然这是一个看似普通的步骤，但校准高度对这项任务而言很重要。

两架测试飞机正在校准海拔，确保“攻击者”与“目标”在系统上的高度差在3m（10ft）内

测试第一部分：双机碰撞

测试的第一部分是两架飞机在高度几乎无差别的情况下，进行一系列的自动防撞机动。在6096m（20000ft）飞行的第一次测试，“骷髅1号”的起始位置在速度为555km/h（300kn）的“骷髅2号”下方1220m（4000ft）、后方60m（200ft），然后加速到722km/h（390kn）靠近“骷髅2号”，并保持一个翼展的距离。此时，由于事先进行过系统设置，自动空中防撞系统认为二者在同一高度而被激活，“骷髅1号”执行了一个跃升半外筋斗机动，而另一架F-16则向上拉起。“骷髅1号”的操纵者詹久阿表示，他在虚拟情况中试图迎头撞向“骷髅2号”，但在两架飞机几乎没有高度差的情况下，不管出于什么原因，系统认为“骷髅2号”向上飞行而“骷髅1号”向下飞行更符合常理。

这项测试为系统设计者提供了该系统的量化数据：系统是否被激活、激活时机是否合适、反应是否足够强烈亦或太早等。但无论如何，即使有高度偏移，当两架机靠近到27m（90ft）时，两者看起来近得可怕。詹久阿表示，“这让人非常震惊，就算是一名已经飞行了多年的战斗机飞行员，也不见得看到过任何飞机离自己那么近。”

接下来的测试是在6096m（20000ft）的高度，“骷髅1号”向左倾斜15°，以777km/h（425kn）的速度靠近，这个测试的规避动作是攻击者飞机向左而目标飞机向右。之后还进行了第二次小角度交叉相遇，其中“骷髅2号”向“骷髅1号”飞机逼近，它高出60m（200ft）飞行，向左倾斜20°减速，并会在虚拟情况下与“骷髅1号”机头相撞。第一次尝试时，两架飞机同时违反了禁区，因此尽管系统被激活了，但两架飞机都没有做机动。再次进行尝试时，只有“骷髅2号”进行了一个滚转接向右拉升的动作，而“骷髅1号”则又违反了“禁区”而没有机动。

测试还包括了超声速迎头防撞场景。这个试验要求非常高精度的飞行，对双方试飞员的要求很高，两架飞机分别爬升到9144m（30000ft）和9450m（31000ft）的高度并相距65km（40mile）。两者都加速到Ma1.2，以Ma2.4的闭合速度快速掠过测试场。为了安全，在自动空中防撞系统中设置有290m（950ft）的高度偏移，但在虚拟情况中，两架机要在一个翼展的距离上飞过对方，“骷髅1号”飞机出现系统的警告箭头，飞机在即将接触的瞬间执行了向右滚转加5g转弯的规避动作，“骷髅2号”从左侧飞过。事后分析表明在虚拟情况下，两架机对飞时相互之间的最小距离只有107m（352ft）。

这个试验需要抛掉副油箱降低飞机载荷。研制人员称，在目前的设计中，自动空中防撞系统和自动地面防撞系统在自动机动时不会受限于飞机的设计滚转速率。然而，在飞行员主动激发自动规避时（打开手柄），如果在外部油箱内有燃油，则会限制滚转速率。

出于安全因素，在防撞测试期间系统内置了高度偏移

测试第二部分：穿过山谷

测试的第二部分是在1500m（5000ft）高度以下进行的，第一步是在两座大山间（加洛克山与骷髅山）演示迎头对撞的场景。由于离地面太近，出于安全考虑将飞机的相对高度偏移增加到365m（1200ft），而两架飞机在虚拟世界里仍在同一高度。随着两架机都以722km/h（390kn）的速度对飞，飞行员看到相撞警告箭头出现并不断靠近。当两个箭头看起来就要接触时，“骷髅1号”继续平直飞行，而“骷髅2号”做了个爬升机动。

在作战训练过程中，每架战斗机上的自动防撞系统能随时记录下不同的飞行轨迹，但数据链在任一时刻只能传输三条飞行轨迹的数据。而战斗机有9种规避动作可选，其中的7种是在不同倾斜角度的滚转接拉升机动，一种是跃升半外筋斗，还有一种是保持原来的状态什么也不做。因此，研制人员会考虑战斗机的性能，基于几何原理或飞行员的偏好，从可利用的机动中进行优先选择。对飞行员来说，可以通过最小的努力避免一次碰撞，并不是两架飞机全都要机动，“什么也不做”也是一种选择。

在爱德华空军基地试验场，两架F-16战斗机于山谷内进行试验时，其自动综合防撞系统激活后两架机之间的真实相对距离，这时并不考虑高度偏移。

当两架飞机再次飞回山谷重复这一测试任务时，结果不同了。两架飞机都向右倾斜并作5g的爬升转弯。骷髅山的山峰突然在“骷髅1号”的右侧闪现，但是综合防撞系统立即意识到地形的威胁并使飞机与之保持安全距离。“当飞机绕过山峰并在山脉和另一架飞机之间飞行时，大片地形充斥着我们的视野，”詹久阿说，“那才是我们本质上想做的——努力让该系统在飞机和地形之间做出选择，而明智的选择是对两者都进行规避。”

第二步是评估系统对在山谷狭窄的边界中接近并超越其他飞机的任务时的反应。在两山之间，当“骷髅1号”飞机到达“骷髅2号”下方365m（1200ft）、后方1370m（4500ft）的位置时，前者加速到722km/h（390kn）并激发防撞系统。此时同样系统认为两架飞机在同一高度，它控制“骷髅1号”飞机向上飞行。然而在现实世界中，“骷髅2号”几乎在“骷髅1号”的正上方，因此当规避机动被激发时，“骷髅1号”正快速逼近“骷髅2号”的机腹。飞行员詹久阿等到自动规避完成后，在听到了测试点传来的数据采集完毕提示音的同一瞬间，拉动宽柄扳手关闭了系统，重新取得了飞机的控制权，并做了个滚转远离了“骷髅2号”。

对此詹久阿表示，他在听到提示音后，就表明已可在任意时刻拿回控制权。但即使对方飞机已近在咫尺，他也一直等到规避动作完成之后才扳动手柄。自动规避的最长时间是4.5s，但如果让它持续那么长时间则无疑会撞到另一架飞机，因为两架飞机的距离使相撞时间不足5s。但是他此前已在模拟器上飞行了太多遍，依据经验判断，留给他们为不让相撞“得逞”而进行机动的时间大概是1～2s。

在一些更紧迫的情况下，如地形和另一架飞机都距你自身足够近、且构成了威胁时，水平和垂直告警箭头都会出现。水平箭头表明自动地面防撞系统即将做出向上飞行的规避动作，空中防撞系统的箭头是垂直的。在这次飞行测试中，虽然飞机飞过了山谷，但是机动设计时考虑了与地形间足够的间隔，从而未出现自动地面防撞系统的箭头。这表明了该综合防撞系统会避免来自地形和另一架飞机的威胁同时出现。

随着测试的进行，飞机的燃料不断消耗，在伊莎贝拉湖区域与一架波音KC-135R进行了空中加油，每架F-16接受了1587kg（3500lb）的燃油，然后快速返回莫哈韦沙漠进行下一个测试任务。

测试第三部分：故障激发

测试的第三部分是考察在执行典型的基本战斗机动和正常重新编队期间，当飞行员动作太大或者错误操作时，该系统故障激发的易发性。本次测试将防撞系统置于不工作状态，但当触发防撞系统的情形出现时，仍能够在耳机中给飞行员提供音频警告。测试背景是在1500m（5000ft）的高度进行一系列航炮攻击的场景。

第一种情形是小角度追踪机动，当“骷髅2号”进入一个2g转弯时，“骷髅1号”在非加力最大推力状态650km/h（350kn）的速度跟随它，并保持近距追踪直到离前者180～210m，刚好在空军空战训练的最小安全距离圈外（150m）。这种情形下并没有听到任何警告提示音。

第二种情形是“骷髅2号”减小转弯半径向“骷髅1号”切来，或者“强行拐弯”来缩小距离而增加方位角，拉4g的机动复制曾发生的空中相撞情景。“如果飞行员注意力不够集中，或任务饱和，亦或视线固定在目标上时，做基本空中机动会容易出现问题，”詹久阿说，“严格地说，这种问题在经验不足的飞行员中出现得较多，但经验丰富的飞行员偶尔也会遇到。”这项测试是极其困难的，因为飞行员要将系统运行在标准训练中允许飞行的边界上而不触发系统自动规避。

第三种情形是基本战斗机动是其中最激进的一个，要保持小角度近距追击。当两架F-16的距离近到约400m（1300ft）时，“骷髅2号”进行一个360°螺旋闪避机动。“骷髅1号”为了近距离跟住前者，进行了螺旋式猛拉。在螺旋追击的过程中，“骷髅1号”以805km/h（435kn）的速度接近目标，当距离缩短到115m（375ft）时，进入了允许的训练圈内。“在‘骷髅2号’做逃逸机动时，我努力咬住它，通过持续追击进入武器攻击距离并保证安全脱离距离。这是另一个发生过空难的危险区域，有飞行员追得太猛导致空中相撞，”詹久阿说。从故障激发的角度看，这次试验很成功，在整个任务过程中，飞行员的耳机没有出现一声告警音，这表明了该系统并未被激发。

试验证明，尽管两架战斗机进入了空军空战训练的最小安全距离圈（150m）内，自动综合防撞系统也不会故障激发。

不发生故障激发的航炮追击场景试验对该系统能否被接受而言非常关键，它表明该系统不会妨碍战斗机的正常操作。对在空战中飞行的战斗机飞行员来说，他们更愿意相信一个可信的系统，通过使用足够长的时间来证明它能挽救他们和战友的生命。就像自动地面防撞系统那样，只有开始挽救生命，才会获得投资。

在试验后段，两架飞机下降到离地约610m（2000ft），开始进行一系列重新编队任务来测试更多可能发生故障激发的情况。“骷髅1号”以740km/h（400kn）的速度飞行，“骷髅2号”比它慢50kn，具体的重新编队训练包括一架飞机从外延轨迹采用跃升机动直线并入编队、从战术队形直线并入编队和一架飞机采用带跃升机动的转弯并入编队。这一系列动作又在1220m（4000ft）高度进行了重复，其中“骷髅2号”报告在一些任务中听到了警告提示音，这表明系统仍有一些软件改进工作需要开展，以消除在某些地方的故障警告，但这不会成为部署该系统的阻碍。

测试任务的最后阶段，由“骷髅1号”测试低空飞行的故障告警。飞机下降到90m（300ft）的高度，以一个低空飞行模拟战术地形遮蔽和躲避以探测系统故障激发的威胁。当以833km/h(450kn)的速度在山谷地形上呈现为小点的矮灌木丛上方猛冲时，飞机的影子赫然出现。当飞机以仅仅75m（250ft）的距离切过一个山脊时，“注意高度，注意高度”的警告不断发出，但是平显上并未出现警告箭头。这表明自动地面防撞系统是稳定的，即使以如此高的速度在这么低的高度下飞过山脊、平地或倾斜地形，系统也会等到即将撞上的时刻才激发。之后飞机返回了爱德华基地，结束了历时2.7h的测试任务。

结论

美国空军近期开展的这一系列飞行测试证明了自动综合防撞系统不仅能够大幅提升战斗机飞行员的安全性，而且绝不会影响已经在40/50批次F-16上装备的自动地面防撞系统的功能。

对于艰难地率先推进自动综合防撞技术的美国空军和工业界团队来说，该项测试可称为世界上第一个战斗机全方位保护系统的决定性演示。