宋珂珂　陈宇

近年来，美军为加强飞行安全建设，减少坠机事故造成的装备和人员损失，正在从半自动化的战斗机防撞系统升级成自动防撞系统（ACAS）和一体化自动防撞系统（AJCAS），进一步提升各军种战斗机的安全系数。

两种重大事故催生自动防撞系统

2006—2016年，美国海军和海军陆战队列装的F/A-18“大黄蜂”战斗机共发生40起事故，其中1 5起事故飞机坠毁，直接损失26亿美元。其中的14起是由飞机半空相撞或者是“可控飞行撞地”（CFIT）事故，尽管这类事故比例只占35%，但是造成的损失却高达50%，飞行员丧生的比例更是高达73%。

根据美国海军安全中心2016年9月发布的数据显示，2015—2016年，美国海军有5架F/A-18战斗机坠毁，3名飞行员因可控飞行撞地事故丧生。为避免类似事故，飞行员需要小心计划飞行路线，美国海军也研发了大量的辅助系统来降低事故概率，但是CFIT事故仍然是战斗机和飞行员损失的最主要原因。

据美国飞机工业协会（AIAA）2004年出版的《航空定向力障碍》一书介绍，CFIT事故是指发生在飞机受控狀态下，但是最终仍然撞到地面、山峰、水面或障碍物，而且灾难的发生没有任何预先征兆。这一定义显示，当飞行员意识到将到发生空中碰撞时，已经来不及做出有效的反应。美国联邦航空局（FAA）和国际航空协会也认为，CFIT事故是民航相撞事故的第二大原因，在美国乃至全世界范围内时常发生。尽管飞机失控是造成坠毁的第一大原因，但也是最近才超过CFIT事故的比例。

美国国防部“航空安全改革任务部队”拟制的《2004年战斗机/攻击机自动防撞系统案例研究报告》，也清晰地指明了CFIT事故的危害。报告透露美国国防部认为CFIT事故是造成部队生命、财产和作战能力损失的首要因素，可控飞行撞地导致的事故总是导致机毁人亡的结局，对飞行机组而言最为致命。

美军认为，空中相撞与CFIT事故略有不同，是非常特殊的军事难题，而且发生的概率非常高。1998年，美国联邦航空局的一份报告显示，民航的空中相撞事故排名事故比例首位，而军用飞机空中相撞导致事故的比例仅排在第十位。但是到了2004年，空中相撞已经成为战斗机坠毁的第五大事故原因。美军战斗机部队牺牲的飞行员有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。

如此之高的比例可谓触目惊心，美军为此展开了细致的研究，力图寻找事故根源，以便推出改进措施，大幅降低此类事故比例，从根本上解决飞行员和战斗机损失的问题。

半自动化系统难以根本解决问题

美军通过大量分析研究认为，空中相撞和CFIT事故的原因主要是由于飞行员的生理限制。一般而言，CFIT事故都是飞行员的飞行空间定向障碍导致，发生灾难时飞行员由于注意力局限造成态势感知（SA）丧失。注意力局限又是所有机组人员共同面对的问题，也是空中相撞的主要原因。相应地，美军发展了能够提醒飞行员面临危险的机载系统，使机组人员提高注意力，重建态势感知，及时操控飞机避免事故。

近几十年来，美军研发了多种型号的空中防撞系统，比如利用视觉原理的报警灯或平视显示器（HUD），在HUD上显示“拉起”（pull-up）、“注意地形”（terrain）的提示，或者是一个向上的箭头。视觉提示之外，通常还伴有语音提示，提醒飞行员快速拉起飞机。但是，有观点认为很多空难中黑匣子的录音显示，每次听到pull up的提示就基本宣告这架飞机死亡了，甚至是pull up刚刚响起就结束飞行记录了。等于告诉地面空管和周围飞机，该飞机遇险失事，因此认为空中防撞提示是“鸡肋”。

不过，尽管有不同的观点，这些提示系统还是大量整合到现代作战飞机的航电系统，其中又包括低空告警（LAW）、接近地面告警（GPWS）、地形规避告警（TAWS）和地面防撞系统（GCAS）。低空告警系统相对简单，其核心部件是雷达测高计，飞行员根据自身的特点选择启动告警的临界海拔高度，以便及时操控飞机规避地形。地形规避告警和地面防撞系统更为复杂，核心部件是机载惯性制导系统，外加GPS导航系统和全局地形雷达系统（或是数字化地形海拔数据测算系统），提供一系列不同的告警提示，包括低空告警和平显提示，为飞行员恢复态势感知提供全方位的精确指示。但是，这些系统仍然需要飞行员输入海拔临界值，也就是还需要人为参与才能解决问题。因此，半自动化的系统并不能完全解决人类注意力局限的问题。

在“可控飞行撞地”事故预防上，美国同样研发系统提醒机组，防止与附近的飞机相撞。空中交通防撞告警系统（TCAS）实时提供附近飞机的精确的航程、方位角、海拔信息，装备该系统的飞机有一部海拔高度发射机应答器，向机组人员提供多种语音和视觉提示。尽管TCAS主要用来满足民航的安全需求，美国海军和海军陆战队战术飞机并没有这样的需求。但是毫无疑问，这些技术积累为美军降低事故概率提供了可能，比如，F/A-18战斗机的地形规避告警系统，自从安装以来就明显降低了CFIT事故概率。但是，“可控飞行撞地”事故仍在接连发生，这就刺激美军开发更先进的系统，进一步降低事故概率。

自动化防撞系统原理研究

飞行员的驾驶操控时做出有效反应一般分为三步，第一步是必须认识提示信息并做出正确反应，第二步是将正确的反应转化为“运动反应”，最后还要将运动反应转化成操控动作，比如操纵杆和油门，理论上需要230～250毫秒。在第一步中，可能会出现多个提示，都需要大脑反应，第二和第三步也需要飞行员熟练掌握飞机的所有操控动作，综合因素影响之下，反应时间就会延长，受空间定向障碍影响，反应时间还会进一步增加。美军的低空预警操作时间是750毫秒，“运动反应”时间要求为500毫秒，在这之内要能够触碰到所有盲区内的按钮或操纵杆，因此对飞行员提出了极高的要求。

即使以最短的250毫米计算，飞机在飞行员反应时间里以480节（889千米/时）、30度俯角的速度飞行（典型的俯冲轰炸模式），飞行高度就下降了30米，到飞机拉起时已经下降了90米。如果是两架战斗机以450节（833千米/时）的速度飞行（典型的视距内狗斗模式），四分之一秒的时间就接近了106米，还是非常容易发生碰撞事故。

在事故等级划分方面，美军规定造成200万美元损失或发生亡人、终身残疾的事故为A级事故。据美国海军案例中心统计，1985年至今，美国海军和海军陆战队共计发生1172起A级事故，其中193起是发生在各种型号的F/A-18“大黄蜂”战斗机上，损失了185架飞机、有86名机组人员丧生。其中，CFIT事故损失了34架飞机和26名飞行员，空中相撞事故损失了38架飞机和28名飞行员，合计在“大黄蜂”所有A级事故中所占比例为40%的飞机和63%的人员，远远高于美军整体事故中CFIT和空中相撞的损失比例（22%的飞机和28%的人员）。

F/A-18（A/B型和C/D型）“大黄蜂”战斗机机队的平均飞行小时QqT事故率是每16万小时损失1架飞机，空中相撞事故率是每23万小时损失1架，两者综合就是9.75万小时损失1架飞机。按机队年均飞行3万小时计算，7年时间因这两类事故至少要损失两架飞机。而F/A-18E/F“超级大黄蜂”战斗机机队的事故比例大大低于这个数字。该机型研发运行120万飞行小时的历史中只发生了一起CFIT事故。在过去的6年里，机队年平均飞行12.9万小时或稍多，空中相撞事故率是每12.8万小时一起。如果今后“超级大黄蜂”年飞行小时数不变，则空中相撞将导致平均每年至少损失一架飞机。

未来，“大黄蜂”系列战斗机还要减少因生理因素造成的事故，比如意识丧失（G-LOC）、缺氧、空间定向障碍等。1985年以来，已经有14架F/A-18因飞行员生理因素坠毁。尽管不是典型的CFIT类事故，但是其中两起是由于意识丧失造成的CFIT，同样导致机毁人亡。这一组数据表明，更先进的机型由于机载航电系统更加先进，事故概率也会下降，这就促使美国海军引入更先进的自动化防撞系统来解决问题。

自动化防撞系统

美军的自动防撞系统已经发展了30多年，美国空军发展的自动地面防撞系统（AGCAS）就是其中非常普遍的一种。AGCAS由空军研究实验室、洛克希德一马丁公司在NASA的研发验证项目基础上开发，可以使撞地事故降低90%。自动防撞系统开发的3个基本原则是“不危害”、“不干扰”和“防止碰撞”。其中，“不危害”确保AGCAS将与现有的F-16子系统一同工作，不会引起任何不可预见的问题，可以确保系统不会妨碍使用限制，避免潜在干扰导致事故。“不干扰”原则要求AGCAS不会妨碍飞行员执行战术任务。“防止碰撞”主要评估AGCAS避免发生CFIT事故的能力。

AGCAS是一种基于软件的挽救飞机技术，通过采用机载数字地形测绘数据、强大的地形扫描模式和防撞周期算法来监控飞行轨迹，预测即将发生的撞击地面状态，在最后时刻自动执行规避机动，主要的算法由轨迹预测算法（TPA）、地形扫描算法、碰撞评估程序和飞行控制耦合等4个主要部分组成。

具体而言，AGCAS能够不断地将战斗机的飞行轨迹与从机载数字式地面海拔数据库产生的地形剖面进行比较，确定是否存在即将发生的碰撞。如果探测到飞机将要撞到地面时，系统开始进行规避轨迹的预测，包括持续评估各种规避类型和机动能力，而碰撞评估程序自动地调整扫描/跟踪剖面，以适应最恰当的威胁想定。接下来系统发出一个规避指令，如果飞行员没有立即采取措施，系統将自动地获取控制权临时接管飞机，通过数字式电传操纵系统执行一个自动恢复机动来保护机组人员。系统自动恢复机动的动作是紧急滚转加上一个过载5的拉升，直到确认地形安全，再把飞机的飞行控制权限交还给飞行员。

美国空军表示，AGCAS已经从2014年10月开始陆续安装到爱德华兹空军基地、犹他州希尔空军基地和肖恩空军基地的F-16 Block 40/50和F-22等多种机型，列装一年多就已经4次避免了F-16战斗机的撞地事故，预计在F-16机队剩余的服役期内还将拯救10名飞行员和多达14架飞机，能够因此节省5.3亿美元。作为“增量3.2C”升级项目的重要内容之一，美国空军从2015年开始将AGCAS陆续配备到F-22A战斗机，有效地避免了“猛禽”此前因飞行员“缺氧”等问题导致的机毁人亡。未来，AGCAS安全性升级项目还要整合到F-35联合攻击机上，希尔空军基地的奥格登空军后勤综合体将负责升级工作。另外，美国空军也在发展自动空中防撞系统（AACAS），运用机载传感器信息和空中交通信息，通过数据链的传输，进行自动防撞机动，同样是紧急滚转加上拉升。美国空军还计划将AACAS与AGCAS两大系统整合，最终形成一体化自动防撞系统（AICAS）。

自动防撞系统将为美军带来丰厚的回报。早在2003年，美国国防部就制订了减少飞行事故50%的目标，2006年国防部安全调查委员会发布的《战斗/攻击机自动防撞系统案例》也对当时的四种主力机型F-22、F-35F-16和F/A-18的防撞系统建设进行了分析和规划。通过分析此前14年的历史数据，美军计算出因避免F-16发生事故而节约的经费与防撞系统成本比值为1.7：1。美国空军研究实验室近期的研究发现，AGCAS的回报率已经上升到了3.0：1——研发与列装成本6000万美元，2014年“拯救”了4架战斗机，一架F-16的价值约4500万美元。海军据此得出F/A-18预计的回报率高达7：1——研发与列装成本9180万美元，但是在2014年以来已经有5架“大黄蜂”因CFIT事故坠毁，5名飞行员丧生。

根据美国海军安全中心的数据，F/A-18安装TAWS系统之后CFIT事故有所下降，但是10年来每10万飞行小时仍有0.42架飞机因CFIT坠毁，比全寿命周期内的坠毁0.54架仅有微小下降，避免事故还是要靠更先进的AGCAS。尽管2006年的国防部报告没有给出F/A-18采用AGCAS的成本分析，但是，按F-16的5000万美元计算，也能实现1，1：1的收益，AICAS每7年能够拯救10架飞机。美国海军也倾向于引进AICAS，从而保护更多的战机和宝贵的海军飞行员。

编辑：石坚