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9月中旬，美国空军解密了一架F-16战斗机的平视显示器在训练过程中记录的一段视频，首次公开了自动地面防撞系统（Auto-GCAS）在探测到飞机即将撞向地面的千钧一发之际，自动执行了防止飞机撞地的机动飞行，成功地避免了机毁人亡事故。 作为此次成功挽救飞行员和战斗机的先进技术，Auto-GCAS在历经了30多年的研制和发展后，从2014年10月开始陆续配备美国空军的F-16机队。截至目前，这种先进系统在一年多时间里已经4次大显神威，奇迹般地让飞行员和战斗机绝地逢生，为“战隼”保驾护航。 经历惊险瞬间 自从本世纪初以来，美国空军针对现役战斗机在训练和演习期间出现的机毁人亡事故，一直在寻求各种技术措施，力求解决可控飞行撞地（CFIT）所导致的飞行事故频发的问题，大幅度降低战斗机在战术训练中的事故率，及时挽救飞行员的生命。CFIT是指飞行员驾驶一架性能完好的飞机，在没有意识到危险来临的情况下撞向地面、山峰、水面或障碍物，结果造成机毁人亡的严重事故。 这次惊险瞬间发生在亚利桑那州的美国空军航空警卫队，并被全程记录下来。当时，一名来自国外飞行学员与他的美国空军飞行教员分别驾驶一架F-16战斗机在美国西南部空域飞行，接受战斗机基本机动训练。学员驾驶飞机先执行了滚转，然后开始拉升，使F-16战斗机的过载达到了8.3g，目的是体验过载引发的意识丧失（G-LOC）。
在巨大的过载下，这名学员瞬间失去了意识，无法控制F-16战斗机的方向。接着，这架“战隼”机头向下，在发动机全加力状态下，从5182米的高度进入了急剧俯冲状态。仅仅22秒时间，F-16战斗机以几乎低于水平状态50度的姿态飞行，并且达到超声速。 当这架飞机以1087千米/时的速度下降到3755米高度时，伴随飞行的教员焦急地呼叫“2号，恢复！”2秒之后，F-16战斗机已经处于机头低至55度的俯冲状态，高度下降到3292米，速度超过了1135千米/时，焦急的飞行教员再次呼喊“2号，恢复！” 随后不到2秒，当已经发狂般的飞行教员第三次呼叫学员拉起飞机时，Auto-GCAS在F-16战斗机的飞行高度2670米、飞行速度达到1207千米/时的状态下自动执行了恢复机动。此时，逐渐恢复意识的学员立即拉动驾驶杆，将飞机的过载由Auto-GCAS标准恢复值5g增加到9.1g。此时，F-16战斗机的最低高度大约是1332米，而雷达高度表上的显示的最小高度是896米。机载数据表明，这架F-16战斗机从失去控制到恢复安全状态还不到30秒，飞行员逃过一劫。 多年以来，CFIT引发的飞行事故是美国空军战斗机/攻击机发生机毁人亡事故的头号原因，已经成为一个亟待解决的问题。早在2003年，美国国防部安全监督委员会（DSOC）通过前十年的统计数据发现，1993～2002年间，美国空军发生的一等事故中，25%是由CFIT引起的。为此，DSOC提出应该及时采取一些有效措施，将军用飞机事故减少50%的要求。 寻求解决之道 自动防撞技术（ACAT），堪称电传操纵系统问世以来最重要的安全技术，始终得到美国空军的高度重视。20世纪80年代初，美国空军启动了“自动机动攻击系统”（AMAS）项目，作为采用数字式电传操纵系统的“先进战斗机技术集成”（AFTI/F-16）飞行试验的一种安全措施。这种手段是利用雷达高度表来确定战斗机正下方距离地面的位置，但是无法探测战斗机前方的障碍物。 1992年，洛马公司在发展Auto-GCAS技术过程中利用数字式地形高程数据（DTED）替代了最初的雷达高度表。DTED是NASA通过航天飞机雷达地形测量任务在2000年获得的地形高程数据，是一个针对地球表面获得最完整的高分辨率地形数据库。Auto-GCAS借助于给定的战斗机的GPS位置和速度，可以采用DTED来预测战斗机与地面可能发生的撞击。 在初步研究的基础上，美国与瑞典在1997年启动了一项联合计划，旨在将Auto-GCAS发展成为一种适用于F-16机队和“鹰狮”机队的机载系统。这项计划的主要目标包括验证Auto-GCAS可以显著减少飞行员空间定向障碍、态势感知丧失、过载诱发的意识丧失和未放起落架着陆等导致的飞行事故，同时还集中于确定Auto-GCAS可能阻碍飞行员执行标准战术任务的任何情况。 1998年，研究团队按照计划要求，以F-16战斗机为平台，通过49次试飞测试了556次防撞机动，其中一些涉及俯冲向地面和飞向山脉的一侧。从技术角度来看，这项计划达到了预期目标，完全可以改装到现役战斗机上。遗憾的是，Auto-GCAS要求战斗机升级航空电子设备和飞控系统部件，导致改装成本过于昂贵，因此并未得到美国空军的认可。 与此同时，F-16战斗机的作战任务开始转为中空投放精确制导武器，许多人认为没有必要再加装一种自动恢复系统。因此，美国空军在2000年做出了不再继续发展Auto-GCAS的决定，将这种改装方案束之高阁。美国空军认为只需在F-16战斗机加装几种通过视觉和听觉信息提示飞行员的手动告警系统，就可以避免发生CFIT事故，但是在飞行员生命和作战装备两方面都付出了昂贵代价。 幸运的是，2000～2005年间，美国空军对F-16机队实施了大幅度升级，特别是改装了数字式电传操纵系统。这样，F-16战斗机无需改变任何硬件就有可以加装Auto-GCAS。 基本工作机理 2006年1月，美国空军研究实验室（AFRL）与NASA提出一个联合倡议，并邀请DSOC和空战司令部参与其中，共同拟定了战斗机风险降低（FRRP）计划。这项计划是在ACAT计划的框架下，推动Auto-GCAS研制和试验，尽快将这种系统发展到作战使用状态，同时为今后引入到F-22和F-35机队铺平道路。 ACAT计划的三个基本原则是“不危害”、“不干扰”和“防止碰撞”。其中，“不危害”确保Auto-GCAS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，避免潜在地导致一次事故；“不干扰”关系到Auto-GCAS不会妨碍飞行员执行战术任务；“防止碰撞”主要评估Auto-GCAS避免发生CFIT的能力。 Auto-GCAS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。它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，Auto-GCAS借助于数字地形高程数据库和飞机的能量状态来规划飞行轨迹，通过比较已知的位置和基于前方路线的地形所预测的位置，确定是否存在即将发生的碰撞。如果确定存在碰撞的可能性，该系统将执行一个规避机动。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。 然后，系统确定是否需要采取的规避机动、接近地面的最低飞行高度以及采取规避动作所需的时间。然后，系统立即发出规避指令，如果飞行员（无论何种原因）没有采取行动的话，将立即接管飞行控制系统来执行规避机动。一旦消除了潜在威胁，系统将把飞机的飞行控制权限交还给飞行员。 在2008～2010年间，研究团队利用一架F-16D试验机进行了全面的飞行测试，验证了Auto-GCAS在飞行员空间定向障碍或高过载诱发意识丧失、在山谷内高速穿行和低速/高速飞向山峰等多种想定情况下，如何摆脱危险、如何保障飞机在极低高度时安全地高速飞行。试飞表明，Auto-GCAS在防止战斗机撞地的测试中成功率达到98%，可以有效地防止虚假报警或意外拉升，即便是在最苛刻的战术任务情况下也不会产生干扰。 改进现役机队 2010年底，Auto-GCAS凭借着令人满意的结果获得了美国空军的青睐，并被列入F-16机队的M6.2+作战飞行计划（OFP）软件升级的一部分。从2014年10月开始，美国空军在配备有数字式电传飞控系统的第40/50批次F-16战斗机上加装Auto-GCAS，在此期间主要为飞控计算机升级新的处理器。 目前，ACAT团队正在针对早期生产的采用模拟式飞行控制计算机的F-16战斗机（第40批次之前的飞机，简称早期F-16）研制应用Auto-GCAS的相关技术。研制人员提出一种可负担得起的创新解决方案，通过将一些余度数字式处理器模块增加到模拟式飞控系统中，不会影响现有的模拟式计算机，这样就产生了一种混合式数字/模拟飞行控制架构。 目前，世界上大约有1400多架早期F-16战斗机仍在服役，包括美国空军的400多架和其他国家的1000多架。从市场来看，Auto-GCAS集成到早期F-16战斗机取决于机队规模、年度飞行小时CFIT事故率和飞机预计服役时间等因素。AFRL通过相关数据分析认为，为这些F-16战斗机改装模拟式飞控系统在商业方面是可行的。 更为重要的是，美国空军按照“增量3.2C”（Increment 3.2C）升级项目的重要内容之一，从2015年开始正在Auto-GCAS陆续配备到F-22战斗机上。就战术训练而言，这种系统可以有效地避免“猛禽”此前因飞行员“缺氧”等问题导致的机毁人亡。接下来，这种系统将在2016年加装到F-35战斗机上。
随着改装工作的逐步推进，Auto-GCAS将在飞行员安全和作战装备完好率方面带来前所未有的回报。基于以往的事故率，美国空军估算Auto-GCAS可能在F-16机队剩余的服役期内拯救10名飞行员，挽救多达14架飞机，可以节省5.3亿美元。在假设目前的事故率依然持续的前提下，美国空军估计Auto-GCAS的引入将挽救多达170架F-35战斗机，价值超过84亿美元。 可见，从经济效益来讲，美国空军只需Auto-GCAS挽救一架飞机就能为这项研制计划埋单，目前已经出现了这种情况。毫无疑问，这项技术可谓物有所值。对美国空军而言，这不只是一个安全问题，更是关系到持续作战能力。 相关链接：F-22战斗机的可控飞行撞地事故 多年以来，CFIT引发的飞行事故是美国空军战斗机/攻击机发生机毁人亡事故的头号原因，成为一个亟待解决的问题。美国《空军》杂志曾经报道，在1993～2002年间，美国空军发生的一等事故中，25%是由CFIT引起的。从近年来有关坠机事故调查的公开报道来看，F-22战斗机在2009年的战术测试中出现的机毁人亡事故就是一个典型的案例。 2009年3月25日上午，美国空军第411试飞中队的一架F-22战斗机正在以马赫数1.78的速度执行一项武器测试任务，突然在距离爱德华兹空军基地东北56千米处坠毁，试飞员大卫·库莱当场丧生。 时隔四个多月后，美国空军根据目击陈述、语音和遥控等数据以及模拟再现的结果，确定F-22战斗机坠毁的主要原因在于：试飞员在连续实施高过载机动后出现短暂的意识丧失，未能及时地控制飞机的姿态。 当时，F-22战斗机正在实施武器挂架试验，库莱连续实施了3次同样的高过载机动，以便收集各项数据。在第3次机动时，库莱出现了“近乎过载诱发的意识丧失”（A-LOG），在至关重要的4秒内，未能及时地脱离高过载俯冲，错失了改出F-22战斗机的最佳时机。 此后，库莱尽管从A-LOC状态下恢复出来，并尝试恢复飞机，但是F-22战斗机却已经处在马赫数1.3、急剧俯冲状态下，缺乏相应的安全恢复和弹射的高度。在高度只有1188米、逃生时间只有1.49秒的紧急情况下，库莱本能地实施了弹射，但是F-22战斗机的速度超出了“先进概念弹射座椅”（ACES Ⅱ）的可生存包线304千米/时。结果，F-22战斗机径直撞向地面。 |
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