美軍推進直升機自主技術發展情況

風裡雨里，我在這裡等你～

摘 要

近十年來，軍用直升機自主水平不斷提高，但仍需飛行員參與飛行控制。受飛行員生理極限等因素的限制，有人直升機在出動架次、作戰時間方面存在上限。為此，美國國防部、各軍種以及工業界積極發展自主技術，包括開發座艙機組人員自動化系統、自主航空貨運通用系統、電子飛行包等，在一定程度上緩解了飛行員工作強度，甚至將飛行員完全解放出來。

一、座艙機組人員自動化系統

2014年，DARPA啟動「座艙機組人員自動化系統」（ALIAS）項目，為直升機和固定翼飛機開發自動駕駛技術，由ALIAS完成航路規劃、避障、著陸點選擇、自主起降等。

（一）項目歷程

2013年，西科斯基公司自籌經費開發了「矩陣技術」，後續在美國陸軍的「自主研究飛機」（SARA）項目資助下，開展了三個階段的可行性驗證：第一階段，一架電傳操縱的S-76民用直升機藉助「矩陣技術」完成首次自主飛行，驗證了軟體的可靠性和精準控制，但控制迴路中不包含感測器；第二階段，在S-76上裝配多光譜感測器、激光雷達，驗證了直升機的自動避障和自主選擇著陸位置能力；第三階段，在3架直升機上開展了相關測試。與此同時，DARPA啟動ALIAS項目，不同於SARA項目，ALIAS增加了探索自主技術在固定翼飛機的應用，在「矩陣技術」基礎上，開發適用不同平台的軟硬體，以實現座艙自動化，減少機組人員。項目分三階段開展：

第一階段（2014年5月~2015年8月），洛馬、西科斯基、極光飛行科學公司參與競標，該階段專註於開發可監測飛行任務的用戶界面，同時收集現役機型的飛行操控信息，以期ALIAS集成至多型平台；

第二階段（2015年8月~2017年1月），西科斯基、極光飛行科學公司參與競標，該階段ALIAS在2架賽斯納208「大篷車」（固定翼飛機）、1架鑽石DA-42（固定翼飛機）、1架S-76直升機上完成飛行測試，在地面開展了大量飛行突髮狀況模擬，驗證了ALIAS在新平台的快速集成能力；

第三階段（2017年1月至今），西科斯基贏得該階段唯一合同，2017年5月，在波音737飛機模擬器上開展ALIAS測試，在飛行員不干預前提下，藉助ALIAS成功實現飛機自主著陸。2018年10月中旬，美陸軍飛行員藉助S-76B商用直升機開展了ALIAS的飛行測試，測試持續約1小時，飛行員藉助平板操控直升機，成功完成地形跟隨、封閉區域起降、著陸點選擇、航路規劃、避障等任務，在降低飛行員工作負擔的同時，顯著提升了任務效能和飛行安全。在開展此次飛行測試前，飛行員僅在ALIAS模擬器上開展了為期3天的任務規劃培訓。2019年，ALIAS將集成至UH-60「黑鷹」直升機，並開展飛行測試，驗證ALIAS應對突髮狀況、適應不同任務和平台的能力。

（二）技術方案

（1）西科斯基公司方案

ALIAS項目前兩個階段結束後，西科斯基公司已成功將「矩陣技術」集成到「自主研究飛機」和賽斯納「大篷車」飛機上。「矩陣技術」是可擴展型自動化系統，能替代飛行員進行操縱，甚至實現無人駕駛。

（2）極光飛行科學公司方案

極光飛行科學公司的ALIAS由機械臂、機器視覺系統、用戶界面、語音系統組成，可在30天內完成ALIAS到另一架飛機的移植。此前，極光飛行科學公司成功在DA42、塞斯納208、貝爾UH-1、西科斯基S-76和DHC-2等飛機上安裝測試了ALIAS。

圖1 極光飛行科學公司ALIAS

二、自主航空貨運通用系統

有人直升機戰場補給對飛行員技能和體能要求極高，且降落前需地面人員做大量準備工作。本世紀以來，美軍積極發展用於戰場補給的無人直升機，曾在阿富汗戰場部署2架K-MAX無人直升機驗證相關能力，但面臨自主避障、未知區域自主著陸等難題。為此，美國海軍研究署啟動「自主航空貨運通用系統」（AACUS）項目，開發自主航空貨運通用系統，將飛行員從繁重、危險的駕駛任務中解放出來，並減少著陸過程對地面人員的依賴，為前沿地面部隊提供更快速精確的後勤補給和戰場救援。

（一）項目歷程

2012年9月，美國海軍研究署授予極光飛行科學公司和洛馬公司技術方案徵集合同；2014年4月，選定極光飛行科學公司「戰術自主航空後勤系統」（TALOS）。

2017年12月，極光飛行科學公司成功驗證了集成TALOS的UH-1H直升機執行自主後勤補給任務的能力。這是AACUS項目進行的最後一次全系統功能演示驗證，標誌著相關技術已接近成熟。

2018年5月，在海軍陸戰隊的一次綜合訓練演習中，1名前線士兵通過平板電腦下達補給請求，1架UH-1H直升機在TALOS控制下成功向前線運送了水、汽油、食物等約230公斤物資。同月，AACUS項目被美國直升機協會授予美國國家最高創新獎之一的霍華德·休斯獎。

（二）技術方案

TALOS是一款通用自主控制系統，可與無人/有人直升機集成，並與飛機的平台管理系統和飛行控制系統交互信息和指令，指控飛機自主飛行，將所需物資運送至指定地點、安全著陸並自主返回。

TALOS由地面設備和機載系統構成。地面設備包括單兵手持移動設備和設在後勤保障基地的地面控制站。前線士兵通過手持移動設備提交補給申請信息，包括著陸區、物資類型等；地面控制站操作員負責下達起飛指令，並監控飛機飛行、著陸、返航全過程。

機載系統由激光雷達和光電/紅外攝相機等感測器，以及路徑規劃器、航跡規劃器等計算單元組成，解決了兩項關鍵技術問題：一是低空實時路徑規劃問題。TALOS採用了與其他基於航路點的自主飛行控制系統不同的技術原理，所有飛行指令由航跡規劃器實時生成，並提交至飛機的飛控系統。任務初始階段，路徑規劃器生成預設航路點；飛行過程中，利用激光雷達（水平視場角100°，最大探測距離1.1千米）不斷對直升機前方三維成像並識別障礙物。航跡規劃器根據航路點、任務狀態、感知信息、飛機狀態等，通過「貪婪演算法」和「安全演算法」在1秒內生成實時飛行指令並發送至飛控系統，指揮飛機規避障礙物或禁飛區。二是著陸點自主評估問題。TALOS採用「五步法」篩選最佳著陸點：第一步，當飛機飛抵著陸區後，利用激光雷達掃描著陸區地形並生成三維地貌圖；第二步，對著陸區粗評估，剔除崎嶇和坡度較大的區域；第三步，結合飛機重心、風向等信息，對剩餘區域的地表粗糙度和坡度進行精評估，選出若干適合飛機著陸的地點；第四步，針對每個著陸點，從各個方向評估飛機的進近和撤離路線；第五步，在執行航線評估的同時，評估前線士兵到達擬選定著陸點的行進路線。此外，當降落區處於GPS拒止環境時，TALOS還將利用光電/紅外相機和視覺輔助導航技術輔助飛行和降落。

TALOS具有如下特點：一是高度自主，當飛機在未知環境中以200千米/小時以內的速度低空飛行時，系統可自主完成障礙規避、路徑重新規劃、著陸點評估等任務，僅在遇突髮狀況時需由地面人員控制，例如，當著陸點附近出現敵情時，由地面人員重新選擇著陸點。二是通用性極強，可與任何有人直升機或滿足STANAG-4586標準（北約無人機控制系統介面標準）的無人直升機集成。三是易操作，普通士兵僅需15分鐘簡單培訓，即可掌握提交物資需求、標定著陸區、監控飛機進近和著陸、臨時變更著陸點等操作，並能在突髮狀況時指揮飛機著陸或復飛。

圖2 TALOS系統構成及概念圖

三、電子飛行包

20世紀末，國際航空領域開始推行電子飛行包，它是一款飛行員飛行助理工具，通過座艙電子顯示系統顯示航行數據，進行各種飛行階段準備時的計算和檢查，或執行部分飛行性能計算、油量計算等，取代傳統的紙質資料。目前，軍用航空領域在推行電子飛行包方面相對滯後。2019年3月，西科斯基公司首次發布軍用版iFly Sikorsky電子飛行包，面向S-70i「黑鷹」直升機推廣試用，預計2019年發布最終版本。

（一）項目歷程

2013年，西科斯基為S-92A、S-76D商用直升機啟動iFly Sikorsky開發項目，後續螺旋式升級，逐步從簡單的性能計算器發展成為高效的飛行前任務規劃軟體，最新的商用版本是2.2.1。

（二）技術方案

本次首發的適用S-70i的軍用版本沿用了商用版本的大量技術。iFly Sikorsky是一款應用程序，通過iPad操作使用，輔助直升機飛行員、任務規劃員快速完成機艙貨物或任務系統的布局、計算直升機重量和冗餘量、訪問天氣數據、查看起飛/降落/巡航狀況、預測飛機在每個飛行階段的性能、確定飛機與目的地的距離等。上述任務通過查閱旋翼機飛行手冊完成需要15分鐘時間，而使用iFly Sikorsky僅需數秒時間。具體功能如下。

配置功能：輔助配置直升機內部和外部布局，包括座椅、任務系統、貨物和燃油等；定義直升機空重和重心；確定打開滑動門和其他外部設備（探照燈、救援提升機、感測器、外部存儲系統和水箱）的外部阻力。

平衡重量功能：計算直升機的重心；採用直觀界面顯示起飛和著陸重量；輸入包括機組人員、乘員、貨物、外掛在內的重量。

規劃功能：通過「航空例行天氣報告」（METAR）和「天氣預報終端」（TAF）訪問目的地天氣數據，並將環境數據（溫度、壓力、高度、風速）發送至性能界面。

飛行性能管理功能：以圖形方式展示直升機懸停、起飛、巡航和著陸；手動更新環境數據和燃料儲備，以快速重新評估飛機飛行性能；根據飛機位置、目的地、已飛航程等信息確定所需燃油量。

四、結語

圍繞提升直升機在反潛、反水雷、搜索救援、貨運等領域的作戰效能和安全性，國外持續推進有效載荷、抗電磁干擾、自主技術的發展。這些技術一方面可降低飛行員的工作量，使飛行員專註於作戰任務而非飛行任務，進而提升作戰效能和飛行安全，另一方面可減少飛行員數量，飛行員僅在突髮狀況時接管飛機控制。但也應看到，以美軍為代表國家發展的直升機自主技術尚處於探索階段，或僅能應用於低對抗環境下，如何在複雜多變的中高烈度對抗環境或緊急情況下降低對飛行員的依賴，尚需時間。

（藍海星：孫明月 於憲釗 白旭堯）

文章推薦

想了解更多國外國防戰略、軍事工業、裝備發展、前沿技術相關研究，請關注藍海星智庫微信公眾號：SICC_LHX

歡迎轉載，轉載請註明出處。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！