智勝云端：戰(zhàn)機(jī)座艙演變史

智勝云端：戰(zhàn)機(jī)座艙演變史

■楊俊超  張  翯  袁國強(qiáng)

F-35戰(zhàn)斗機(jī)訓(xùn)練模擬駕駛艙。供圖：陽　明

第十五屆中國航展上，我軍殲-20戰(zhàn)機(jī)和殲-35A戰(zhàn)機(jī)聯(lián)袂亮相，展示各種高難度飛行動作，讓觀眾感到深深震撼。同時(shí)，大家也對新型戰(zhàn)機(jī)“信息就在眼前、控制就在指邊”的座艙產(chǎn)生濃厚興趣，予以高度評價(jià)，稱之為“夢幻”座艙。

在飛行中，戰(zhàn)機(jī)座艙是飛行員最親密的“伙伴”，是飛行員獲取態(tài)勢信息、操控飛機(jī)和執(zhí)行任務(wù)的交聯(lián)樞紐，是“人—戰(zhàn)機(jī)”系統(tǒng)的核心組成部分，歷來被視為戰(zhàn)機(jī)研制水平高低的重要標(biāo)志。那么，神秘的戰(zhàn)機(jī)座艙到底集成了哪些“硬科技”“黑科技”呢？

從最早機(jī)械設(shè)備密布、人工操控為主，到電子玻璃化、多功能綜合顯控，再到多通道交互、人機(jī)混合智能耦合增強(qiáng)，戰(zhàn)機(jī)座艙見證并引領(lǐng)了戰(zhàn)機(jī)整體性能的巨大飛躍。本期“軍工T型臺”，讓我們從人與戰(zhàn)機(jī)之間關(guān)系演變的視角，一起關(guān)注戰(zhàn)機(jī)座艙“智勝云端”的發(fā)展之路。

“空分制”座艙——

助力駕馭初代“飛行怪獸”

如何更加高效、安全地操控飛機(jī)，給飛行員一個(gè)合適的“工位”，一直是飛機(jī)設(shè)計(jì)師們考慮的重要問題。

1903年，萊特兄弟發(fā)明世界上第一架飛機(jī)“飛行者一號”，開啟了人類飛行新紀(jì)元。但事實(shí)上，“飛行者一號”并沒有座艙，甚至連一把椅子都沒有，飛行員只能頭朝前趴在下機(jī)翼上表面，采用移動搖架牽動纜線使機(jī)翼翹曲的方式來控制飛機(jī)。

此時(shí)，飛行員完全暴露在空氣中，稍一松手就會從機(jī)翼上掉下來，只能通過克服巨大風(fēng)阻，依靠肉眼觀測外部。面對這樣氣動不穩(wěn)定且非常難以操縱的“飛行怪獸”，飛行員拼盡全力艱難地駕駛飛機(jī)，其安全隱患不言而喻。

這種人機(jī)關(guān)系一直延續(xù)到早期的戰(zhàn)機(jī)座艙。在抗美援朝戰(zhàn)爭中登場的米格-17和F-86噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)，戰(zhàn)機(jī)座艙還完全依靠機(jī)械操作裝置和機(jī)電顯示儀表。

操控方面，飛機(jī)中央駕駛桿以機(jī)械連桿的方式操控飛機(jī)舵面，控制飛機(jī)俯仰和滾轉(zhuǎn)，腳蹬也以同樣的方式操縱方向舵以防飛機(jī)偏航；顯示方面，飛機(jī)基本采用機(jī)電伺服儀表，儀表板布局采用標(biāo)準(zhǔn)的盲目飛行儀表盤，即將地平儀、空速表、高度表、陀螺半羅盤、轉(zhuǎn)彎儀和升降速度表這6個(gè)主要儀表裝在儀表板中央，發(fā)動機(jī)參數(shù)儀表布置在兩側(cè)，飛行員的儀表觀察和手動操控任務(wù)非常繁重。

戰(zhàn)機(jī)座艙儀表和控制裝置數(shù)量的增加，很容易導(dǎo)致飛行員“手忙腳亂”，增加飛行員的工作負(fù)荷。為了緩和座艙特別是儀表板日益擁擠的問題，設(shè)計(jì)師們對座艙顯示和控制裝置進(jìn)行了整合，創(chuàng)造性設(shè)計(jì)出“T形”布局形式：以地平儀為中心，地平儀下方布置航道羅盤，左邊布置空速表，右邊布置高度表及升降速度表。

這種以固定空間確定功能的座艙被稱之為“空分制”座艙設(shè)計(jì)。它使座艙更加簡潔明了，飛行員很容易知道相關(guān)儀表和控制器在什么地方，一定程度減輕了飛行員的負(fù)擔(dān)。但問題在于，這種布局一經(jīng)確定，顯示儀表與控制裝置就始終占據(jù)固定位置，利用率不高、信息容量小的問題較為突出，難以適應(yīng)越來越多的傳感器帶來的顯示控制需求，在飛機(jī)前機(jī)身截面積有限的條件下，戰(zhàn)機(jī)座艙會變得越來越局促。

“時(shí)分制”座艙——

綜合顯控讀取“空中態(tài)勢”

20世紀(jì)80年代，隨著以F-16、蘇-27戰(zhàn)機(jī)等為代表的新一代主力機(jī)型投入使用，戰(zhàn)機(jī)開始向多任務(wù)、多用途方向發(fā)展，不再一味追求高空高速截?fù)裟芰?，?qiáng)調(diào)高亞聲速及跨聲速機(jī)動性和近距格斗能力。各種傳感器、機(jī)載設(shè)備數(shù)量劇增，飛行員往往需要在“生死12秒”內(nèi)完成復(fù)雜的信息獲取、確認(rèn)、決策和戰(zhàn)斗操作，已趨近人的生理、心理負(fù)荷極限，“人—戰(zhàn)機(jī)”系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，飛行員需要面對的任務(wù)更加艱巨。

為了將飛行員從繁重的操作任務(wù)中解放出來，工程師們進(jìn)行了大膽的座艙設(shè)計(jì)創(chuàng)新，戰(zhàn)機(jī)座艙由此進(jìn)入“時(shí)分制”時(shí)代，飛行員也從對飛機(jī)的簡單操縱中脫離出來，轉(zhuǎn)而聚焦于監(jiān)控飛機(jī)狀態(tài)和完成作戰(zhàn)任務(wù)。

在座艙顯示方面，戰(zhàn)機(jī)采用“一平三下”的設(shè)計(jì)方式，即通過“一個(gè)平視顯示器、三個(gè)綜合顯示器”來提供主要信息。平視顯示器是為解決飛行員座艙內(nèi)外觀察矛盾而研制的多功能光電顯示儀表，其基本原理是，將原來顯示在儀表上的重要信息，如速度、飛機(jī)姿態(tài)、敵我信息等，利用光學(xué)反射直接投射在飛行員眼前的一塊特殊玻璃上，顯示在人眼焦距的無限遠(yuǎn)處。

這樣，飛行員透過平視顯示器向前看，就能同步完成戰(zhàn)場環(huán)境觀察和重要數(shù)據(jù)讀取等任務(wù)。

兵貴神速，平視顯示器可以使飛行員不用頻繁低頭觀察儀表，第一時(shí)間獲取關(guān)鍵作戰(zhàn)信息和數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，綜合顯示器采用“時(shí)分制”顯示，即在不同的時(shí)間顯示不同的信息，飛行員可以自動或手動切換工作狀態(tài)，綜合顯示器能做到“一顯多用”、按需顯示，特別是能顯示經(jīng)過機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)加工過的作戰(zhàn)態(tài)勢信息，減輕飛行員的負(fù)擔(dān)并減少誤讀誤判情況發(fā)生。

在座艙控制方面，戰(zhàn)機(jī)采用“手不離桿”（HOTAS）的設(shè)計(jì)方式，即飛行員在進(jìn)行大過載機(jī)動或作戰(zhàn)時(shí)，雙手可以不離開駕駛桿或油門桿。其技術(shù)基礎(chǔ)在于，該設(shè)計(jì)方式能把機(jī)載電子設(shè)備綜合成一個(gè)以計(jì)算機(jī)為核心的綜合航電系統(tǒng)，利用數(shù)字總線傳輸互通互操作信息。于是，座艙內(nèi)傳統(tǒng)的機(jī)械控制逐漸被電傳控制取代，駕駛桿、腳蹬甚至油門桿上，都可以裝設(shè)雷達(dá)、武器和顯示器的控制開關(guān)。這樣做的好處是，飛行員可以在駕駛飛機(jī)的同時(shí)，控制武器、傳感器、顯示器的工作狀態(tài)和重要參數(shù)，極大提升戰(zhàn)機(jī)操控效率，飛行員的作戰(zhàn)能力也得到了進(jìn)一步釋放。

“智能化”座艙——

人機(jī)協(xié)同激活“飛翔大腦”

隨著智能化時(shí)代的到來，新的空中作戰(zhàn)樣式不斷涌現(xiàn)，如分布式殺傷、有人/無人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn)等。未來的作戰(zhàn)樣式下，飛行員需要整合大量作戰(zhàn)資源要素，對信息進(jìn)行融合處理、高效轉(zhuǎn)化和即時(shí)分發(fā)，實(shí)現(xiàn)多控制節(jié)點(diǎn)的協(xié)同調(diào)度和管控。

此時(shí)，飛行員的角色將發(fā)生巨大變化，跳出傳統(tǒng)的戰(zhàn)機(jī)操控環(huán)路，由具體執(zhí)行者變?yōu)橹笓]決策者。戰(zhàn)機(jī)座艙將為實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變而升級為“智慧座艙”，主要將呈現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：

——支持座艙內(nèi)多通道人機(jī)交互。人工智能技術(shù)的發(fā)展，使手勢、語音、眼動、腦控等單一通道感知認(rèn)知技術(shù)性能快速提升，計(jì)算機(jī)可以較為準(zhǔn)確地理解、推理飛行員的行為和意圖。同時(shí)，高速發(fā)展的便攜式硬件技術(shù)催生了高性能可穿戴式傳感器，足以支撐輕量化的飛行員人體參數(shù)采集、處理與輸出。飛行員在座艙中只需通過一句話、一個(gè)動作、一個(gè)眼神，甚至大腦的一個(gè)意念，即可迅速轉(zhuǎn)換成戰(zhàn)機(jī)的操控指令。

——提供三維戰(zhàn)場環(huán)境圖景。戰(zhàn)機(jī)座艙可完成多模態(tài)數(shù)據(jù)處理、信息同步、模型標(biāo)定、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、識別與合成等，輔助飛行員全面獲取戰(zhàn)場環(huán)境信息，增強(qiáng)真實(shí)戰(zhàn)場的顯示效果，實(shí)現(xiàn)多種戰(zhàn)場信息的可視化。飛行員眼前的景象，是通過信息與物理實(shí)體耦合的方式，實(shí)現(xiàn)物理化操作與物理形態(tài)的信息呈現(xiàn)，飛行員將“沉浸式”身臨戰(zhàn)場，在人工智能的輔助下翱翔藍(lán)天。

——實(shí)現(xiàn)人機(jī)混合智能訓(xùn)練。以基因科技、智能科技、心理學(xué)、腦神經(jīng)提升技術(shù)與微生物科技等多學(xué)科為基礎(chǔ)，新型的智能增強(qiáng)技術(shù)將廣泛運(yùn)用于戰(zhàn)機(jī)座艙。一方面，戰(zhàn)機(jī)智能系統(tǒng)能更有效地吸納飛行員在決策、思維和經(jīng)驗(yàn)等方面優(yōu)勢，加快自身訓(xùn)練進(jìn)化，增強(qiáng)系統(tǒng)能力。另一方面，飛行員通過可穿戴式設(shè)備、腦機(jī)接口裝置，獲得感知能力、生理機(jī)能和大腦智能上的巨大提升。尤為重要的是，這種“伙伴式”的人機(jī)協(xié)作關(guān)系，可以不斷把飛行員對模糊、不確定問題的分析與響應(yīng)，甚至是對戰(zhàn)場態(tài)勢感知的超理性直覺與機(jī)器智能系統(tǒng)緊密耦合，形成雙向的信息交流與控制，使飛行員的高級智慧優(yōu)勢和智能系統(tǒng)強(qiáng)大的運(yùn)算和存儲能力相結(jié)合，使戰(zhàn)機(jī)座艙成為“1+1>2”的智能增強(qiáng)形態(tài)，以“飛翔大腦”指揮控制戰(zhàn)機(jī)制勝未來空天戰(zhàn)場。