美军推进直升机自主技术发展情况

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转自：蓝海星智库（SICC_LHX）

作者：：孙明月 于宪钊 白旭尧

摘  要

近十年来，军用直升机自主水平不断提高，但仍需飞行员参与飞行控制。受飞行员生理极限等因素的限制，有人直升机在出动架次、作战时间方面存在上限。为此，美国国防部、各军种以及工业界积极发展自主技术，包括开发座舱机组人员自动化系统、自主航空货运通用系统、电子飞行包等，在一定程度上缓解了飞行员工作强度，甚至将飞行员完全解放出来。

一、座舱机组人员自动化系统

2014年，DARPA启动“座舱机组人员自动化系统”（ALIAS）项目，为直升机和固定翼飞机开发自动驾驶技术，由ALIAS完成航路规划、避障、着陆点选择、自主起降等。

（一）项目历程

2013年，西科斯基公司自筹经费开发了“矩阵技术”，后续在美国陆军的“自主研究飞机”（SARA）项目资助下，开展了三个阶段的可行性验证：第一阶段，一架电传操纵的S-76民用直升机借助“矩阵技术”完成首次自主飞行，验证了软件的可靠性和精准控制，但控制回路中不包含传感器；第二阶段，在S-76上装配多光谱传感器、激光雷达，验证了直升机的自动避障和自主选择着陆位置能力；第三阶段，在3架直升机上开展了相关测试。与此同时，DARPA启动ALIAS项目，不同于SARA项目，ALIAS增加了探索自主技术在固定翼飞机的应用，在“矩阵技术”基础上，开发适用不同平台的软硬件，以实现座舱自动化，减少机组人员。项目分三阶段开展：

第一阶段（2014年5月~2015年8月），洛马、西科斯基、极光飞行科学公司参与竞标，该阶段专注于开发可监测飞行任务的用户界面，同时收集现役机型的飞行操控信息，以期ALIAS集成至多型平台；

第二阶段（2015年8月~2017年1月），西科斯基、极光飞行科学公司参与竞标，该阶段ALIAS在2架赛斯纳208“大篷车”（固定翼飞机）、1架钻石DA-42（固定翼飞机）、1架S-76直升机上完成飞行测试，在地面开展了大量飞行突发状况模拟，验证了ALIAS在新平台的快速集成能力；

第三阶段（2017年1月至今），西科斯基赢得该阶段唯一合同，2017年5月，在波音737飞机模拟器上开展ALIAS测试，在飞行员不干预前提下，借助ALIAS成功实现飞机自主着陆。2018年10月中旬，美陆军飞行员借助S-76B商用直升机开展了ALIAS的飞行测试，测试持续约1小时，飞行员借助平板操控直升机，成功完成地形跟随、封闭区域起降、着陆点选择、航路规划、避障等任务，在降低飞行员工作负担的同时，显著提升了任务效能和飞行安全。在开展此次飞行测试前，飞行员仅在ALIAS模拟器上开展了为期3天的任务规划培训。2019年，ALIAS将集成至UH-60“黑鹰”直升机，并开展飞行测试，验证ALIAS应对突发状况、适应不同任务和平台的能力。

（二）技术方案

（1）西科斯基公司方案

ALIAS项目前两个阶段结束后，西科斯基公司已成功将“矩阵技术”集成到“自主研究飞机”和赛斯纳“大篷车”飞机上。“矩阵技术”是可扩展型自动化系统，能替代飞行员进行操纵，甚至实现无人驾驶。

（2）极光飞行科学公司方案

极光飞行科学公司的ALIAS由机械臂、机器视觉系统、用户界面、语音系统组成，可在30天内完成ALIAS到另一架飞机的移植。此前，极光飞行科学公司成功在DA42、塞斯纳208、贝尔UH-1、西科斯基S-76和DHC-2等飞机上安装测试了ALIAS。

图1 极光飞行科学公司ALIAS

二、自主航空货运通用系统

有人直升机战场补给对飞行员技能和体能要求极高，且降落前需地面人员做大量准备工作。本世纪以来，美军积极发展用于战场补给的无人直升机，曾在阿富汗战场部署2架K-MAX无人直升机验证相关能力，但面临自主避障、未知区域自主着陆等难题。为此，美国海军研究署启动“自主航空货运通用系统”（AACUS）项目，开发自主航空货运通用系统，将飞行员从繁重、危险的驾驶任务中解放出来，并减少着陆过程对地面人员的依赖，为前沿地面部队提供更快速精确的后勤补给和战场救援。

（一）项目历程

2012年9月，美国海军研究署授予极光飞行科学公司和洛马公司技术方案征集合同；2014年4月，选定极光飞行科学公司“战术自主航空后勤系统”（TALOS）。

2017年12月，极光飞行科学公司成功验证了集成TALOS的UH-1H直升机执行自主后勤补给任务的能力。这是AACUS项目进行的最后一次全系统功能演示验证，标志着相关技术已接近成熟。

2018年5月，在海军陆战队的一次综合训练演习中，1名前线士兵通过平板电脑下达补给请求，1架UH-1H直升机在TALOS控制下成功向前线运送了水、汽油、食物等约230公斤物资。同月，AACUS项目被美国直升机协会授予美国国家最高创新奖之一的霍华德·休斯奖。

（二）技术方案

TALOS是一款通用自主控制系统，可与无人/有人直升机集成，并与飞机的平台管理系统和飞行控制系统交互信息和指令，指控飞机自主飞行，将所需物资运送至指定地点、安全着陆并自主返回。

TALOS由地面设备和机载系统构成。地面设备包括单兵手持移动设备和设在后勤保障基地的地面控制站。前线士兵通过手持移动设备提交补给申请信息，包括着陆区、物资类型等；地面控制站操作员负责下达起飞指令，并监控飞机飞行、着陆、返航全过程。

机载系统由激光雷达和光电/红外摄相机等传感器，以及路径规划器、航迹规划器等计算单元组成，解决了两项关键技术问题：一是低空实时路径规划问题。TALOS采用了与其他基于航路点的自主飞行控制系统不同的技术原理，所有飞行指令由航迹规划器实时生成，并提交至飞机的飞控系统。任务初始阶段，路径规划器生成预设航路点；飞行过程中，利用激光雷达（水平视场角100°，最大探测距离1.1千米）不断对直升机前方三维成像并识别障碍物。航迹规划器根据航路点、任务状态、感知信息、飞机状态等，通过“贪婪算法”和“安全算法”在1秒内生成实时飞行指令并发送至飞控系统，指挥飞机规避障碍物或禁飞区。二是着陆点自主评估问题。TALOS采用“五步法”筛选最佳着陆点：第一步，当飞机飞抵着陆区后，利用激光雷达扫描着陆区地形并生成三维地貌图；第二步，对着陆区粗评估，剔除崎岖和坡度较大的区域；第三步，结合飞机重心、风向等信息，对剩余区域的地表粗糙度和坡度进行精评估，选出若干适合飞机着陆的地点；第四步，针对每个着陆点，从各个方向评估飞机的进近和撤离路线；第五步，在执行航线评估的同时，评估前线士兵到达拟选定着陆点的行进路线。此外，当降落区处于GPS拒止环境时，TALOS还将利用光电/红外相机和视觉辅助导航技术辅助飞行和降落。

TALOS具有如下特点：一是高度自主，当飞机在未知环境中以200千米/小时以内的速度低空飞行时，系统可自主完成障碍规避、路径重新规划、着陆点评估等任务，仅在遇突发状况时需由地面人员控制，例如，当着陆点附近出现敌情时，由地面人员重新选择着陆点。二是通用性极强，可与任何有人直升机或满足STANAG-4586标准（北约无人机控制系统接口标准）的无人直升机集成。三是易操作，普通士兵仅需15分钟简单培训，即可掌握提交物资需求、标定着陆区、监控飞机进近和着陆、临时变更着陆点等操作，并能在突发状况时指挥飞机着陆或复飞。

图2 TALOS系统构成及概念图

三、电子飞行包

20世纪末，国际航空领域开始推行电子飞行包，它是一款飞行员飞行助理工具，通过座舱电子显示系统显示航行数据，进行各种飞行阶段准备时的计算和检查，或执行部分飞行性能计算、油量计算等，取代传统的纸质资料。目前，军用航空领域在推行电子飞行包方面相对滞后。2019年3月，西科斯基公司首次发布军用版iFly Sikorsky电子飞行包，面向S-70i“黑鹰”直升机推广试用，预计2019年发布最终版本。

（一）项目历程

2013年，西科斯基为S-92A、S-76D商用直升机启动iFly Sikorsky开发项目，后续螺旋式升级，逐步从简单的性能计算器发展成为高效的飞行前任务规划软件，最新的商用版本是2.2.1。

（二）技术方案

本次首发的适用S-70i的军用版本沿用了商用版本的大量技术。iFly Sikorsky是一款应用程序，通过iPad操作使用，辅助直升机飞行员、任务规划员快速完成机舱货物或任务系统的布局、计算直升机重量和冗余量、访问天气数据、查看起飞/降落/巡航状况、预测飞机在每个飞行阶段的性能、确定飞机与目的地的距离等。上述任务通过查阅旋翼机飞行手册完成需要15分钟时间，而使用iFly Sikorsky仅需数秒时间。具体功能如下。

配置功能：辅助配置直升机内部和外部布局，包括座椅、任务系统、货物和燃油等；定义直升机空重和重心；确定打开滑动门和其他外部设备（探照灯、救援提升机、传感器、外部存储系统和水箱）的外部阻力。

平衡重量功能：计算直升机的重心；采用直观界面显示起飞和着陆重量；输入包括机组人员、乘员、货物、外挂在内的重量。

规划功能：通过“航空例行天气报告”（METAR）和“天气预报终端”（TAF）访问目的地天气数据，并将环境数据（温度、压力、高度、风速）发送至性能界面。

飞行性能管理功能：以图形方式展示直升机悬停、起飞、巡航和着陆；手动更新环境数据和燃料储备，以快速重新评估飞机飞行性能；根据飞机位置、目的地、已飞航程等信息确定所需燃油量。

四、结语

围绕提升直升机在反潜、反水雷、搜索救援、货运等领域的作战效能和安全性，国外持续推进有效载荷、抗电磁干扰、自主技术的发展。这些技术一方面可降低飞行员的工作量，使飞行员专注于作战任务而非飞行任务，进而提升作战效能和飞行安全，另一方面可减少飞行员数量，飞行员仅在突发状况时接管飞机控制。但也应看到，以美军为代表国家发展的直升机自主技术尚处于探索阶段，或仅能应用于低对抗环境下，如何在复杂多变的中高烈度对抗环境或紧急情况下降低对飞行员的依赖，尚需时间。

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