避免飛行員落海殉職的悲劇再次發生,國軍的F-16V需要「自動防撞地系統」

避免飛行員落海殉職的悲劇再次發生,國軍的F-16V需要「自動防撞地系統」
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許多專家都表示,如果F-16戰機裝有「自動防撞地系統」(Automatic Ground Collision Avoidance System,Auto GCAS),應該能避免悲劇。但很少人深究,究竟為何只有F-16戰機需要此系統?

文:戰略風格

為什麼F-16需要防撞地裝置?

中華民國空軍預計將擁有207架F-16V戰機(正式名稱F-16AM/BM),成為全球擁有此款先進戰機數量最多的空軍部隊。但培育更多合格的F-16V飛行員,是比改裝與採購戰機,更艱難與長久的任務,要儘量減少可能發生事故的各種潛在因子。

中華民國空軍F-16A戰機曾經在2018年6月4日在新北市瑞芳區五分山撞山,飛行員少校吳彥霆殉職,2022年1月11日又有一架F-16V戰機在嘉義基地附近靶場進行對地攻擊訓練時,大角度俯衝墜海。

兩起不幸事件,許多專家都表示,如果F-16戰機裝有「自動防撞地系統」(Automatic Ground Collision Avoidance System,Auto GCAS),應該能避免此悲劇。但很少人深究,究竟為何只有F-16戰機需要此系統?

F-16纏鬥性能優異的關鍵:先天不穩定性設計

F-16這類纏鬥性能非常優秀的戰機,都是先天不穩定性(Negative stability)設計。這是指一般飛機都有靜穩定性(將飛機重心置於升力中心之前),飛行員不太需要控制,飛機基本上會自行回到直線與水平飛行狀態,但這會大幅限制飛機的機動性能。

F-16的設計則是相反,讓飛機隨時都處於不穩定地狀態,需要不斷調整各個翼面,維持飛行姿態,但這不是傳統的鋼索靠液壓連接舵面的控制系統可以搞定,因此改為「線傳飛控」(fly-by-wire):將駕駛員的操縱輸入,通過IC轉變為電信號,經電腦或電子控制器處理,再通過電纜傳輸到控制介面。

先天不穩定設計的戰機,利用機體重心在升力中心後方的方式,產生向下的力量令機鼻上仰,除可使飛機的總升力性能變大,而增加飛機載重,並可因為控制面少許的微動量,即可大幅改變飛機姿態,而增加戰機的機動飛行性能,或採用面積較小的水平尾翼即可控制飛機,減輕整體阻力、重量。

而電腦科技大幅進步之後,除了反應速度更快,電腦還能評估飛行員輸入的動作是否正確,否則拒絕執行,讓飛機能更穩定的飛行,因此目前大部分的戰機都採用線傳飛控系統。

不過飛機會失事的原因很多,例如在低空發動機突然故障之類,那先天不穩定設計的飛機,可能就比傳統飛機更容易失事了。F-16常常需要飛行在低空嗎?正好需要。

共機頻擾台  國軍加強春節戰備訓練(1)
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F-16初次擔任戰鬥轟炸機就顯隱憂

F-16設計之初,是輔助F-15擔任空優戰機,不過以色列在1981年,決定轟炸伊拉克首都巴格達附近的奧斯拉克(Osirak)核反應爐,首度讓F-16擔任戰鬥轟炸機。

因為以色列正牌的A-4攻擊機與幼獅戰轟機(IAI Kfir),因為航程與航電考量,根本無法勝任此任務,F-4則航程勉強可到,但是需要兩名飛行員,一旦損失代價太大。

最後選定由八架F-16A各攜帶兩枚2000磅炸彈,在六架F-15的掩護下,超低空飛行躲避雷達偵測,突襲成功,16枚炸彈命中了14枚,將目標徹底摧毀。

不過,那兩枚「Miss掉」(未命中)目標的炸彈,究竟是發生了什麼事呢?20年後,由負責投擲的飛行員伊夫塔赫·斯派克特(Iftach Spector)親自爆料……原來他當天感冒,身體不適還是勉強出戰,但他在投彈前的鑽升筋斗過程中,出現短暫G力昏迷(G-LOC),偏離預定瞄準點,所幸及時甦醒,但只能勉強投彈,所以未命中。

因為任務成功,當時根本沒人發現有炸彈未命中。伊夫塔赫之所以敢爆料,也是因其擁有12架擊墜敵機紀錄,是貨真價實的空戰英雄,所以把當年的糗事當趣談,無損其生涯戰績。

空戰英雄的身體素質,都可能在對地攻擊中昏迷,可見其危險性。後來各國紛紛仿效以色列,將F-16大量投入對地攻擊時,就讓各種意外數量激增。

75% F-16失事為「可控飛行撞地」

美國空軍一架雷鳥特技小組的F-16戰機,於2018年在內華達測試暨訓練場(Nevada Test and Training Range)進行例行性特技表演飛行訓練時失事墜毀。當時飛行員貝格諾(Stephen Del Bagno)少校起飛後加速至644公里/每小時,向後帶桿爬升,並持續保持帶桿成倒飛姿態,距地面絕對高度約2439公尺,同時保持倒飛姿態。

當表演動作完成後,飛行員準備向下做「改出動作」(俯衝轉正機身再拉升),隨即再次向後帶桿,建立姿態同時G力上升,抗G衣來不及反應,飛行員產生G力昏迷,飛機姿態為向下俯衝。撞地前,飛行員尚未清醒,不幸機毀人亡。

正常狀態下的人體所能承受的最大極限為正9G到負3G之間。飛行員雖然已受過嚴格訓練,也穿了抗G衣,但若失效或來不及反應,當正G力越大時,飛行員的血液會因壓力而從頭部流向腿部,而使腦部血液量銳減,因缺血缺氧而影響視覺器官,造成視野急速縮小的「黑視症」(Blackout)。

相對的若負G力過大時,血液會反向的由下肢往腦部集中,造成腦部過度充血,可能讓微血管受損,最明顯特徵為眼球也因過度充血,視野一片紅色(光線穿過過度充血的血管)的「紅視症」(Redout)。

若因超負荷的高G力過久,人體腦部可能因為保護作用失去意識,稱為G力昏迷(G-Loc),造成飛機失控。

高G力引發的昏迷,實際上只是「可控飛行撞地」(Controlled flight into terrain,CFIT)的原因之一。CFIT為常見的航空事故原因,定義是飛機「可由機師正常控制」,但因失誤而撞上地面、阻礙物或水面而墜毀。

根據美國空軍統計,CFIT事件佔美國空軍戰機失事原因的26%,但佔所有F-16飛行員殉職原因比例,竟高達75%。F-16型機四大致命失事因素為G力昏迷、人員操控墜地、空間迷向及空中相撞。而事後檢討意外原因,幾乎均為人為因素,顯然F-16很需要防止此類事故的設備。

F-16V春節戰備演練(1)
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自動防撞地系統原理與案例分析

Auto GCAS(自動防撞地系統)會不斷監視F-16的飛行數據、感測系統,並以人工智慧(AI)功能,持續比對「飛行軌跡」、「任務模組電腦」(MMC)和「數位地形資料」(DTED),即時監視飛行姿態。

一旦Auto GCAS預判戰機將陷入險境(可能撞擊到障礙物),就會發出信號,警告飛行員採取迴避行動。要是飛行員沒任何反應,Auto GCAS的AI會判定飛官陷入失能,即時介入戰機的飛行控制,戰機會迅速自行轉彎並向空中拉升。

如果飛官在戰鬥中因為纏鬥飛行,或是發生空間迷向(spatial disorientation),造成失去判定上下左右能力的險境,也可以手動啟動Auto GCAS,迅速讓戰機自動爬升,以恢復方向感。

只要飛機拉升後,飛行員接手控制,AI就會判定飛行員已經能正常操控飛機,將控制權交回給飛行員,避免造成人與飛機搶奪控制權,或錯誤操作的情況。

理論歸理論,從美軍披露的真實案例中,可以了解Auto GCAS如何救回F-16。例如2018年時,美軍一架F-16執行對地攻擊訓練,以機砲攻擊地面標靶,飛行員為了能夠準確的命中目標達成考核,過度專注於瞄準標靶與準備射擊作業,忽視了飛行高度。

Auto GCAS先發出警告,飛行員完全忽略,於是在飛機呈現8度俯角高速飛行,距離地面僅61公尺時,Auto GCAS作動,迅速改正姿態拉升飛機高度,飛行員事後表示被Auto GCAS救回一命。

美國在最新的F-16版本,即Block 40與Block 50上加裝Auto GCAS,後來擴增到Block 30,已經改裝超過930架。截至2020年7月,共有12名F-16駕駛因此獲救(10架單座,1架雙座)。Auto GCAS已深獲飛行員信任。

值得一提的是,Auto GCAS系統由洛克希德馬丁公司(Lockheed Martin)知名的「臭鼬工廠」(Skunk Works)團隊,聯合美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory, AFRL)和美國國家航空暨太空總署(NASA)聯合開發,並於2014年才正式服役。由這麼多頂尖研發單位合作研發,可見Auto GCAS的開發難度。

Auto GCAS系統目前仍持續研發中,新版「自動整合防撞系統」(Automatic Integrated Collision Avoidance System,Auto ICAS),除了原本設計的防止撞擊地面外,還可以避免「空中相撞」。

Auto ICAS藉由AI解算飛行軌跡,再利用機載雷達及空戰即時顯示莢艙(ACMI POD)感測具威脅的飛行器,利用飛機軌跡改正預測解算法(ARTP)持續計算,以確定兩者間保持一定的位置、距離及飛行軌跡。

若判斷可能相互衝突,會從至少9 種避免碰撞的運動方向,選擇最佳向量脫離碰撞航線,避免空中碰撞。

Auto ICAS除了在訓練中能避免意外,在空戰纏鬥中也能有一定幫助,敵方預判我機的閃避動作時會增添難度。由於此系統相當好用,美國也為其最新銳的F-35戰機研製與加裝此裝置。

空軍首支F-16V戰機聯隊成軍
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我國空軍F-16V為何還未安裝Auto GCAS

F-16雖然都是採用「線傳飛控」,但分為「類比式」與「數位式」。

類比式線傳飛控,電子控制器操作電子感覺裝置,以提供作用在人工操作裝置上的合適的「感覺」力,所以操控「感覺」還是類似傳統液壓式飛行操作系統,只是機械迴路被電子線路取代。

數位式線傳飛控完全擺脫傳統窠臼,駕駛員實際上是「通過電腦飛行」,飛控電腦不依賴於類比控制器中臨界電子元件的額定值,因而控制更為精準,也能連接更多感測器,快速根據其數值改變飛行參數。

這兩點與我國空軍F-16V為何還未安裝Auto GCAS,有重大的關聯性,因為Auto GCAS需在必要時,接手飛行操控,因此必須是數位式線傳飛控的F-16戰機,才能安裝使用。

但我國由F-16A Block20升級至F-16V的改裝案中,原本機上的線傳飛控系統仍然沿用F-16A的類比系統,而非F-16C的數位控制,所以整合Auto GCAS的難度較高,需要將飛控系統大改。

但因為我國空軍的強烈要求,美國國防部 (DoD) 2021年4月26日的公告,洛克希德馬丁公司獲得1.38億美元的「和平鳳凰崛起 2」(Peace Phoenix Rising 2,PPR2) 計劃的追加合約,內容包含為台灣的F-16V戰機開發與安裝Auto GCAS、先進的敵我識別 (IFF) 系統、與發射AGM-88 高速反輻射導彈(HARM)能力,合約預計於 2022年9月完成。

但就算就算洛克希德馬丁公司能夠按照合約時程,成功測試Auto GCAS完畢,後續還有生產與運輸環節,因此我國空軍預計在2023年11月起,才能開始進行安裝作業。

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責任編輯:彭振宣
核稿編輯:翁世航


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『自適應:天空』預設集修整前
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Photo Credit:The News Lens Brand Studio
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Lightroom「預設集」示範之二
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Lightroom「預設集」示範之三

自由創意翻玩,讓Photoshop的AI智慧替你輕鬆編修好照片

如果說Lightroom是Adobe設計給攝影愛好者來調整、管理大量照片的軟體,那具有強大、多元編修功能的Photoshop肯定更是影像愛好者的好幫手。

經過多年的演進,Photoshop如今也發展出獨具一格的AI智慧演算,像是天空取代、神經網路濾鏡、智慧感知,都是能快速上手,快速創意改造照片的必學功能。

以天空取代來說,我們只要在「編輯」中選擇「天空取代」,此時Photoshop會運算出天空的範圍,我們只要從內建的幾個天空圖片中選擇出自己想要的天空,就能輕鬆替換掉。

這個功能很適合用在多雲的天氣,可以讓風景的照片更豐富,甚至還可以根據挑選替換的天空,增添一些雲朵,讓每次出門的風景不受氣象影響,每張都好看。

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天空取代,範例之一。
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天空取代,範例之二。
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天空取代,範例之三。

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