软件如何拯救一架隐形战斗机及其飞行员免于在阿拉斯加坠毁

据报道，2020 年 6 月，一名在阿拉斯加驾驶 F-22 的飞行员迷失了方向，如果不是战斗机上的软件系统干预，飞机很可能会坠毁。涉事的 F-22 战机从安克雷奇的埃尔门多夫-理查森联合基地起飞，在“仪表气象条件”或 IMC 下飞行，即天气和能见度要求飞行员使用仪表飞行。根据空军安全中心向《大众科学》提供的事件简要概述，该事件是由于飞行员的“空间迷失方向”而发生的。

美国空军安全中心报告称，这架隐形战斗机的飞行员“专注于情况显示器，将飞机倾斜角度加大至 135 度，并在机头持续下落的同时开始迅速加速”。

当飞机在海拔 13,520 英尺的高度，机头朝下，以每小时 600 英里的速度飞行时，机载软件系统“启动自动起飞”并引导战斗机脱离下降状态。据报道，软件启动时，飞机也处于倒飞状态。当系统完成从俯冲中恢复飞机时，飞机距离地面约 2,600 英尺。

此前未报道的 F-22 事件凸显了自动地面防撞系统（Auto GCAS）的作用，也是唯一一次完全确认配备该软件的隐形战斗机获救的事件，这意味着飞行员很可能要归功于该系统。

以下是有关 Auto GCAS 软件的知识、空间定向障碍对飞行员构成的威胁，以及 ​​F-22 中涉及 Auto GCAS 系统的另外两起事故。

自动 GCAS 和空间定向障碍

并非每架战斗机都配备自动 GCAS。不过，据美国空军安全中心称，100% 的现役 F-22、近 100% 的空军 F-35A 型号以及大约三分之二的 F-16 都配备了该功能。

F-22 是一种隐形战斗机，被称为“猛禽”。它比美国空军更先进的隐形战斗机 F-35 更早出现。美国空军希望退役 33 架“猛禽”，让 F-22 机队保留 153 架。

洛克希德·马丁公司正式承认，由于 2020 年 6 月的事件，该软件挽救了 11 名 F-16 飞行员的生命，并挽救了一名 F-22 飞行员的生命。

如果战斗机、直升机或其他飞机的飞行员被感官欺骗，就可能出现空间定向障碍。例如，飞行员内耳的半规管可能会被欺骗，“误以为正在发生运动，而实际上并没有，反之亦然”，布莱恩·平克斯顿 (Brian Pinkston) 说，他是一位专攻航空医学的医生，曾担任空军飞行外科医生。平克斯顿说，在能见度低的情况下，飞机倾斜的飞行员可能在一段时间后不再注意到飞机在倾斜，因为他们的“内耳已经习惯了这种运动”。简而言之：飞机可以逐渐倾斜，但飞行员可能感觉不到或没有注意到它正在倾斜。

平克斯顿说，在能见度低时避免被内耳欺骗的方法是“每次都”依靠飞机的仪器来获取地面实况。“这就是问题所在——战斗机的情况是，你是一个人，但可能会有多个输入。”由于要兼顾无数因素，飞行员仍然有可能迷失方向。

墨西哥湾和太平洋上空

另一起 F-22 事故也涉及自动 GCAS，事故发生在 2016 年 12 月 6 日从佛罗里达州廷德尔空军基地起飞的猛禽战机上，飞越墨西哥湾。与阿拉斯加事故一样，空军安全中心也将这起事件归咎于空间定向障碍。

在这种情况下，软件发出的警报通知飞行员有麻烦。安全中心表示，涉事飞行员“在以 45 度倾斜角滑行并下降到水面上 2,000 英尺 MSL [平均海平面] 以下时，没有意识到机头低垂的姿态”。在海拔 1,540 英尺时，驾驶舱内响起警报，飞行员能够自行恢复飞机，尽管飞机一直以每分钟 9,400 英尺的指示速度下降。安全中心表示：“这被判定为是一次救援，因为飞行员在自动 GCAS 警报响起时迷失了方向，不知道飞机的高度和姿态，如果没有声音警告，他可能会飞到 1,000 英尺以下或撞上水面。”飞机到达了海拔 1,430 英尺的低空。

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虽然那次事件发生在五年多前，但去年 3 月 2 日，一架 F-22 战机在太平洋上空也发生了一起事故。当时，飞行员从加利福尼亚州的米拉马尔海军陆战队航空站起飞，正在与另一架飞机练习基本的战斗机动作。空军安全中心提供的事故摘要称，在执行特定的空中缠斗动作时，“飞行员看不见另一架飞机了”。

安全中心称，飞行员试图寻找另一架飞机，但“无意中让飞机机头朝下加速坠向水面”。安全中心称，当飞机距离水面 4,520 英尺，机头向下倾斜 42 度，时速约 800 英里时，自动 GCAS 接管了飞机的控制权并使其恢复正常。F-22 在俯冲过程中距离海面不到 1,730 英尺。

在 3 月份的事故中，F-22 飞行员正在练习基本的战斗机动作，“飞行员最需要担心的危险可能是另一架飞机，因为相对于他或她而言，另一架飞机在移动，”平克斯顿观察到。据报道，在这起事故中，飞行员在寻找另一架飞机的过程中，导致飞机俯冲至下方的海洋。

谢丽尔·洛瑞 (Cheryl Lowry) 也是一名航空医学专家，曾担任空军飞行外科医生，她表示，类似事件“极易发生”。 (Pinkston 和 Lowry 共同经营一家名为 Kinetic Medical Consultants 的公司。) 在事故中，“空速非常快，会发生很多事情，你要努力观察那个人，并尽可能锁定他；你要努力导航，你要努力使用无线电通讯设备，以及驾驶舱内的所有干扰。有时，你很容易专注于一件事，也就是‘他在哪里？他在哪里？他在哪里？’”

在这种情况下，Lowry 补充道，“听起来 Auto GCAS 就像广告中说的那样有效——这正是它的用途。”

不同的分析

在 2021 年、2020 年和 2016 年发生的三起事件中，国防承包商洛克希德·马丁公司（该公司与 美国宇航局和空军研究实验室仅认为 2020 年的阿拉斯加事件确实是由于 Auto GCAS 软件而导致的救援，而空军安全中心则认为这三次事件都是基于软件的救援。

对事件的不同分析源于几个因素。其中一个因素与国防部内部得出的明显不同结论有关。洛克希德马丁公司在一份声明中表示：“洛克希德马丁公司关于‘一架 F-22 确认成功救援’的数据是基于国防部安全部门（即部队安全与职业健康部门）的指导，该部门利用 E 级事故报告和飞行员访谈中的可用数据对所有三起参考事件进行了内部分析，并得出结论，只有 2020 年 6 月的事件是真正的自动 GCAS 救援。”

与此同时，空军安全中心表示，三起 F-22 事故确实要​​归功于该软件，它拯救了飞机和飞行员。安全中心表示：“空军安全中心和 F-22 项目办公室彻底审查了三起 F-22 事故，认为这三起事故都是自动 GCAS 拯救的。”

事件分析结果不同的一个相关原因是，与 F-22 相比，F-35 和 F-16 上的软件工作方式略有不同。空军安全中心解释说，在猛禽战机上，地面防撞软件“使用飞行员设置的最低高度作为人工地面”。与此同时，其他两架战机采用了一种针对下方地形更具动态性的系统，允许“系统自动设置在整个飞行过程中变化的恢复高度，以确保飞机不会进入地形上方的缓冲区，从而防止地面撞击。”

简而言之，F-22 的软件采用了一条静态的“空中线”，飞机不能飞到线以下，而另一架飞机的软件允许更多的变化。洛克希德马丁公司在一份声明中表示：“由于相关空中线机载算法数据有限，洛克希德马丁公司无法对上述三起 F-22 事故进行典型的自动 GCAS 分析（如 F-16 激活时所做的分析）。”

空军安全中心还表示，由于 F-22 软件的运行方式不同，“在解释所报告的事件是否被视为有效保存时，可能会出现更多变化”。

人类、机器和信任

过去，Auto GCAS 曾因挽救飞行中昏倒的战斗机飞行员的生命而受到赞誉——这里有一个此类事件的镜头。当飞行员在操纵飞机时感受到 G 力时，可能会发生一种称为 GLOC（G 诱导意识丧失）的现象，由于血液从大脑中流出而昏倒。虽然一种称为抗 G 应变机动的体力训练和一种称为喷气式飞机上的 G 服的设备都可以帮助飞行员避免这种可能致命的问题，但它仍然会发生。

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此类事件凸显了高性能飞机与驾驶员相对脆弱的身体状况之间的复杂关系；它们还凸显了一个问题：在必要时，软件何时或是否应该接管飞机，以及飞行员对该软件的信任程度有多高，这个问题甚至成为了学术研究的主题。

“像 Auto GCAS 这样的系统绝对可以拯救生命，随着我们期待更新的战斗机机队，该系统将继续发展，并完善这项技术，以便它继续发挥宣传的作用，尽管我们的新一代战斗机的速度和能力不断提高，”Lowry 说。“人类不得不依赖这样的系统，这并不是坏事——事实上，这是对我们聪明才智的证明。”