智勝雲端：戰機座艙演變史
■楊俊超 張 翯 袁國強
F-35戰鬥機訓練模擬駕駛艙。供圖：陽 明
第十五屆中國航展上，我軍殲-20戰機和殲-35A戰機聯袂亮相，展示各種高難度飛行動作，讓觀眾感到深深震撼。同時，大家也對新型戰機「資訊就在眼前、控制就在指邊」的座艙產生濃厚興趣，予以高度評價，稱之為「夢幻」座艙。
在飛行中，戰機座艙是飛行員最親密的「夥伴」，是飛行員獲取態勢資訊、操控飛機和執行任務的交聯樞紐，是「人—戰機」系統的核心組成部份，歷來被視為戰機研制水平高低的重要標誌。那麽，神秘的戰機座艙到底整合了哪些「硬科技」「黑科技」呢？
從最早機械器材密布、人工操控為主，到電子玻璃化、多功能綜合顯控，再到多通道互動、人機混合智能耦合增強，戰機座艙見證並引領了戰機整體效能的巨大飛躍。本期「軍工T型台」，讓我們從人與戰機之間關系演變的視角，一起關註戰機座艙「智勝雲端」的發展之路。
「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，給飛行員一個合適的「工位」，一直是飛機設計師們考慮的重要問題。
1903年，萊特兄弟發明世界上第一架飛機「飛行者一號」，開啟了人類飛行新紀元。但事實上，「飛行者一號」並沒有座艙，甚至連一把椅子都沒有，飛行員只能頭朝前趴在下機翼上表面，采用移動搖架牽動纜線使機翼翹曲的方式來控制飛機。
此時，飛行員完全暴露在空氣中，稍一松手就會從機翼上掉下來，只能透過克服巨大風阻，依靠肉眼觀測外部。面對這樣氣動不穩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，其安全隱患不言而喻。
這種人機關系一直延續到早期的戰機座艙。在抗美援朝戰爭中登場的米格-17和F-86噴射式戰鬥機，戰機座艙還完全依靠機械操作裝置和機電顯示儀表。
操控方面，飛機中央駕駛桿以機械連桿的方式操控飛機舵面，控制飛機俯仰和滾轉，腳蹬也以同樣的方式操縱方向舵以防飛機偏航；顯示方面，飛機基本采用機電伺服儀表，儀表板布局采用標準的盲目飛行儀表盤，即將地平儀、空速表、高度表、陀螺半羅盤、轉彎儀和升降速度表這6個主要儀表裝在儀表板中央，發動機參數儀表布置在兩側，飛行員的儀表觀察和手動操控任務非常繁重。
戰機座艙儀表和控制裝置數量的增加，很容易導致飛行員「手忙腳亂」，增加飛行員的工作負荷。為了緩和座艙特別是儀表板日益擁擠的問題，設計師們對座艙顯示和控制裝置進行了整合，創造性設計出「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」座艙設計。它使座艙更加簡潔明了，飛行員很容易知道相關儀表和控制器在什麽地方，一定程度減輕了飛行員的負擔。但問題在於，這種布局一經確定，顯示儀表與控制裝置就始終占據固定位置，利用率不高、資訊容量小的問題較為突出，難以適應越來越多的傳感器帶來的顯示控制需求，在飛機前機身截面積有限的條件下，戰機座艙會變得越來越局促。
「時分制」座艙——
綜合顯控讀取「空中態勢」
20世紀80年代，隨著以F-16、蘇-27戰機等為代表的新一代主力機型投入使用，戰機開始向多工、多用途方向發展，不再一味追求高空高速截擊能力，強調高亞聲速及跨聲速機動性和近距格鬥能力。各種傳感器、機載器材數量劇增，飛行員往往需要在「生死12秒」內完成復雜的資訊獲取、確認、決策和戰鬥操作，已趨近人的生理、心理負荷極限，「人—戰機」系統變得更加復雜，飛行員需要面對的任務更加艱巨。
為了將飛行員從繁重的操作任務中解放出來，工程師們進行了大膽的座艙設計創新，戰機座艙由此進入「時分制」時代，飛行員也從對飛機的簡單操縱中脫離出來，轉而聚焦於監控飛機狀態和完成作戰任務。
在座艙顯示方面，戰機采用「一平三下」的設計方式，即透過「一個平視顯視器、三個綜合顯視器」來提供主要資訊。平視顯視器是為解決飛行員座艙內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資訊，如速度、飛機姿態、敵我資訊等，利用光學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處。
這樣，飛行員透過平視顯視器向前看，就能同步完成戰場環境觀察和重要數據讀取等任務。
兵貴神速，平視顯視器可以使飛行員不用頻繁低頭觀察儀表，第一時間獲取關鍵作戰資訊和數據。與此同時，綜合顯視器采用「時分制」顯示，即在不同的時間顯示不同的資訊，飛行員可以自動或手動切換工作狀態，綜合顯視器能做到「一顯多用」、按需顯示，特別是能顯示經過機載電腦系統加工過的作戰態勢資訊，減輕飛行員的負擔並減少誤讀誤判情況發生。
在座艙控制方面，戰機采用「手不離桿」（HOTAS）的設計方式，即飛行員在進行大過載機動或作戰時，雙手可以不離開駕駛桿或油門桿。其技術基礎在於，該設計方式能把機載電子器材綜合成一個以電腦為核心的綜合航電系統，利用數碼總線傳輸互通互操作資訊。於是，座艙內傳統的機械控制逐漸被電傳控制取代，駕駛桿、腳蹬甚至油門桿上，都可以裝設雷達、武器和顯視器的控制開關。這樣做的好處是，飛行員可以在駕駛飛機的同時，控制武器、傳感器、顯視器的工作狀態和重要參數，極大提升戰機操控效率，飛行員的作戰能力也得到了進一步釋放。
「智能化」座艙——
人機協同啟用「飛翔大腦」
隨著智能化時代的到來，新的空中作戰樣式不斷湧現，如分布式殺傷、有人/無人機協同作戰等。未來的作戰樣式下，飛行員需要整合大量作戰資源要素，對資訊進行融合處理、高效轉化和即時分發，實作多控制節點的協同排程和管控。
此時，飛行員的角色將發生巨大變化，跳出傳統的戰機操控環路，由具體執行者變為指揮決策者。戰機座艙將為實作這一轉變而升級為「智慧座艙」，主要將呈現出以下幾個特點：
——支持座艙內多通道人機互動。人工智能技術的發展，使手勢、語音、眼動、腦控等單一通道感知認知技術效能快速提升，電腦可以較為準確地理解、推理飛行員的行為和意圖。同時，高速發展的便攜式硬件技術催生了高效能可穿戴式傳感器，足以支撐輕量化的飛行員人體參數采集、處理與輸出。飛行員在座艙中只需透過一句話、一個動作、一個眼神，甚至大腦的一個意念，即可迅速轉換成戰機的操控指令。
——提供三維戰場環境圖景。戰機座艙可完成多模態數據處理、資訊同步、模型標定、數據轉換、辨識與合成等，輔助飛行員全面獲取戰場環境資訊，增強真實戰場的顯示效果，實作多種戰場資訊的視覺化。飛行員眼前的景象，是透過資訊與物理實體耦合的方式，實作物理化操作與物理形態的資訊呈現，飛行員將「沈浸式」身臨戰場，在人工智能的輔助下翺翔藍天。
——實作人機混合智能訓練。以基因科技、智能科技、心理學、腦神經提升技術與微生物科技等多學科為基礎，新型的智能增強技術將廣泛運用於戰機座艙。一方面，戰機智能系統能更有效地吸納飛行員在決策、思維和經驗等方面優勢，加快自身訓練前進演化，增強系統能力。另一方面，飛行員透過可穿戴式器材、腦機介面裝置，獲得感知能力、生理機能和大腦智能上的巨大提升。尤為重要的是，這種「夥伴式」的人機協作關系，可以不斷把飛行員對模糊、不確定問題的分析與響應，甚至是對戰場態勢感知的超理性直覺與機器智能系統緊密耦合，形成雙向的資訊交流與控制，使飛行員的高級智慧優勢和智能系統強大的運算和儲存能力相結合，使戰機座艙成為「1+1>2」的智能增強形態，以「飛翔大腦」指揮控制戰機制勝未來空天戰場。
（來源：中國軍網-解放軍報）
