未來戰(zhàn)斗機(jī)控制模式研究

鄭友勝，吳家峰

（中航工業(yè)洪都，江西南昌330024）

0 引言

美國率先研制并裝備第四代戰(zhàn)斗機(jī)，為了繼續(xù)擴(kuò)大自己的空天優(yōu)勢，已經(jīng)開始研制第五代戰(zhàn)斗機(jī)，俄羅斯也緊隨其后。第五代戰(zhàn)斗機(jī)到底是有人駕駛，還是無人機(jī)駕駛，目前也是各國爭論的焦點(diǎn)。然而，控制模式作為第五代戰(zhàn)斗機(jī)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，必須得以突破。本文主要研究了第五代戰(zhàn)斗機(jī)的控制模式。

1 國外發(fā)展概況以及能力需求

1.1 國外發(fā)展概況

美國在裝備第四代戰(zhàn)斗機(jī)的同時(shí)，也正在積極探索第五代戰(zhàn)斗機(jī)[1]。2008年第9期美國《空軍》雜志提出了第五代戰(zhàn)斗機(jī)的特點(diǎn)：高超音速、雙模式發(fā)動(dòng)機(jī)和自適應(yīng)的外形。隨后該雜志在2009年第10期中對(duì)第五代戰(zhàn)斗機(jī)的特點(diǎn)又進(jìn)行了修正，細(xì)化了一些技術(shù)特征：超強(qiáng)隱身能力、可能具有“變體”能力、高度網(wǎng)絡(luò)化、高度靈敏的傳感器等。目前，美國第五代戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展已經(jīng)由概念探討轉(zhuǎn)向前期論證，美國空軍在五代機(jī)發(fā)展問題上已經(jīng)邁出了實(shí)質(zhì)性步伐，已經(jīng)成立專門機(jī)構(gòu)開展五代機(jī)特征論證[2]。

據(jù)俄新網(wǎng)報(bào)道，2012年3月21日，俄羅斯航空巨頭米格公司展示了自己的新產(chǎn)品——“電鰩”噴氣式隱形無人機(jī)戰(zhàn)斗機(jī)。據(jù)稱，這種飛機(jī)因具備高速、隱身和無人駕駛等特性，被稱為“第六代戰(zhàn)斗機(jī)”。其重要用途是突破敵方嚴(yán)密的防空系統(tǒng)，發(fā)射彈艙內(nèi)的精確制導(dǎo)彈藥，擊毀預(yù)先偵察到的固定目標(biāo)，也可以擊毀地面目標(biāo)和海上目標(biāo)。

1.2 能力需求

第五代戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)具有出色的遠(yuǎn)程制空作戰(zhàn)能力和極強(qiáng)的對(duì)地、對(duì)海攻擊能力，同時(shí)應(yīng)具備高度的自主作戰(zhàn)能力，以奪取制空權(quán)、戰(zhàn)略縱深打擊和遠(yuǎn)海突擊為主要作戰(zhàn)使命。第五代戰(zhàn)斗機(jī)的主要作戰(zhàn)任務(wù)包括：防空截?fù)?、護(hù)航掩護(hù)、防空壓制、對(duì)海作戰(zhàn)、戰(zhàn)略縱深打擊、戰(zhàn)場遮斷、電子對(duì)抗和偵察/監(jiān)視等。

另外，從戰(zhàn)斗機(jī)的劃分角度分析，第五代戰(zhàn)斗機(jī)的綜合作戰(zhàn)能力應(yīng)該遠(yuǎn)超越第四代戰(zhàn)斗機(jī)，關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)較第四代戰(zhàn)斗機(jī)有壓倒性優(yōu)勢[3]，應(yīng)具備遠(yuǎn)程作戰(zhàn)、快速反應(yīng)、靈活支援的能力；具備防空反導(dǎo)、空降作戰(zhàn)、信息作戰(zhàn)的能力；在飛行速度、隱身性能、傳感器融合、自主控制、飛行空域、生存力、殺傷力和多任務(wù)等關(guān)鍵能力方面比第四代戰(zhàn)斗機(jī)更強(qiáng)。除了一些關(guān)鍵能力優(yōu)于四代機(jī)以外，五代機(jī)還應(yīng)該具備反隱身、能量隱身以及激光攻擊和高能微波攻擊等第四代戰(zhàn)斗機(jī)所不具備的能力。

2 控制模式

有人曾經(jīng)大膽預(yù)測，第四代戰(zhàn)斗機(jī)將是世界上發(fā)展的最后一代有人戰(zhàn)斗機(jī)了，隨著未來先進(jìn)無人機(jī)技術(shù)和無人機(jī)作戰(zhàn)平臺(tái)的發(fā)展，無人作戰(zhàn)飛機(jī)很有可能替代有人戰(zhàn)斗機(jī)，成為未來作戰(zhàn)飛機(jī)的發(fā)展主流?，F(xiàn)在看來，這一預(yù)測可能不會(huì)成為現(xiàn)實(shí)，就目前的控制技術(shù)水平，無人機(jī)只能執(zhí)行單一的對(duì)固定目標(biāo)與低速目標(biāo)的攻擊任務(wù)，對(duì)于復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)和高速運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，無人機(jī)還無能為力，離完全自主控制還相差甚遠(yuǎn)[3]。第五代戰(zhàn)斗機(jī)是有人機(jī)還是無人機(jī)，目前還沒有定論，各國也還在研究中。以下將分別從有人控制、自主控制和有人/自主復(fù)合控制等三個(gè)方面進(jìn)行深入研究、分析利弊。

2.1 有人控制模式

第一代戰(zhàn)斗機(jī)和第二代戰(zhàn)斗機(jī)完全由飛行員操縱和控制，需要飛行員不斷地調(diào)整飛機(jī)姿態(tài)，以保證飛機(jī)能夠穩(wěn)定性飛行。從第三代戰(zhàn)斗機(jī)開始，出現(xiàn)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以部分代替飛行員的工作，通過自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)整飛機(jī)的姿態(tài)，使飛機(jī)能夠穩(wěn)定飛行，提高了飛機(jī)的操縱性，減輕了飛行員的負(fù)擔(dān)。隨著飛控技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的工作可以由飛控系統(tǒng)完成或起到很好地輔助作用，大大降低了飛行員的操縱負(fù)擔(dān)。

第四代戰(zhàn)斗機(jī)控制系統(tǒng)安全級(jí)別很高，配備了多臺(tái)計(jì)算機(jī)，增加了飛機(jī)的控制冗余度；另外，即使在所有機(jī)載計(jì)算機(jī)都出現(xiàn)故障的情況下，飛行員還可以手動(dòng)飛行。第四代戰(zhàn)斗機(jī)的控制系統(tǒng)不是簡單的飛行控制，而是“飛行、火力、動(dòng)力”融合的控制系統(tǒng)。第四代戰(zhàn)斗機(jī)的飛控系統(tǒng)高度綜合化[4]，體現(xiàn)在信息綜合、顯示綜合、功能綜合、硬件綜合、軟件綜合和檢測綜合等。由于第四代戰(zhàn)斗機(jī)采用了更為先進(jìn)的控制技術(shù)和控制理念，將綜合共享的概念移到傳感器部分，更多的功能將由軟件實(shí)現(xiàn),并充分利用信息融合技術(shù),進(jìn)一步增強(qiáng)了飛行員的態(tài)勢感知能力,提高了飛行員的判斷能力，增強(qiáng)了戰(zhàn)斗機(jī)的攻擊能力和生存力。

第五代戰(zhàn)斗機(jī)將配備先進(jìn)的飛行管理系統(tǒng)，具有相當(dāng)高的自主控制能力。五代機(jī)控制系統(tǒng)除了四代機(jī)已有的控制能力外，還應(yīng)具備以下能力：

1）更強(qiáng)的綜合信息處理能力；

2）具備故障診斷和超強(qiáng)的自修復(fù)能力；

3）很強(qiáng)的信息篩選能力；

4）飛行路線重規(guī)劃、飛行任務(wù)重規(guī)劃、初具規(guī)模的協(xié)同作戰(zhàn)能力；

5）具備自主起降能力，確定目標(biāo)類型后可以自動(dòng)選擇武器發(fā)起攻擊，并且攻擊時(shí)間大大縮短。

對(duì)于第五代戰(zhàn)斗機(jī)，飛控系統(tǒng)像是一個(gè)能力很強(qiáng)的“助手”，而飛行員則是一個(gè)“決策者”和發(fā)布命令的“老板”；大多數(shù)情況下是戰(zhàn)機(jī)的飛控系統(tǒng)來完成操作，飛行員的主要職責(zé)是基于復(fù)雜環(huán)境下多目標(biāo)的任務(wù)決策、重要信息判斷、臨時(shí)應(yīng)變、干擾和程序中斷、嚴(yán)重故障等意外情況的處理。裝備更為先進(jìn)的智能控制系統(tǒng)后的第五代戰(zhàn)斗機(jī)，將會(huì)大大降低飛行員的操作負(fù)擔(dān)，簡化操作程序，使飛行員能夠更專注于執(zhí)行戰(zhàn)斗任務(wù)。

2.2 自主控制模式

2.2.1 自主控制相關(guān)概念

文獻(xiàn)[6]給出了自主控制的定義，認(rèn)為自主控制是通過在線感知、信息處理和控制重構(gòu)等功能，在不確定環(huán)境里和無人干涉的條件下,以最優(yōu)的方式執(zhí)行控制策略,自主、快速有效地適應(yīng)環(huán)境,實(shí)現(xiàn)場景描述、故障檢測、策略規(guī)劃、避障控制等功能。自主控制強(qiáng)調(diào)自我決策、自我控制,可看作是自動(dòng)控制的高級(jí)發(fā)展階段。

美國國防部在 《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖2005－2030》中公布的自主控制趨勢[5]，如圖1所示。

從圖1中可以看出各無人機(jī)型號(hào)與無人機(jī)10個(gè)自主控制級(jí)別之間的對(duì)比關(guān)系。由圖可知，自主等級(jí)在5以下的，任務(wù)相對(duì)簡單，可以由單機(jī)完成，而自主等級(jí)在5以上的任務(wù)，需要多機(jī)協(xié)同完成。目前，美國先進(jìn)的無人機(jī)僅處于等級(jí)4～5之間的水平，離完全自主機(jī)群的級(jí)別還有很大的差距[7]。

為了衡量第五代戰(zhàn)斗機(jī)系統(tǒng)的自主水平,需要對(duì)自主能力進(jìn)行合理的等級(jí)劃分。文獻(xiàn)[7]在研究美國無人機(jī)自主等級(jí)的劃分之后，提出了一種新的無人機(jī)發(fā)展的自主控制等級(jí)（表1）。

圖1 2005版美國無人機(jī)發(fā)展路線圖

表1 自主水平等級(jí)

與美國無人機(jī)自主控制10級(jí)劃分相比，表1中給出的無人機(jī)自主控制9級(jí)劃分的等級(jí)次序與其相同，等級(jí)命名經(jīng)更改后全部反應(yīng)該等級(jí)的軍事應(yīng)用特征，還取消了不能歸為智能活動(dòng)的分布式控制等級(jí)。

2.2.2 自主控制的主要技術(shù)特征

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)自主控制的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了大量深入的研究。文獻(xiàn)[8]認(rèn)為進(jìn)行自我決策、自我控制是實(shí)現(xiàn)自主控制的一個(gè)重要標(biāo)志；文獻(xiàn)[9]認(rèn)為自主控制需要具備通信、協(xié)調(diào)、目標(biāo)識(shí)別與分配、沖突自動(dòng)化解等能力；文獻(xiàn)[10]指出自主控制需要提供人機(jī)接口、通信和目標(biāo)識(shí)別等功能；文獻(xiàn)[11]、[12]認(rèn)為態(tài)勢感知、決策分析、通信協(xié)同和實(shí)時(shí)目標(biāo)重定位是自主控制必須具備的幾項(xiàng)重要能力；而文獻(xiàn)[13]認(rèn)為時(shí)空建模、智能分層控制、嵌入式計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)化通信是實(shí)現(xiàn)自主控制的關(guān)鍵。

本文根據(jù)第五代戰(zhàn)斗機(jī)的作戰(zhàn)使命和能力需求，分析自主控制系統(tǒng)需要完成的主要任務(wù)有：防空截?fù)?、防空壓制、?duì)空作戰(zhàn)、對(duì)地攻擊、對(duì)海作戰(zhàn)、戰(zhàn)略縱深打擊、戰(zhàn)場遮斷、電子對(duì)抗和偵察/監(jiān)視等。完成這些任務(wù)，第五代戰(zhàn)斗機(jī)的自主控制系統(tǒng)必須具備的主要能力有：

1)自主控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。自主控制系統(tǒng)是一個(gè)系統(tǒng)階次高、子系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián),系統(tǒng)評(píng)價(jià)目標(biāo)多且相互矛盾的復(fù)雜大系統(tǒng),是多個(gè)學(xué)科的交叉[14]。自主控制系統(tǒng)主要任務(wù)是把各個(gè)子系統(tǒng)連接成一個(gè)整體,統(tǒng)一管理調(diào)度各個(gè)子系統(tǒng),使各子系統(tǒng)步調(diào)一致地完成總體任務(wù),其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接關(guān)系到無人操作時(shí)的第五代戰(zhàn)斗機(jī)整體性能的發(fā)揮和智能水平的高低。

2)多傳感器信息融合能力。未來戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜，要完成作戰(zhàn)任務(wù)，必須充分、準(zhǔn)確地獲取敵我雙方信息。由于獲取的信息量大，要從眾多的信息中獲取所需信息，并對(duì)這些信息進(jìn)行合理利用，必須發(fā)展多傳感器信息融合技術(shù)，使第五代戰(zhàn)斗機(jī)具有對(duì)多種信息獲取手段所獲得的信息進(jìn)行分析和處理的能力。

3)協(xié)同與交互能力。協(xié)同與交互技術(shù)主要解決無人機(jī)與無人機(jī)、無人機(jī)與有人機(jī)之間以及任務(wù)控制站、指控系統(tǒng)的協(xié)同操作，實(shí)現(xiàn)各機(jī)種間的協(xié)同作戰(zhàn)。

4)自主決策與控制能力。有人機(jī)上對(duì)于不同的目標(biāo)和不斷變化的戰(zhàn)場環(huán)境，飛行員會(huì)擇機(jī)選擇相應(yīng)的操作，如攻擊武器、攻擊方式、攻擊時(shí)刻和機(jī)動(dòng)規(guī)避等。對(duì)于無人機(jī)，如果這些都是由操作手來完成，那么對(duì)于打擊一些稍縱即逝的機(jī)動(dòng)目標(biāo)和即時(shí)發(fā)現(xiàn)的時(shí)敏目標(biāo)，必然會(huì)貽誤最佳作戰(zhàn)時(shí)機(jī)。因此，無人操作時(shí)，需要具備自主決策能力，主要包括目標(biāo)威脅判斷、攻擊武器、攻擊方式、攻擊時(shí)刻、權(quán)限降級(jí)、自主規(guī)避、攻擊排序、火力分配和武器投放等。

5)快速動(dòng)態(tài)重規(guī)劃能力。當(dāng)五代機(jī)收到新的傳感器信息、命令、情報(bào)或不可預(yù)料事件發(fā)生時(shí),就要進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)重規(guī)劃,以最優(yōu)的方式完成對(duì)預(yù)先任務(wù)規(guī)劃的更新,包括航路重規(guī)劃、攻擊任務(wù)重規(guī)劃和攻擊目標(biāo)重鎖定等，生成新的任務(wù)。具備快速動(dòng)態(tài)重規(guī)劃技術(shù)后，五代機(jī)可以根據(jù)當(dāng)前的態(tài)勢和對(duì)未來一段時(shí)間內(nèi)態(tài)勢的估計(jì)，結(jié)合預(yù)測控制技術(shù)，選取合適的應(yīng)飛軌跡、攻擊目標(biāo)或武器種類，從而賦予五代機(jī)靈活執(zhí)行任務(wù)的能力。

2.3 有人/自主控制模式兼容

目前世界上最先進(jìn)的戰(zhàn)斗機(jī)仍然是有人駕駛的。由于人這一“高級(jí)動(dòng)物”的加入，使得戰(zhàn)斗機(jī)在空中執(zhí)行任務(wù)時(shí)，變得更加靈活，可以因時(shí)、因地、因空和因海而變，可以進(jìn)行大規(guī)模的機(jī)群協(xié)同作戰(zhàn)，在過去的海灣戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭、阿富汗以及敘利亞戰(zhàn)爭中發(fā)揮了極其重要的作用。然而，戰(zhàn)斗機(jī)在執(zhí)行高機(jī)動(dòng)大過載飛行任務(wù)、惡劣天氣、惡劣環(huán)境、超高空飛行和超長時(shí)間飛行等超過人的生理和身體極限的任務(wù)，飛行員將無法完成。

有人戰(zhàn)斗機(jī)的這些不足，可以由無人戰(zhàn)斗機(jī)進(jìn)行有效彌補(bǔ)。無人機(jī)要想取代有人機(jī)執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，在作戰(zhàn)時(shí)需要能像戰(zhàn)斗員一樣能夠結(jié)合任務(wù)、態(tài)勢、環(huán)境和信息等實(shí)時(shí)決策，做出正確地判斷并有效執(zhí)行才能完成任務(wù)。這就要求無人戰(zhàn)斗機(jī)的自主控制系統(tǒng)具備“人腦”一樣的智能。無人機(jī)技術(shù)發(fā)展最好的國家是美國，美國在2005年發(fā)布了最新的美國無人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展路線圖，該路線圖將無人機(jī)的發(fā)展劃分為10個(gè)級(jí)別。在這個(gè)界別劃分中，5級(jí)以下反應(yīng)了單機(jī)的最高自主水平，從第5級(jí)開始描述多機(jī)的自主控制能力，而7級(jí)～10級(jí)是美軍未來的發(fā)展方向，理論和技術(shù)上還處于探索階段[15]。美國最先進(jìn)的無人作戰(zhàn)飛機(jī)的自主控制等級(jí)在5級(jí)左右，離完全自主機(jī)群協(xié)同作戰(zhàn)尚有很大差距。

由于無人自主控制系統(tǒng)是一個(gè)多學(xué)科交叉的系統(tǒng)工程，目前的技術(shù)還不成熟，離達(dá)到有人機(jī)一樣的作戰(zhàn)水平尚有很大差距，在未來20年內(nèi)恐將難以實(shí)現(xiàn)，至少目前還無法判斷其實(shí)現(xiàn)的可能性；而有人戰(zhàn)斗機(jī)在執(zhí)行高機(jī)動(dòng)大過載、長航時(shí)和高危環(huán)境等任務(wù)時(shí)，又表現(xiàn)出明顯的不足；未來的第五代戰(zhàn)斗機(jī)在作戰(zhàn)使命和能力需求上，需要具備這些能力。鑒于這一情況，本文提出第五代戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)兼顧有人駕駛和無人自主控制的兩種平臺(tái)，在執(zhí)行機(jī)群協(xié)同作戰(zhàn)、復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境和高度自主決策等任務(wù)時(shí)，需要飛行員配合執(zhí)行；在不適宜飛行員駕駛的環(huán)境(如長時(shí)間作戰(zhàn)、生化威脅環(huán)境、核輻射環(huán)境等)下，又只有五代機(jī)才能完成的任務(wù)時(shí)，就可以讓戰(zhàn)斗機(jī)在無人狀態(tài)下執(zhí)行任務(wù)。由五代機(jī)的飛行管理系統(tǒng)功能是有地面的工作人員根據(jù)事先編好的程序載入機(jī)載系統(tǒng)的，對(duì)于瞬息萬變的戰(zhàn)場，事先的假定都是有限的，有很多意外情況是我們無法預(yù)測的。雖然控制系統(tǒng)有一定的自學(xué)能力，但是與人腦相比相差甚遠(yuǎn)。因此，為了保證飛機(jī)的安全性和可靠性，五代機(jī)具有這兩種控制模式下的一個(gè)控制原則是，盡量讓戰(zhàn)斗員去完成作戰(zhàn)任務(wù)，只有在超出戰(zhàn)斗員的生理極限或心里承受能力的情況下，才可以讓飛機(jī)在無人狀態(tài)下“自主”完成任務(wù)。

3 結(jié)語

本文從未來幾十年內(nèi)的作戰(zhàn)環(huán)境、武器裝備發(fā)展體系需求和作戰(zhàn)使命等方面出發(fā)，提出第五代戰(zhàn)斗機(jī)的能力需求。并根據(jù)現(xiàn)有無人機(jī)的自主控制水平、未來自主控制技術(shù)的發(fā)展速度以及有人戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)展瓶頸等情況相結(jié)合，提出未來第五代戰(zhàn)斗機(jī)的控制模式是有人控制與自主控制兼顧。

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