F-16為何需要自動防撞地系統,運作原理是什麼?【觀點】

空軍F-16V戰機緊急升空。(圖/軍聞社)
空軍嘉義基地一架F-16V戰機,11日下午由上尉飛官陳奕(28歲)架機執行對地炸射科目,在進行大角度導入時快速墜海。F-16執行攻擊任務常須貼地或俯衝飛行,飛行員易因空間迷向或高G力昏迷致使發生墜機危險,美國空軍實際上也有此困擾,故開發「自動防撞地」系統(Auto GCAS)。我國F-16V有此設備嗎?

(※ 文:戰略風格,40萬粉絲追蹤的台灣最大軍武粉專主編觀點)

台灣擁有大量F-16戰機,堪稱是中華民國空軍的全能打手,防空任務、對海打擊,甚至對地打擊都包辦。但F-16執行攻擊任務常須貼地或俯衝飛行,飛行員易因空間迷向或高G力昏迷等原因,致使發生墜機危險,美國空軍實際上也有此困擾,故開發「自動防撞地」系統(Auto GCAS),拯救相當多飛行員生命。我國F-16V有此設備嗎?

培育合格F-16V飛行員,比採購戰機更難

2022年1月11日,台灣一架由飛官陳奕上尉駕駛,機號6650的F-16AM單座戰機(即F-16V的空軍正式型號),由嘉義基地起飛執行訓練,於當日14時55分,開始在水溪靶場周邊空域執行「對地攻擊」科目訓練,稍後被僚機目擊機體呈現大角度墜海,15時26分雷達光點消失。

柳惠千表示,靶場飛行輔導室曾試圖用無線電提醒,但因飛行員不正常長按無線電麥克風不放,導致無法收到其他人的呼叫(編按:不排除已因俯衝G力昏迷),戰機墜海時,也沒有目視到人員跳傘的情況。但國軍不排除任何可能,只要有一線希望就會全力持續搜救。

中華民國空軍目前已經有64架F-16V,持續升級與外購,預計將擁有207架F-16V戰機,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。

許多專家提出,若我國F-16V戰機已經安裝了自動防撞地系統,是否能避免此次悲劇?

F-16 攔截 H-6K
機號6650的F-16V,改裝前攔截中國解放軍H-6K轟炸機任務照。(圖/國防部)

F-16為什麼需要自動防撞地系統?

戰鬥機就算正常飛行,都有相當風險,演訓強度高,戰機墜毀的機率更增加。根據美國統計,全球 F-16型戰機自2006年11月30日至2017年12月1日止,累計飛行時數為13,867,227小時,總計發生528起重大失事,平均失事率為每10萬飛行小時2.61件,累計造成375架全毀,飛機毀損率為每10萬飛行小時3.68架。

F-16戰機常常兼具戰鬥轟炸機的功能,需俯衝向地面發動攻擊,駕駛員可能需要承受高達5G以上的重力(一般而言,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),影響操控。飛行員穿著抗G衣作為防護,當高正G力產生時,抗G衣即會在四肢充氣增加壓力,藉以逼使血液回流腦部。

若抗G衣失效或來不及反應,當正G力越大時,飛行員的血液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,幾秒內就直接俯衝撞地的危險情況。因此美軍研發出「自動防撞地系統」(Auto Ground Collision Avoidance System,簡稱Auto GCAS)。

例如2020年1月和7月的內華達測試與訓練靶場(Nevada Test and Training Range),就連續發生兩名F-16C戰機的駕駛,在演訓時因為高G力發生昏迷,幸好被Auto GCAS救回。

2022年初,F-16進行大象漫步戰力展示。(圖/美聯社)

自動防撞地系統的運作原理

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,超過7成的F-16型機意外是此4項因素所造成,而造成意外原因,幾乎均為人為因素,顯然F-16很需要防止此類事故的設備。

於是由洛克希德馬丁公司(Lockheed Martin)「臭鼬工廠」(Skunk Works)、美國空軍研究實驗室(Air Force Research Laboratory, AFRL),以及美國國家航空暨太空總署(NASA)聯合開發Auto GCAS,並於2014年正式服役。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會不斷監視F-16的飛行數據、感測系統,並以人工智慧功能比對「飛行軌跡」、「任務模組電腦」(MMC)和「數位地形資料」(DTED)。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,立刻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。

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)。

一名飛行員正在駕駛F-16CM戰隼。 圖/取自U.S. Air Force
F-16戰機。(圖/美國空軍)

升級版的Auto ICAS還能避免空中互撞

美國正在將Auto GCAS系統升級為為自動整合防撞系統(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」。

例如2014年10月20日,美國空中國民警衛隊(Air National Guard)第138戰鬥機聯隊(138 FW) 的兩架F-16C戰鬥機在堪薩斯州莫林(Moline,Kansas)北部空域,以雙機編隊執行戰術訓練任務時,竟然發生空中相撞。事故導致一架F-16C墜毀,所幸飛行員成功彈射並獲救,另外一架F-16C戰鬥機的右側機翼破損過半,但在飛行員的沉著駕駛下,安全返回到160公里外的塔爾薩空軍基地。

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。

根據美國空軍研究,F-16裝載Auto GCAS後,可減少將近48%飛安事件,包含高G昏迷、空間迷向及可操縱撞地,若升級為Auto ICAS,可避免空中相撞後,更預計可減少將近75%因「人為因素」所造成之F-16飛安事件。

空軍F-16V為何尚未安裝自動防撞地系統?

遺憾的是,我國的F-16V戰機改裝案中,有採購此裝備,但因美方還在整合測試中,因此尚未加裝。

中華民國空軍F-16V戰機(升級版)加裝Auto GCAS,是改裝案中追加的項目,根據美國國防部 (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。

為何需要重新開發?主要難度在於,Auto GCAS過去從未安裝在改裝版F-16V的前身,即Block 20上,因為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。(技術上來說,應該是將升級版F-16V的飛控系統全面數位化,才有可能裝Auto GCAS,工程量非常大)

此外,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,我國空軍預計在2023年11月起開始進行安裝作業。

中華民國空軍F-16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,事後判斷如果有Auto GCAS,應該能避免此悲劇;沒想到還來不及安裝,竟然很可能又重演不幸事件。

(原文原發表於「戰略風格」,授權公視新聞網編修轉載。本文為作者觀點,不代表本站立場)

一位F-16戰隼駕駛員準備執行飛行作業。 圖/取自U.S. Air Force
F-16戰機。(圖/美國空軍)

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