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美军空中加油模拟器及其使用分析

时间:2020-07-31     【转载】

CymSTAR公司生产的BOWST

中国航空报讯:空中加油能力是各国空军实现战略空军的力量倍增器,空中加油可以增加受油机的航程、航时、有效载荷,扩大作战使用上的灵活性。最早的空中加油实验是在20世纪20年代进行的。在两架采用高低编队飞行缓慢飞行老式双翼飞机中,将软管从高位飞机上的手持式油箱中抛出,并放入低位飞机的常用加油口中依靠重力完成了空中加油。如今,执行空中加油任务的加油机、受油机是专门为完成任务而设计的,需要加装加受油设备,对燃油系统和任务系统进行了优化改进。到海湾战争和伊拉克战争时,除了在科威特地区的一些短程对地攻击外,所有联队的空中飞行任务都有空中加油机的参与。现代化的加、受油设备成本较高,且与重型机近距编队的危险性较高,所以空中加油如今仅用于军事用途。庞大的作战任务需求带来如何安全、高效、经济的训练加油员的问题。

空中加油任务的训练需求

典型空中加油任务中涉及的人员主要包括加油机飞行员、任务规划人员、加油员和工程师(包括机务人员)等,所需开展的训练内容也是围绕上述人员开展。加油员是空中加油任务特有的职业,也是训练的重中之重。加油机飞行员的训练与大型民用飞机训练和认证方法比较接近,大量的科目可以使用D级模拟器完成。

从2019年版《军力平衡》中看,美军现役的大型加油机约530架,按照每架飞机配2套机组来估算,至少有3000人以上的空勤、战勤人员需要完成改装训练和日常复训,维持其飞行水平并提升任务准备状态。模拟仿真技术的进步,飞行模拟的复杂性和真实性不断增强,显著提高了军事训练各个阶段的有效性。自空中加油模拟器诞生以来,在美军中得到了充分的重视和利用,并且持续发展。空中加油模拟器可以大大减少在实装上训练所需的时间。通过模拟训练,机组人员可以在几乎所有可能的情况下进行锻炼,并测试他们对实际加油任务中可能遇到的各种挑战做出适当反应的能力,使机组人员在初次飞行时不会面临高的风险。最终,通过这些标准化的空中加油流程训练,让机组人员通过空中加油资质认证。

在使用模拟器之前,训练机组人员的费用很高。使用实装训练加油员需要有加油机和受油机的配合,而KC-135这种大型飞机一个8小时的架次大约要花费超过49000美元,还不包括受油机的使用成本。而使用加油员模拟器每小时为训练成本600美元,无需支出燃油、维护或飞行小时成本。

KC-46的D级模拟器

加油员训练模拟器的发展现状

1.美空军的BOWST美军作为加油机的最大用户,其使用的较典型空中加油模拟器为RC-135使用的加油硬杆操作员武器系统训练器(Boom Operator W e a p o n s S y s t e m s T r a i n e r,BOWST)。KC-135 BOWST的诞生也生成了空中加油飞机模拟资格认证(ARASQ)标准的初始版本,经过对BOWST的升级,使其成为最早通过ARASQ修订版C认证的设备,标准着美空军能够将空中加油资格训练从飞机转移到模拟器中。ARASQ标志着优化了空中加油飞行方案所需的模拟器认证(SIMCERT)资格测试,该测试基于加油机、加油硬杆和各种受油机平台的飞行测试空气动力学数据。

目前,美空军部署了19台KC135飞行模拟器,9台BOWST用于KC-135机组人员的训练。BOWST并没有使用运动平台,而KC-135飞行模拟器由CAE公司生产,按照D级模拟器的标准,使用了运动平台。在KC-135加油员训练期间,学员必须完成16次BOWST模拟,需模拟在给其他飞机加油时可能遇到的各种不同情况,完成测试后才能放飞,去实装加油机上训练。

2.空中国民警卫队使用的BOSS

空中国民警卫队使用的空中加油训练设备是由FAAC公司生产的硬杆加油员模拟器系统(Boom Operator Simulator System,BOSS),单台价格约110万美元。KC-135 BOSS用于中队级训练,与KC-135飞行模拟器同地部署。BOSS占地面积小,具有高清视觉深度感知模拟和真实的飞机硬杆控制功能。尽管尺寸紧凑,但KC-135 BOSS具备完整的场景构建功能和完整的视觉显示软件,它提供了26种不同的仿真受油机以及数百种故障、大型受油飞机、飞机编队等详细模拟,可以准确的训练加油全过程。空中国民警卫队KC-135R飞行机组的合格加油员会使用BOSS进行完整的培训课程:初始资格、差异资格、认证、任务认证和转教员升级培训,并且BOSS符合空中加油飞机模拟器资格(ARASQ)标准。

教员在模拟器外侧的控制台将能够准确地看到学员所看到的内容,可以向学员准确的传授训练内容,并指出发现的问题。BOSS在学员训练的舱内区域也安装了触摸屏教员操作系统,无需在每次课程中都配备教员,从而使学员更轻松地安排训练时间和保持熟练水平。

由于深度感知对空中加油至关重要,但难以模拟。BOSS使用了头部跟踪技术,从而使KC-135 BOSS可以帮助学员在离开地面之前就很好地磨练这些重要技能。图像生成器的主要要求是提供对可能由多个光源投射的阴影可以准确、高质量的模拟,可以支持多种光源,可以准确模拟包括硬杆在收油机上的阴影显示。

KC-46加油员模拟器

3.KC-46加油模拟器

美空军新型KC-46加油机上最具争议的功能可能是其空中加油员操作台的设计。KC-46放弃了历经考验的位于加油机尾部的真实硬杆吊舱设计,即像KC-135加油机那样使加油员可以透过尾部窗户从加油机的尾部看向后方。KC-46取而代之在飞机周围安装了一系列多光谱摄像头,并采用了混合3D / 2D远程视频系统操作加油硬杆。加油员面对机尾,坐在飞机驾驶舱后面的两人制操作台,看起来更像是无人机地面站的设计。

两个加油员面前都包括三行主要显示屏。顶部的显示器显示通知飞机后半球周围的情况。它特别适合用于监视受油机,这些受油机通过加油机的中心线软管和锥套以及在机翼两侧的两个软管加油吊舱单元进行加油;中间行的2D / 3D显示屏从飞机的后部复制了加油硬杆的视图,以进行硬杆加油操作。在每个加油员操作台的两侧安装有操纵杆,通过使用电传操纵硬杆进行控制;底部显示器是多功能显示器,可提供加油机状态和加油操作有关的关键数据。此外,KC-46加油员在执行任务时也会使用他们的平板电脑。

该系统的一个优点是加油员可以在完全黑暗的状态下执行任务,而两架飞机都可以关闭可见光照明。缺点是将视频传送到加油员所看到的与飞机尾端可能实际发生的情况之间存在微小差异,会产生深度压缩和弯曲效果。任何阴影、眩光或其他类似因素都可能影响加油员的实际视野,导致它们过度补偿并使硬杆不稳定地摆动。这可能会对硬杆本身造成过大的载荷,也可能增加硬杆撞击受油机的风险,尤其是破坏隐身飞机表面的吸波材料涂层。

此外,混合式2D/3D系统需要使用立体眼镜才能发挥出最佳效果,就像在电影院看3D电影一样。据测试发现,这可能导致加油员眼部疲劳、头痛、眩晕和其他视力问题的发生率增加,尤其是对那些易患这些问题的加油员。

因此,波音公司已经按照空军的要求,计划自筹经费对KC-46加油操作台存在的问题进行修复,这将包括硬件变更,新的相机镜头和计算机处理能力,以及软件修复等。

KC-135学员在模拟器中

空中加油训练特点:1.独立与联网结合使用在历史上,由于加油训练科目差异性较大,所以大部分时间都是独立训练,各司其职。美空军空中机动司令部一直致力于整合当今用于加油机飞行员、加油操作员、受油机飞行员的独立系统,希望能让机组人员访问美空军的分布式训练中心网络(DTCN),使机组人员在需要联合演练时可以通过一个安全的网络与其他飞机平台进行虚拟空中加油训练,减少实装联合训练的频次,为美空军节省数百万美元的运营和维护费用。

在2013年12月,由美国诺格公司领导的工业部门团队首次为美空军成功进行了高保真虚拟空加油演示,通过网络将不同地域的飞行模拟器联网并提供空对空中加油过程的真实模拟。此次演示连接了德克萨斯州C-17运输机飞行模拟器、佛罗里达州KC-135加油机飞行模拟器以及在俄克拉荷马州硬杆加油员模拟器,这三个模拟器都通过机动空军(MAF)的分布式任务作战(DMO)测试网络同时运行。

在演示中,C-17飞行员和加油员完成了加受油过程,还包括测试标准的视觉参考、无线电通信和战术空中导航系统(即“塔康”)。为了实现互用性要求,诺格公司作为网络总体单位,联合CAE公司、CymSTAR公司和L-3公司,基于实装加油过程和其分布式集成框架中要求,定义了70多个虚拟空中加油标准。CAE是佛罗里达州坦帕市KC-135机组训练系统的主要承包商;总部位于俄克拉荷马州的CymSTAR设计和制造了BOWST;位于德克萨斯州阿灵顿的L-3 Link模拟与培训中心提供了C-17武器系统训练。

2.加油过程的自主化在日常训练中,加油教员在训练期间对任务进行编程及控制,扮演飞行员的角色。也可以使用语音识别技术,对指令进行回复。

自主或半自动加油技术正在得到军方的关注。2017年空客公司对自主化空中加油系统进行了系列测试,用加油硬杆为F-16战斗机进行了授油,测试过程顺利。自主空中加油系统能够大幅压缩加油过程耗时,因为自主系统相比于加油操作员能够更快更准完成所有动作。同时,加油员只是监控自主加油系统工作,以及在非正常情况下进行干预操作。此外,有人/无人机之间的加受油技术也已经得到了验证;无人机之间的伙伴加油也完成了验证;美国MQ25A无人空中加油无人机也已经问世,这标志着无人加受油技术的成熟。

在未来,加油员的主要工作将从“干”转变到“看”。虽然目前并没有通用的标准无人机会合集结加油程式,但可借鉴ATP-56空中加油程序标准,模仿飞行员的标准执行动作来实现加油前所需的基本加油程序,将自动空中加油任务划分为五个阶段,即会合阶段、编队阶段、对接阶段、加油阶段以及退出阶段。

空中国民警卫队使用的BOSS

小结

虚拟技术的突飞猛进提高了模拟器的保真度,使训练更依赖于仿真。机组人员无需依靠每年有限的训练架次,而是可以通过在模拟器上重复训练来完善其技术水平和维持熟练度。采用硬杆加油的方式对加油员的水平要求较高,在高速气流中操作硬杆类似于驾驶电传操作的飞行器一样,需要控制硬杆伸缩及杆上的舵面。使用软管和锥套加油对加油员的要求不高,更多是考验受油机飞行员。特别注意在加油机和受油机周围的空气流动以及这些气流之间的相互作用。气动力相互作用给加油员执行加油任务带来了艰巨的挑战,同时也是在模拟器中最难以仿真的部分。

国外加油机训练中心的建设类似于民航航司飞行训练中心的设计。加油机训练设备一般位于同一地点,但日常使用基本上是在教员指导下独立训练为主。由于加受油任务的标准相对明确,对人在环路的“陪练”的需求不大。但在年度大型演训活动时,需要将独立的模拟器联网,用于开展联合训练。


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