智胜云端：战机座舱演变史
■杨俊超 张 翯 袁国强
F-35战斗机训练模拟驾驶舱。供图：阳 明
第十五届中国航展上，我军歼-20战机和歼-35A战机联袂亮相，展示各种高难度飞行动作，让观众感到深深震撼。同时，大家也对新型战机“信息就在眼前、控制就在指边”的座舱产生浓厚兴趣，予以高度评价，称之为“梦幻”座舱。
在飞行中，战机座舱是飞行员最亲密的“伙伴”，是飞行员获取态势信息、操控飞机和执行任务的交联枢纽，是“人—战机”系统的核心组成部分，历来被视为战机研制水平高低的重要标志。那么，神秘的战机座舱到底集成了哪些“硬科技”“黑科技”呢？
从最早机械设备密布、人工操控为主，到电子玻璃化、多功能综合显控，再到多通道交互、人机混合智能耦合增强，战机座舱见证并引领了战机整体性能的巨大飞跃。本期“军工T型台”，让我们从人与战机之间关系演变的视角，一起关注战机座舱“智胜云端”的发展之路。
“空分制”座舱——
助力驾驭初代“飞行怪兽”
如何更加高效、安全地操控飞机，给飞行员一个合适的“工位”，一直是飞机设计师们考虑的重要问题。
1903年，莱特兄弟发明世界上第一架飞机“飞行者一号”，开启了人类飞行新纪元。但事实上，“飞行者一号”并没有座舱，甚至连一把椅子都没有，飞行员只能头朝前趴在下机翼上表面，采用移动摇架牵动缆线使机翼翘曲的方式来控制飞机。
此时，飞行员完全暴露在空气中，稍一松手就会从机翼上掉下来，只能通过克服巨大风阻，依靠肉眼观测外部。面对这样气动不稳定且非常难以操纵的“飞行怪兽”，飞行员拼尽全力艰难地驾驶飞机，其安全隐患不言而喻。
这种人机关系一直延续到早期的战机座舱。在抗美援朝战争中登场的米格-17和F-86喷气式战斗机，战机座舱还完全依靠机械操作装置和机电显示仪表。
操控方面，飞机中央驾驶杆以机械连杆的方式操控飞机舵面，控制飞机俯仰和滚转，脚蹬也以同样的方式操纵方向舵以防飞机偏航；显示方面，飞机基本采用机电伺服仪表，仪表板布局采用标准的盲目飞行仪表盘，即将地平仪、空速表、高度表、陀螺半罗盘、转弯仪和升降速度表这6个主要仪表装在仪表板中央，发动机参数仪表布置在两侧，飞行员的仪表观察和手动操控任务非常繁重。
战机座舱仪表和控制装置数量的增加，很容易导致飞行员“手忙脚乱”，增加飞行员的工作负荷。为了缓和座舱特别是仪表板日益拥挤的问题，设计师们对座舱显示和控制装置进行了整合，创造性设计出“T形”布局形式：以地平仪为中心，地平仪下方布置航道罗盘，左边布置空速表，右边布置高度表及升降速度表。
这种以固定空间确定功能的座舱被称之为“空分制”座舱设计。它使座舱更加简洁明了，飞行员很容易知道相关仪表和控制器在什么地方，一定程度减轻了飞行员的负担。但问题在于，这种布局一经确定，显示仪表与控制装置就始终占据固定位置，利用率不高、信息容量小的问题较为突出，难以适应越来越多的传感器带来的显示控制需求，在飞机前机身截面积有限的条件下，战机座舱会变得越来越局促。
“时分制”座舱——
综合显控读取“空中态势”
20世纪80年代，随着以F-16、苏-27战机等为代表的新一代主力机型投入使用，战机开始向多任务、多用途方向发展，不再一味追求高空高速截击能力，强调高亚声速及跨声速机动性和近距格斗能力。各种传感器、机载设备数量剧增，飞行员往往需要在“生死12秒”内完成复杂的信息获取、确认、决策和战斗操作，已趋近人的生理、心理负荷极限，“人—战机”系统变得更加复杂，飞行员需要面对的任务更加艰巨。
为了将飞行员从繁重的操作任务中解放出来，工程师们进行了大胆的座舱设计创新，战机座舱由此进入“时分制”时代，飞行员也从对飞机的简单操纵中脱离出来，转而聚焦于监控飞机状态和完成作战任务。
在座舱显示方面，战机采用“一平三下”的设计方式，即通过“一个平视显示器、三个综合显示器”来提供主要信息。平视显示器是为解决飞行员座舱内外观察矛盾而研制的多功能光电显示仪表，其基本原理是，将原来显示在仪表上的重要信息，如速度、飞机姿态、敌我信息等，利用光学反射直接投射在飞行员眼前的一块特殊玻璃上，显示在人眼焦距的无限远处。
这样，飞行员透过平视显示器向前看，就能同步完成战场环境观察和重要数据读取等任务。
兵贵神速，平视显示器可以使飞行员不用频繁低头观察仪表，第一时间获取关键作战信息和数据。与此同时，综合显示器采用“时分制”显示，即在不同的时间显示不同的信息，飞行员可以自动或手动切换工作状态，综合显示器能做到“一显多用”、按需显示，特别是能显示经过机载计算机系统加工过的作战态势信息，减轻飞行员的负担并减少误读误判情况发生。
在座舱控制方面，战机采用“手不离杆”（HOTAS）的设计方式，即飞行员在进行大过载机动或作战时，双手可以不离开驾驶杆或油门杆。其技术基础在于，该设计方式能把机载电子设备综合成一个以计算机为核心的综合航电系统，利用数字总线传输互通互操作信息。于是，座舱内传统的机械控制逐渐被电传控制取代，驾驶杆、脚蹬甚至油门杆上，都可以装设雷达、武器和显示器的控制开关。这样做的好处是，飞行员可以在驾驶飞机的同时，控制武器、传感器、显示器的工作状态和重要参数，极大提升战机操控效率，飞行员的作战能力也得到了进一步释放。
“智能化”座舱——
人机协同激活“飞翔大脑”
随着智能化时代的到来，新的空中作战样式不断涌现，如分布式杀伤、有人/无人机协同作战等。未来的作战样式下，飞行员需要整合大量作战资源要素，对信息进行融合处理、高效转化和即时分发，实现多控制节点的协同调度和管控。
此时，飞行员的角色将发生巨大变化，跳出传统的战机操控环路，由具体执行者变为指挥决策者。战机座舱将为实现这一转变而升级为“智慧座舱”，主要将呈现出以下几个特点：
——支持座舱内多通道人机交互。人工智能技术的发展，使手势、语音、眼动、脑控等单一通道感知认知技术性能快速提升，计算机可以较为准确地理解、推理飞行员的行为和意图。同时，高速发展的便携式硬件技术催生了高性能可穿戴式传感器，足以支撑轻量化的飞行员人体参数采集、处理与输出。飞行员在座舱中只需通过一句话、一个动作、一个眼神，甚至大脑的一个意念，即可迅速转换成战机的操控指令。
——提供三维战场环境图景。战机座舱可完成多模态数据处理、信息同步、模型标定、数据转换、识别与合成等，辅助飞行员全面获取战场环境信息，增强真实战场的显示效果，实现多种战场信息的可视化。飞行员眼前的景象，是通过信息与物理实体耦合的方式，实现物理化操作与物理形态的信息呈现，飞行员将“沉浸式”身临战场，在人工智能的辅助下翱翔蓝天。
——实现人机混合智能训练。以基因科技、智能科技、心理学、脑神经提升技术与微生物科技等多学科为基础，新型的智能增强技术将广泛运用于战机座舱。一方面，战机智能系统能更有效地吸纳飞行员在决策、思维和经验等方面优势，加快自身训练进化，增强系统能力。另一方面，飞行员通过可穿戴式设备、脑机接口装置，获得感知能力、生理机能和大脑智能上的巨大提升。尤为重要的是，这种“伙伴式”的人机协作关系，可以不断把飞行员对模糊、不确定问题的分析与响应，甚至是对战场态势感知的超理性直觉与机器智能系统紧密耦合，形成双向的信息交流与控制，使飞行员的高级智慧优势和智能系统强大的运算和存储能力相结合，使战机座舱成为“1+1>2”的智能增强形态，以“飞翔大脑”指挥控制战机制胜未来空天战场。
