互动科普

中心网络可以帮助飞行员安全地着陆损坏的飞机。

1989年7月19日，当美国联合航空公司客机232航班在爱荷华州上空飞行时，DC-10飞机上的尾引擎风扇碟片断裂，碎片将飞机的三条管路全部切断。由于飞行员不能操作飞机的所有操纵面，包括机翼上的副翼以及尾翼上的升降舵和方向舵，一次可怕的坠机似乎无法避免。但是机务人员通过仔细调节剩余两台引擎的功率，终于设法驾驶飞机到达苏城。尽管飞机撞到跑道上时翻转过来并且起火，296名乘客和机组人员中仍然有184人生还。

232航班的飞行员证明，仅通过利用引擎来控制一架现代客机是完全可能的。该发现激发了一些有创新精神的工程师的想象力，他们希望通过对飞机电脑编程来实现同样的功能，这样飞行员可以更容易地将一架严重受损的飞机安全着陆。过去15年来，这项研究一直在逐步推进，而能够应用到商用和军用飞机的技术也会在不远的将来出现。为判断这些电脑控制飞行系统的性能，我决定试试它们是否能够帮助像我自己这样中级水平的飞行员驾驶一架受损的飞机。

先介绍一点背景知识。在早期飞机中，控制杆和方向舵踏板通过金属丝（杆）或线缆与操纵面直接相连。随着飞机的体积越来越大，飞行员发现操纵控制杆越来越困难，因此工程师增加了助力方向盘，将线缆与液压伺服系统相连接以增加飞行员的力量。随着数字时代的到来，飞机制造商开发出能够将飞行员的操作输入到电脑中的控制系统，这种所谓的电控飞行操作系统能够大幅提高飞机的性能。例如，一架战斗机在空载时飞行状况很好，但是如果机翼中装满炮弹，便不能自如地飞行。在飞机上配置一台电脑，可以改变控制规则，让飞机更连贯地动作。电控飞行操作还有助于建立安全措施，如果飞行员试图做出可能导致飞机断裂或者冲向地面的操作时，电脑会不执行该命令，只让飞机在最大安全动作区域内飞行。

232航班客机事故之后不久，位于加州爱德华兹的美国航空航天局德莱顿飞行研究中心的首席推进器工程师的Frank W. (Bill) Burcham开始着手开发能够让喷气式飞机的引擎对飞机操作面进行补救的软件。该项目后来被称为推进器控制飞机（简称PCA），最终获得小额预算并且对MD-11喷气机进行了飞行测试。1995年8月29日，PCA小组仅仅通过使用电脑控制的引擎来操纵该飞机，就让它平稳地着陆于爱德华空军基地上。美国航空航天局的工程师认为，他们已证实仅仅通过修改飞机软件就可以大幅提高客机的安全性。遗憾的是，没有一家飞机制造商愿意采纳该技术。

几年之后，位于加州芒廷维尤的美国航空航天局埃姆斯研究中心智能飞行控制研究小组（简称IFC）的研究人员继续推进PCA工作，他们开发出一个能够让受损飞机的电脑控制引擎与任何仍保持正常功能的操纵面一起工作的系统。该系统基于神经网络软件，这种软件可模仿人类大脑从经验中学习的行为，网络的连接用进废退。IFC系统的神经网络将飞机应当保持的飞行方式与实际飞行方式进行比较，由于参考模型不准确、飞机的正常磨损，或者飞机物理结构受损都可能导致二者产生差异。神经网络对这些差异进行监视，并试图使之最小化。

例如，如果你希望让一架没有受损的飞机上升，只需向后拉控制杆就可以提升升降舵。但是如果升降舵不能工作，IFC系统将会提升两扇副翼以抬高飞机的机头。（通常采取不对称地移动副翼，一扇上升，另一扇下降。）如果该操作未能更正错误，或者如果达到进而会导致飞机翻滚的极限，IFC系统将使用引擎的推力来实现想要的爬升。

埃姆斯的研究人员邀请专业飞行员和美国航空航天局的测试飞行员在实验室的模拟器中飞行以测试他们的系统。首先，飞行员在正常条件下操作模拟飞机；然后，研究人员模仿各种故障并且观察飞行员如何使用各种不同的控制系统做出反应。几乎在所有的情况下，IFC系统都要比常规的电控飞行操作系统工作得更好。当工程师模拟全部尾翼控制都出现故障时，只有一半飞行员能够使用电控飞行操作系统安全着陆，而所有人都能通过使用IFC让飞机降到跑道上。

那么，驾驶一架配备了神经网络的飞机会是什么感觉呢?在IFC研究小组组长Karen Gundy—Burlet的邀请下，最近我在他的实验室中待了几个小时，直接了解该系统。我是一名私人飞行员，没有驾驶大型飞机的经验。IFC模拟器模拟了一架非常大的飞机——美国空军的四引擎C一17运输机。该模拟器包括一个包围着的屏幕以显示仿真图像，以及一间玻璃座舱实体模型，用来替代采用平板彩色显示器的传统飞行观测方式。

Gundy—Burlet将我送至进入旧金山机场约19千米降落路线的最后一个导航点，然后让我自己设法着陆一架未受损的飞机。美国海军战斗退役飞行员Don Bryant与IFC小组一起工作，他彬彬有礼，没有公开取笑我试图操纵飞机时的笨手笨脚。我最大的问题是不熟悉那间玻璃座舱，这种座舱直到最近才出现在私人飞机上。与驾驶真正的飞机相比，我需要花更多的时间在模拟显示器上寻找熟悉的飞行数值，例如风速和高度。不管怎么说，我找到了驾驶正常未受损飞机飞行的基本感觉。

然后Gundy—Burlet将模拟器重新设置到初始位置，然后说:“机长，很抱歉，你已经失去了尾翼上的所有操纵面”。升降舵和方向舵都不起作用，这对真的正在飞行的业余飞行员而言可能相当于宣判了死刑。但是我惊喜地发现，模拟飞机非常容易控制。我尝试了几次平缓转弯以获得驾驶飞机的感觉，并试着保持机头向右偏。这架受损的喷气机行动迟缓，可是一旦我放慢操纵，其动作会显得更加自然。这种变化无疑是由神经网络控制的，它正在训练对损坏部分进行补救。当网络经过调整适应了新的条件，飞机飞行变得越来越容易。只需几分钟，我就驾驶这架模拟飞机安全地着陆，尽管它偏离了跑道。

整个体验相对平淡，感受一般，直到后来我才认识到这项先进技术的重要意义。一名从未驾驶过大型飞机的私人飞行员能够驾驶一架严重受损的四引擎喷气机着陆，没有让任何人受伤（至少在模拟中）。

这种技术要过多久才能得到真正的实际应用呢？美国航空航天局的研究人员计划未来两年在F-15战斗机和C-17运输机上对IFC系统进行飞行测试。军用飞机制造商最有可能成为首先采用者。对那些驾驶飞机经常受到敌方火力攻击的飞行员而言，受损补救飞行控制特别有用。

柯江华/译

赵庚新/校