为自动化辩护：直升机领域的航空自动化问题？
为自动化辩护：直升机领域的航空自动化问题？
随着航空自动化这一话题日益受到公众的关注，也许是时候回顾一下直升机飞行员处理自动化技术的“对”与“错”了。从狮航（Lion Air）和埃塞俄比亚航空（Ethiopian Airlines）波音 737 Max 客机坠毁事件引发的公众关注，到直升机自动飞行控制系统（AFCS）能力的不断提高，这些问题仍然与我们的行业及其未来息息相关。
贝尔 429 飞机驾驶舱。飞机标配三轴自动驾驶仪，可选配四轴自动驾驶仪。希斯·莫法特照片
当高度自动化的直升机因按错按钮而手动飞行坠毁时，也许是时候重新审视通过自动化操控飞机的一些基本方面了。为此，我们将回顾一些直升机事故，并从中汲取自动化方面的经验教训。
在继续讨论之前，需要强调的是，没有任何事故是由单一事件引起的，而且对这些机组人员来说，我们的事后诸葛显然来得太晚了。这篇文章的目的是希望某个地方的某个人能够吸取这些教训，帮助他们安全飞行。
案例 1：HAL“北极星”轻型直升机（VT-BSH）
2011 年 10 月 19 日，印度帕万汉斯直升机有限公司 (PHL) 运营的一架“北极星”轻型直升机在白天能见度低的情况下从兰契机场起飞。在爬升过程中，出现“TGB 高温”（TGB Hot）警告，被迫返回兰契。
“北极星”具有先进的自动飞行控制系统和自动驾驶仪，并带有飞行指引“上层模式”。然而，当飞机继续目视飞行进入仪表气象条件（IMC）时，驾驶员决定手动控制。在大约六分钟的短暂飞行中，飞机出现了极度倾斜和俯仰姿态、速度偏离了不可逾越速度 (VNE)、旋翼转速忽高忽低以及扭矩过大等情况，所有这些都与飞行失控（LOC-I）特征相符，最终飞机坠毁在丘陵地形上。机上三人全部遇难，直升机在坠毁和撞击后的大火中被焚毁。
除其他可能的原因和促成因素外，事故报告指向了机组人员在 IMC 情况下手动控制直升机。
案例 2：莱昂纳多 AW139 (G-LBAL)
2014 年 3 月 13 日，一架私人 AW139 直升机在浓雾弥漫、环境照明极差的情况下从地面直升机停机坪起飞。直升机机主显然投资购买了现代化的飞机、雇佣了具备仪表等级的飞行员，以便能够随时随地“全天候”飞行，但机组人员面临着为机主驾驶飞机的压力。由于机主迟到，航班延误了 40 分钟，导致天气不断恶化。没有使用任何特殊程序、简报、操作手册或标准呼叫。机长在机场进行了垂直起飞简报，但对随后要遵循的程序，包括起飞中最重要的环节- 自动化的使用，并不十分明确。
根据航空事故调查处（AAIB）报告中的 CVR 记录，机长表示，“好的，我要做的[就是]把飞机飞到场地中央，然后增加功率。我们将垂直上升……”。
报告指出，“在整个事故飞行过程中，驾驶杆和总距杆都由机长操纵，本可保持俯仰和横滚的自动飞行模式并未启用”。
起飞时，直升机在最初的垂直爬升后继续机头向下，在下降至地面以上 100 英尺（30米）时，机头向下 35 度。在整个飞行过程中，还发现力配平释放开关一直被按下。在短距离飞行中，同样出现了 LOC-I 事件的明显迹象 - 极端的姿态、速度、下降率和过大的扭矩。直升机的抛物线飞行轨迹持续了不到一分钟，就在大约 400 米外坠毁。机上四人全部遇难。
西科斯基为 S-92 设计的 “Rig Approach”自动系统开辟了新天地，该系统旨在将飞行员在海上着陆时的工作量最多减少 60%。原计划推出的 S-92B 将是首架采用该制造商 Matrix 自动技术的量产飞机。斯基普·罗宾逊照片
事故调查人员在报告中指出，“飞行过程中没有选择飞行指引模式”。此外，还使用了“飞行手册中未规定或未确认符合在转入仪表飞行前达到 Vmini [仪表飞行最低速度] 要求的程序”。AFCS 的使用受限再次被指出是造成事故的一个因素。
案例 3：空中客车 AS365 N “海豚” (G-BLUN)
2006 年 12 月 27 日，CHC Scotia有限公司的一架 AS365 N “海豚”在恶劣天气条件下试图在北莫克姆天然气平台夜间降落时坠入爱尔兰海。根据事故报告，“副驾驶员飞行的进近剖面图显示，他在评估正确的进近下降角度时出现了问题，可能......是因为他的视觉提示有限”。
由于副驾驶员迷失方向，进近未能稳定实施。直升机坠海，造成 7 人死亡（2 名飞行员和 5 名乘客）。在飞行的最后几秒钟，俯仰、横滚和偏航出现大幅振荡，这与使用力配平释放（FTR）开关而非配平微调开关（Beeper Trim）或“苦力帽”相一致。除非通过仪表指示进行密切监控，否则在 IMC 条件下使用 FTR 可能会有风险。
案例 4：空客 AS365 N3“海豚”（VT-PWF）
2015 年 11 月 4 日，一架印度PHL公司 N3“海豚”在夜间训练飞行中坠海。飞机从海上平台的直升机停机坪起飞，计划在附近的罗恩-塔普迈耶钻井平台降落。
事故报告称，“直升机实施进近准备降落在罗恩-塔普迈耶钻井平台上，但在进近时直升机高度过高，于是向左转弯，同时下降，几秒钟后坠入海中”。
机上两名机组人员均在事故中丧生。
丧失情境意识、空间意识或系统意识？
这些事故的调查报告揭示了计划或无意中进入 IMC 时常见的空间定向障碍。虽然“北极星”的机组人员意识薄弱、对新机型不熟悉，但G-LBAL 的机组人员对AW139有着丰富的驾驶经验。“海豚” VT-PWF 的飞行教员是当时印度最有经验的飞行员之一，他在这次不幸的飞行中没有驾驶飞机。
可见，经验是双向的。错误的习惯有时会随着经验的积累而得到强化。只需将“奶酪”上的孔对齐，事故就会发生。
近年来，关于自动化及其弊端的文章已经写了很多。在我们继续哀叹自动化带来的飞行技能退化的同时，我认为，明智而恰当地使用自动化，事实上可能拯救这四起事故中失去的 16 条生命。文献中还有无数其他类似事例。对于每一起归咎于过度依赖自动化的事故，您都可能会发现一个相反的例子，即适合该飞行阶段的自动化设备即使就在手边却没有被使用。
在我看来，这比完全没有自动化更具有讽刺意味，就像携带着一个装满智能盒子的百宝箱，却对其弃若敝屣。要理解这种困境，我们需要回到基础飞行学校。
所有飞行员在某个阶段都必须手动驾驶没有配备 AFCS 的基础飞机或直升机。无论是否有伺服系统来减少所需的控制力，你的双手必须持续握住操纵杆并控制飞行航迹。在适当的时候，会加入具备速率阻尼、弹簧力感觉机构和力配平的增稳系统 (SAS)。再随后又出现了用于长期保持姿态的“姿态”模式，以及空速、垂直速度和高度保持、横向和垂直导航等上层模式。慢慢地，自动化之手从你戴着手套的双手中分担了越来越多的工作。你与飞机之间只隔着旋钮、总距和 AFCS 面板上的几个按钮。
自动化的存在是合情合理的。在正常情况下，需要高精度的单调重复任务最好交给自动驾驶仪（也称为“乔治” [George]）来完成。这样就有余力来执行诸如监控和管理系统以及留意鸟类或障碍物等任务。这也在很大程度上缓解了机组人员的疲劳。夜间或能见度低的情况下飞越无特征地形的任务最好留给“乔治”，因为它不会迷失方向。
自动驾驶仪正变得越来越平民化，越来越多的传统机型都配备了简单的自动化系统。迈克·雷诺照片
但是，即使拥有了所有的自动化功能，设计人员仍然为您提供了“越控”模式，您可以在不干扰参考姿态或速率的情况下进行短期更改。如果您正在以 140 节的速度巡航，突然看到半英里外有一群鸟，您可以在不按任何按钮的情况下向所需方向移动驾驶杆避开它们，然后驾驶杆将自动恢复到原来的位置。飞机继续依靠自动化飞行。这样的系统非常美妙，不是吗？
不过，当您按下力配平释放（FTR）按钮时，这一切都会改变。按下 FTR 按钮后，飞行员可以在系统处于 SAS/ATT 模式待命的情况下大幅改变飞机姿态 - 在能见度较低或夜间条件下，这可能会使飞行员迷失方向。一时的分心可能会造成不正常的姿态，或使您容易 “过度控制”。关闭力配平就会失去姿态模式。关闭 AFCS 或“增稳”，则一切结束。只有你和不稳定的飞机 - 回到过去的美好时光。
飞机设计和教学
自动驾驶仪的设计通常都能快速、轻松地与飞行指引模式或 AFCS 本身解耦。这是为了确保在系统出现故障或向不需要的振荡“馈入”能量时，能够手动接管飞机。智能化的设计应避免无意中操作“增稳关闭”或 “SAS 释放”开关，因为有些直升机在没有 AFCS 的情况下会迅速进入发散振荡状态。例如，在 AW139 上，“SAS 释放”开关位于驾驶杆上的圆形凹槽内，由大拇指操作。
在印度“北极星”轻型直升机上，小指下方的一个小型扳机装置可操作“增稳关闭”。在压力下，我们会自然而然地握紧驾驶杆。由于飞行数据记录的缺失，我们永远不会知道“北极星”机组人员在飞行的紧张时刻是否按下了“增稳关闭”。
贝尔 412 上的力配平开关隐藏在红色护罩下。然而，经验丰富的飞行员在将其关闭并移动驾驶杆之前并不会三思而后行。虽然意图可能是高尚的，但除非密切监控，否则在 5.4 吨重的直升机上这样做仍然具有潜在风险，而且也只能在目视气象条件下进行。还有一种旧观点认为，在贝尔 412 上飞行的前 1,000 小时应该关闭力配平。我对此持保留意见，因为有太多的事故与这种观点相悖。最好由培训界的资深人士来分析这种方法在 21 世纪的利弊。
关于 VT-BSH 的报告指出，已故飞行员在机型等级评定时已学习了如何处理“北极星”上的自动化问题。这两名飞行员都是单发飞行员，他们此前几乎没有接触过自动化设备。由于在职业生涯早期没有接触过自动化，这些单发飞行员历来对自动化望而却步。已逝的飞行员已无法为自己辩护，我们必须慎重对待事故调查委员会的言论。有一种培训叫做循证培训 (EBT)（注：循证培训是一种基于实际运行数据的训练和评估方法，它通过一系列核心能力指标来评估学员，而不仅仅是单一项目或机动飞行的表现。简单而言循证培训先进行摸底测试，了解飞行员的薄弱环节，然后有针对性地进行教学。核心理念是先评估，再培训）。如果有的话，“北极星”事故就是 EBT 的反面教材。
随着自动化水平与日俱增，失控预防和技术恢复也必须量身定制，以处理具有适当自动化水平的紧急情况。我认为这是一个很大的空白，尤其是在印度。抓住驾驶杆、按下 FTR 和接管手动控制权的倾向可能不是所有状况下的最佳选择。机型等级评定和复训必须认识到这种倾向，并在糟糕的事情到来之前加以纠正。
公司的标准操作程序和操作手册可能会规定每个飞行阶段应使用何种级别的自动化。但这些只能作为通用指南。将单调的任务委托给自动化，同时专注于处理紧急情况或非正常程序，可以避免任务饱和。
最后，需要提醒您的是：在情况需要时，您不应回避手动控制（除了旋翼机飞行手册中规定的“手动飞行”程序之外的）。
一架飞行中的执法部门空客 H125 “单星”，这架飞机配备了 Genesys HeliSAS 自动驾驶仪。迈克·雷诺照片
2017 年 3 月 14 日，为爱尔兰海岸警卫队执行任务的一架代号“救援 116”的西科斯基 S-92 直升机飞入了一个名为黑岩岛的地质露头，而该岛在飞机的增强型近地警告系统（EGPWS）中是未知的。根据爱尔兰航空事故调查组发布的初步报告，事故发生时使用的是低空自动驾驶模式，该模式减少了警告范围和前视距离。机组在夜间局部薄雾中使用了这种仅遵守目视飞行规则的自动飞行模式，当时云层高度为 300 至 400 英尺（90-120米），偶尔有小雨/细雨，并伴有大风。据报道，机组人员在以 200 英尺/75 节的速度在自动驾驶-飞行管理系统（FMS）耦合模式下飞行时，在坠机前 26 秒收到了“高度，高度”的音频警报。
如果机组人员立即采取恢复行动，降低自动化程度或手动接管控制权，结果很可能会截然不同。然而，就在后方机组人员越来越着紧迫地喊话，“马上右转，右转，右转”，飞行员却还是选择使用自动飞行的“航向”模式来改变航向。
这架配备了 EGPWS、FMS、多任务管理系统、AFCS、光电/红外摄像系统、双无线电高度表和气象雷达等新一代设备的直升机撞向地面，坠入海中，4 人丧生。
自动化就像火一样，是伟大的奴隶，但却是糟糕的主人。没有任何灵丹妙药可以适用于所有情况。永恒的口号仍然是“飞行、导航、沟通”。如果您与“乔治”一起飞行，请了解他的模式和情绪。在特定情况下，什么程度的自动化是合适的，最好由您自己从上述示例、旋翼机飞行手册以及与同事和教员的讨论中去判断。抓住驾驶杆并按下所有错误的按钮是万万不行的。
来源：The issue of automation in aviation. By KP Sanjeev Kumar. Vertical Mag，October 23 2019. 略有修改。