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结合影视作品看美军空对空训练的过去现在和将来

来源: 空天防务观察
作者:何晓骁

大国竞争背景下,制空权的博弈升级为战争焦点。持久的空对空作战是大国空军之间较量的典型样式,在反恐战争或以强欺弱的局部战争中基本不存在。所谓“强打弱,炸地面;强打强,争天空。”西方影视作品中更加强调了“人因”大于“装备”作用。在有限的任务准备周期内通过突出训练,使飞行员和飞机实现“人剑合一”。长期以来,空战训练是美军重点关注和投资的领域,科学的训练方法有助于时刻为未来的冲突做好准备,避免形成“空心部队”。


一、《壮志凌云2》中的训练片段


    

   


抛开《壮志凌云2》的剧情和立场,从技术情报视角切入,影片中有一些与空战训练相关的镜头值得分析。《壮志凌云2》的拍摄大量采用实装,例如F/A-18驾驶舱的戏份几乎都是用实装飞行拍摄的。实装拍摄带来逼真的过载效应,影片中有很多如急速跃升、弹射起飞的高过载场景,演员面部肌肉在瞬间反映了无法表演出来的真实生理反应,其表情很真实细腻。

1.影片中任务准备的三个阶段

由于影片中大量使用了实装拍摄,所以其挂载方案也很符合实际情况,在训练中出现了三种不同训练挂载方案以及最后实战中的挂载方案。

阶段一:基本战斗机动(BFM)

基本战斗机动(BFM)是战斗机在空战机动(ACM,也称斗狗)过程中执行的战术动作,以获得对敌机的位置优势。BFM结合了基本飞行需要的空气动力学原理和用于追击的几何原理,以及管理飞机能量质量比的物理原理。在BFM中使用了“光板”构型的F/A-18,只在机腹中央挂点挂载了副油箱。在翼尖挂点并没有挂载AN/ASQ-T50 TCTS训练吊舱(ACMI吊舱)和用于空战训练的AIM-9系列训练弹。这说明BFM中不需要挂载训练吊舱实时传输时空位置信息(TSPI)、杀伤通告等信息,也不使用格斗弹进行模拟攻击。在地面监控的方式主要是在电台边上实时监听无线电话音或复盘讲评。

在BFM中,F/A-18采用“光板”构型,机翼下仅有挂架。没有态势实时显示,地面人员在电台边上实时监听无线电话音,了解空战过程(影视图片)

阶段二:模拟峡谷飞行阶段

在靶场周边选了与实战任务近似的峡谷地形作为训练场。在导航系统里模拟加载了优化过的航路点。在这一阶段的挂载方案与BFM一致,没有挂载训练吊舱。由于此阶段没有武器使用,不存在对抗性,主要也是依靠事后讲评,对航路点的通过情况进行复盘分析。

在机载导航系统里模拟加载了优化过后的航路(影视图片)

事后讲评对航路点的通过情况进行复盘分析(影视图片)

阶段三:模拟全流程任务训练

模拟全流程任务训练是这个影片训练中的高潮部分。此阶段有武器投放环节,有实时评估需求,左右翼尖挂点分别挂载用于空战训练的AIM-9系列训练弹和TCTS训练吊舱,在翼下挂点使用复合挂架挂载某型号的空面训练弹,在腹部挂点挂载了副油箱和瞄准吊舱。在这种挂载方案下,整个训练过程可在地面实时监控。按照天基侦察信息,打击目标位于一个山坳里,四面环山。在靶场没有相似地形,也不可能启动基建工程复制类似地形及其靶标。为了在实战训练模式下解决这个问题,在选取相对平坦的隔壁地形基础上,通过添加虚拟航路点的办法,在导航系统里“模拟”出了一座无形的山峰。在评估系统中,可以看见模拟出来的大山,但在实际现场镜头中飞行员仅是在导航系统中航路点引导下和地面导调的配合下在戈壁滩上进行了跃升机动。

在全流程阶段左右翼尖挂点分别挂载用于空战训练的AIM-9系列训练弹和TCTS训练吊舱,在翼下挂点使用复合挂架挂载空面训练弹(影视图片)

在评估系统中构建了虚拟地形,飞行航迹实时回传到地面监控。在评估系统中飞机是在上峰前跃升,但现实中是在戈壁的模拟航路点上跃升(影视图片)

在训练过程中真实投放了训练弹(影视图片)

通过实时评估系统观看各枚弹药的弹着点(影视图片)

2.展现了实装飞行训练的主要过程

为了提升观影效果,影片中都是采用实装训练,这种方式优缺点并存。实装飞行训练的优点:有过载效应和沉浸感,飞行操作的保真度高。影片中把飞行员的抗过载能力当成了核心评价指标,为了实现这个指标只能采用实装飞行训练的方式;实装飞行训练的缺点:影片中一名飞行员在大过载过程中昏迷,这对于单座战斗机非常危险。另外有一架双座战斗机遭遇了鸟撞,飞机失控,两名飞行员跳伞受伤。另外还有无法准确构建实战地形环境和存在最低甲板高度等训练场地安全约束问题。

在扮演假想敌时,采用了实装对实装的模式,仅在翼尖挂载了用于空战训练的AIM-9系列训练弹和TCTS训练吊舱(影视图片)

3.表达了精英飞行员是制胜关键

影片中的一句台词,“It’s not the plane, it’s the pilot”。我的解读是:面对装备代差时,飞行员的经验和勇气是取得胜利的关键。空战的决定性因素在于人,这是西方文化中对个人英雄主义的推崇,也是影片宣扬的理念。从1969年美海军为其排名前1%的飞行员建立了一所精英学校,也就是战斗机武器学校(TOPGUN)开始,这种通过高端训练提高飞行员技能以实现“人剑合一”的方式以深入人心。


二、空战训练发展历史


    

   


经验表明,训练飞行员最有效的方法是实装飞行训练和模拟仿真训练相结合。财政限制意味着仅实装训练不能提供达到战备水平所需的架次和科目要求。模拟仿真训练不能复制实际飞行的条件,但可以降低飞行成本,并利用模拟器提供省时、可重复的训练能力。

自1934年Link训练器投入使用以来,美空军一直采用这种组合方法训练飞行员。Link训练器证明了其通过在地面复制座舱,可以对新手的飞行能力产生积极影响。在一战、二战和越南战争的时期,航空装备相对简单、承担任务相对单一,装备规模结构大、成本低,可供实装飞行训练的资源充足,模拟器主要为新学员提供单飞前的地面培训。

历史过程中的模拟训练(网络图片)

20世纪70年代,为加强飞行训练并向飞行员提供准确的训练反馈,美空军和美海军开始投资仪表化靶场技改建设,也就是ACMI系统。美海军于1969年成立了战斗机武器学校(TOPGUN),制定了空空导弹使用的经验规则,帮助飞行员根据战斗态势掌握导弹包线。美海军同时扩大可供战斗机使用的仪表化空战机动(ACM)靶场。这些靶场设施有能力跟踪和记录参训飞机的位置和运动。训练任务完成后,飞行员可以观看其飞行和对抗复盘。随后,在越南战场美海军战斗机的杀伤率有所好转(平均杀伤率为3.7:1到13:1),验证了这些训练改进。

与TOPGUN一样,美空军的武器学校同样只向精英开放,并不是所有战斗机飞行员都能在内利斯获得训练机会。毕业后他们被派往作战中队,传授专家经验,创造了一个更大影响力的生态圈。在越南战争结束后,美空军在1977年在内利斯空军基地以北的靶场部署了ACMI系统,并创建假想敌中队模式,共同提供具有威胁性的飞行训练。美空军还建立了红旗训练演习,并创建了联网模拟器,解决综合任务能力的不足。20世纪80年代后期,建立任务训练中心(MTC),配备了允许飞行员开展团队战术训练的任务模拟器,这在AFRL研究中被称为任务预演。

在历史上,空对空训练都在成本、时间和训练效果之间寻求平衡。飞行训练和模拟器训练都有优点和缺点,但两者结合使用产生了一种有效的训练模式。从Link训练器到现代训练方法,美空军使用了飞行训练、模拟、专家团队和训练系统等代表性组合,使实装飞行训练更加有效。


三、空对空训练的发展现状


    

   


美军主要以冷战期间形成空中装备体系为核心,近50年来持续在训练技术优化和基础设施建设方面投入,充分挖掘了装备全寿命价值,没有大量的发展新型装备却影响了制空权的归属。如今,大国空军向着质量高、数量少的规模结构发展,空中战斗损失对持续作战的能力有重大影响。减少失误,避免损失,快速调整成为了空战训练的目标。

美空军的主力空对空机型为F-22和F-35系列,对这2种五代机的共同期望包括在进攻性和防御性制空中执行空对空任务。空战司令部(ACC)通过每年发布一份空勤人员准备计划(RAP)任务备忘录(RTM),为战斗机中队训练提供需求输入。备忘录中的一个附件,确定了指挥官的最新期望和优先事项。中队以此为依据制定训练计划,为飞行员应对预计的威胁做好准备。中队训练计划是在中队内部提供指导的教学大纲。

2015年F-22 RAP任务备忘录(RTM)确定了三个主要任务:进攻性制空(OCA)、防御性制空(DCA)和进攻性制空-攻击行动(OCA-AO)。RTM将“精通”定义为“对任务有透彻的了解,但偶尔会犯错误或疏忽。机组人员能够在复杂多变的环境中操作,能够处理大多数突发事件和异常情况。F-22的训练采用积木式方法逐步发展空对空技能。这种方法从视距内(WVR)扩展到超视距(BVR)。

1.F-22 WVR训练

训练计划从近距离WVR交战中的目视格斗开始。一般来说,WVR时友方战斗机与敌方飞机之间不到5海里(约9公里)。F-22训练大纲称这一阶段为基本战斗机动训练(BFM)。在这一阶段,受训的F-22飞行员将与另一架F-22进行格斗。为了模拟对手,陪练的F-22被限制最大攻角(AOA)。这种方法确实为飞行员提供了学习目视机动的能力,通过识别随时间变化的态势、做出决策和执行连续的机动。

模拟器中的视觉局限性阻碍了对重要目视机动参考(如距离和接近率)的准确评估。在模拟器中,飞行员很难仅使用目视来判断与敌机的距离。这些参考对于训练飞行员的BFM概念至关重要,因为飞行员对这些的准确感知会推动后续的攻防决策和机动。

除了目视参考外,过载感觉可以让飞行员无需借助仪表感知飞机运动的变化趋势。而模拟器训练缺乏过载提示,要求飞行员要比实装训练中更频繁的关注观察仪表。因此模拟器对BFM科目的训练效果不好。

空战机动(ACM)训练是从超视距开始,两架F-22对抗四架敌机。ACM交战开始BVR,但也训练飞行员从BVR过渡到WVR的过程。

F-22飞行员经常在训练中与其他F-22或F-22和T-38、其他四代机组成的混合对手训练。美空军基地有专门的T-38陪练来支持F-22训练。在ACM训练中每种类型的支持都有局限性,扮演敌机的F-22无法携带AN/ALQ-188等训练电子攻击吊舱,T-38也没有配备雷达系统。

F-22和T-38共同训练(网络图片)

除了实装飞行训练,F-22飞行员还在模拟器中练习ACM。仿真技术可以准确地复现驾驶舱内的环境,对超视距训练尤其有效。通过在模拟器中执行ACM的BVR训练内容,飞行员可短时、低成本、高频率的练习不同的训练场景,在实战中能够更快做出决定。由于ACM任务需要过渡到目视战斗,因此当目视机动开始时,模拟器会失去有效性。

2.F-22 BVR训练

当目视科目完成后,对F-22飞行员的训练重点将转向蓝红部队相隔60海里(约110公里)以上的对抗场景上。尽管对抗场景范围更大,但双方的交战基本以目视机动结束。这些任务可能需要4-14个对手,与WVR训练一样,这些对手可能是F-22、T-38或四代机。实装飞行训练和模拟训练都满足了这些超视距训练要求。

F-22和T-38联合开展ACM和BVR训练(网络图片)

除了实装飞行训练,F-22飞行员在模拟器中训练超视距飞行任务。模拟提供了重复和高保真威胁,可以让飞行员训练某些在实战中不安全的战术和程序。

F-22飞行员使用的模拟器有三种。第一种是WTT,其是一款简易模拟器,逼真度和对抗性很低,只有一个前视屏幕。WTT部署于战斗机中队,提供飞机系统、应急程序和基本战术任务的练习。

第二种是全任务训练器(FMT)。FMT位于值班部队中,配备了360°球幕显示,每个部队通常配备四台。由四个或更多模拟器可组合成任务训练中心(MTC)。F-22 FMT还通过DMO系统连接到其他平台模拟器,与其他平台开展综合战术训练。

第三种是空中作战模拟器(ACS)。ACS设施只有一处,其中有四台F-22模拟器,同样配备了360°球幕显示。ACS和FMT模拟器之间的主要区别在于软件的逻辑和对抗人在环控制对手的能力。ACS软件的逻辑使用实际系统的复杂模型,并提供非常高保真的模拟。在ACS中,算法考虑了操作员输入、敌方雷达模式、电磁频谱噪声、距离、接近率、角度、角速度、环境杂波以及更多因素。ACS的精确威胁建模和复杂算法为空对空训练提供了一个真实的虚拟环境。除了其精确的建模和复杂性外,ACS还提供了虚拟对手驾驶舱,使F-22飞行员能够对抗人在环对手。ACS拥有12个适应性强、思维敏捷的敌人,这是FMT目前所缺乏的。尽管ACS可以提供出色的培训,但它是一种稀缺资源。

ACS设施组成关系(洛马公司图片)

2015年F-35 RTM定义了四个主要任务和一个次要任务:进攻性制空——压制防空(OCA-SEAD)、空中遮断(AI)、进攻性制空-攻击行动(OCA-AO)、防御性制空/空域控制预警(DCA/ACA)和进攻性制空(OCA)。RTM还强调,F-35中队应精通自我护航,应对第四代战斗机威胁。对F-35空对空能力的期望在空对空体制中较低,因为F-22将是作战中的主要空对空平台。F-35和F-22都采用了类似的训练方法,使飞行员能够熟练应对第四代战斗机威胁的攻防空对空作战。每个平台使用飞行训练和模拟的组合。由于F-35携带的弹药较少,并且不是主要的空对空平台,因此与F-22相比,其飞行员每次训练任务所需的对手更少。每个F-35部队都将有任务训练中心,其能力和局限性与F-22全任务教练机相似。

总得来着,这两型五代机的空对空训练基本处于“吃不好,吃不饱”的状态。在T-38和第四代战斗机的支持下,美空军每年30余名新的F-22飞行员(2015年数据)。如未能在训练中提供具有代表性的对手其代价是飞行员可能会直到战斗中去吸取教训。只需在战斗中损失几架F-22就能显著影响空中优势作战的能力。


四、美军未来空对空训练发展


    

   


从模拟器联网、红旗与虚拟器联合演习,到分布式任务操作(DMO)的历史例子表明,模拟器训练是最有效、最具成本效益的作战飞行员训练手段。虽然每种方法都有局限性和好处,但每种方法对空勤人员的充分训练都是必要的。因此,飞行员训练需要按需结合使用多种训练手段,以满足空军的作战需求。

中队是美空军基本战术单位,也是训练的重点对象,中队的训练效果对整个空军有着更广泛的影响。因此,美空军重点对中队需求进行投资,以弥补当前飞行和模拟器训练的不足。以下三个方面与中队训练息息相关:

1.新型高级教练机

“让专业的人干专业的事”。2018年9月27日,波音T-7A正式成为美国空军的新型高级教练机,以取代全部T-38教练机。总共包括351架飞机、46台模拟器、维修培训和支持,项目总结高达92亿美元。美空军训练改革计划“重铸”如果持续进行,可能也会传统的集中使用高级教练机的方式,将其分配到一线部队担负更大作用。需要在每个战斗机联队的训练要求和特殊情况进一步研究,以确定不同基地所需的T-7A装备数量。

未来,T-7A将在美国空军发挥以下三大作用:一是承担传统教学工作,发挥传统高级教练机作用,培养飞行员的安全飞行技能。二是承担高端陪练工作,凭借其高过载和大迎角机动和夜间训练能力,成为“假想敌角色”。三是承担轻型攻击/战斗机工作,在低烈度作战中配备雷达或者外部吊舱改装成为攻击型。

T-7A已经开始正式交付(美空军图片)

2.实况-虚拟-构造仿真(LVC)

LVC是一种将实况、虚拟和构造仿真元素整合到单个活动中的训练方法。LVC训练方法提供了更大的威胁数量和动态性,让飞行员在驾驶舱显示器上准确地显示敌方威胁,丰富飞行训练场景。对飞行员来说,虚拟和构造仿真实体出现在机载传感器上,就像它们在空域中与实况参与者一起飞行一样。另一个好处是,LVC可以准确地表示任何已知威胁,并且只需要软件更新即可跟上全球内不断发展的威胁环境。

虽然LVC似乎是填补飞行员训练不足的廉价方法,但它不是一个独立的解决方案。LVC在从BVR过渡到WVR的能力不足。这方面的不足需要实装陪练飞机或者未来通过佩戴机载AR显示器实现。另一个限制是LVC不使用机载传感器来发现威胁,它提供的训练仅与用于开发仿真软件的威胁模型一个水准,其算法的复杂性决定了其能力。

2019年,LVC系统已完成“先进技术演示阶段”,美海军已先期启动了TCTS Ⅱ训练系统研制,美空军紧随其后以海军为基础发展了P6CTS系统。这种连接可能需要修改现有的飞机软件,以便在驾驶舱显示器上处理和显示LVC输入。目前运营LVC的成本未知,但与飞行费用相比,它应该具有像模拟器一样节省成本的特点。

LVC系统已完成“先进技术演示阶段”(立方体 公司图片)

3.建模仿真水平

建模仿真的水平对发挥模拟器作用和LVC训练效果影响很大。各行各业对建模仿真基本上都是恨铁不成钢的态度。加大对建模仿真研究的投入,可以弥补训练方法中的关键差距,并通过具有成本效益的模拟器开展更多科目的训练。增加模拟器中威胁模型的复杂性不仅仅是技术问题,还有成本问题。例如,与ACS相比,MTC的计算能力是主要决定因素之一,改变这个问题并不容易,也不便宜。另一种解决模拟器问题的方案是增加人在环对手台位。在模拟过程中提供人在环虚拟对手在ACS设施里被证明是成功的。人在环对手能够更好地适应和惩罚训练飞行员犯下的错误,并有助于消除人机对抗训练中的负面战术教训。


五、小结


    

   


西方学者认为,在和平时期确定未来的作战需求是一门不完善的科学,但这一尝试使军队更接近下一次冲突开始时可能需要的位置。历史上,越南战争中美军及时调整增加了训练课程,让高空高速战斗机更早适应了在低空作战和使用空空武器。冲突中的胜利者往往是最能迅速调整其理论方法以应对战争中的新挑战的人。换句话说空军不必担心如何通过训练完全做好准备,只要它能在战争爆发时或过程中能迅速适应。

未来空战训练的重点方向是让一线官兵快速适应高端战争的威胁。实装飞行训练和模拟仿真是数十年积累下来的两种传统训练方式。美军在此基础上的探索了理技融合,其“重铸”计划也综合考虑高级教练机、LVC技术、建模仿真技术,调整多年来基本没有改变的空对空训练体系。也就是说训练体系的软实力将与国防工业的硬实力相结合,共同影响战争走势。


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