Green 版 (精华区)

发信人: jiayingh (无忌), 信区: Green
标  题: 座舱界面与现代空战(1)
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年07月12日15:19:56 星期五), 站内信件

其实研究战斗机的军事迷跟球迷是很像的，每当航展或新闻画面中出现新的战斗机飞行
表演，旁边应该象球赛转播一样，显示该名球员（该架战斗机）的进攻与防守（基本性
能）、成绩（实战经历）、个人经历（发展历程、服役状态）、而最出风头的战斗机往
往是那些还能表演特殊技巧：如香蕉球、盘带过人……（眼镜蛇、尾冲、XX空翻……）
之类的，甚至球迷们也会对球员的外表美丑品头论足（长得好看的战斗机也一定是好战
斗机）。
　　然而战斗机飞行员由哪里决定他对战斗机的第一印象呢？当你穿上飞行服，戴上飞
行盔，以每小时900公里的速度奔驰在3 000米的高空时，你看不到电视介绍的字幕，你
看不到你的战斗机是美是丑， 你更不会注意这架飞机过去的历史，此时此地，你所看到
的只有：座舱界面。
人机合一还是机人合一
　　计算机发明了几十年，在漫长的生涯里却局限在少数科研实验室或是大公司里，只
能间接地影响社会。然而这几年从苹果电脑开始，继之有微软的发扬光大，“Windows”
不但使人类更容易学习计算机。相对地，也使人类更愿意运用计算机，导致计算机对社
会造成根本性的影响。
　　当人与计算机沟通需要背诵咒语般的指令，连枝微末节的程序都要清楚交代，甚至
用打孔带输出结果的时候计算机注定是个主宰，当时只有经过训练，学会计算机语言的
技术人员才能操作它。然而人性化的界面发展，使计算机软硬件必须贴近使用者的心思
，体贴地建议或预设使用者的操作步骤，模仿美丽世界的图案制作的“图标”以便能让
使用者看着方便。因此，早期的计算机顶多是“机人合一”，现代的计算机才能“人机
合一”。
　　所以你对手上计算机软硬件的第一印象是什么？不是 CPU 有多快，而是键盘与鼠标
好不好用，不是这个软件的程序只写了几行，而是这个软件的视窗界面好不好用。你对
计算机的第一印象只是：计算机的界面好不好。
　　扯回战斗机设计，无论作战形态如何变化，战斗机的模样如何改变，飞行员进入空
战最想知道的第一件事不是我的最大推力有多少或我的导弹可以飞多远，而是敌机在“
我的”哪一边、友机在“我的”哪一边？“我”怎样才可以咬住敌机？“我”怎样可以
逃离现场？“我”怎样可以最快速度开火？“我”有没有被瞄准？注意的是，飞机使用
手册的资料：极限速度，极限性能，极限火力，都不是飞行员关心的，飞行员关心的是
“我”、“现在”与“应该做什么”？
　　这种了解自我、掌握全局的能力在飞行员圈子中，称之为“SA”（Situation Awar
eness，中文有一个抽象的意译：状态意识），而战斗机无论发动机如何有力，雷达如何
精密，其要提供飞行员状态意识信息，都只能经过战斗机与飞行员之间的界面，也就是
坐舱设计。
　　假想你正驾驶着 MiG-29 战斗机从尾巴偷袭美帝入侵的 F-15。平显显示 IRST 找到
的目标光点，请注意平显的目标光点不表示目标真的在那里，因为平显是将 IRST 搜索
范围缩小到平显的范围，你要在脑中将光点的刻度换算出实际的相对位置，你才知道敌
机真实的方位。
　　训练告诉你这表示敌机在 10 点钟上方，于是抬头可以看到敌机即将从那里出现，
敌机正好出现在你头盔瞄准器中间，可是你还不能射击，你要低头切换仪表板上的几个
按钮，导弹才能开火，不幸地敌机得到预警机的通知，一个急转，等你准备好，要再抬
头锁定时，F-15 已经脱离导弹的攻击范围。
　　你不会屈服，MiG-29 作了一个漂亮的高 G 转弯，F-15 又出现在你面前，然而，敌
机距离太远，所以你得改用雷达导引导弹。你再低头切换好几个钮，才转到雷达火控，
此时俄国的伟大工程师让你不用操心，雷达锁定、敌友识别、完成射击解算后，会自动
把致命的 R-27 导弹射出去。
　　然而，俄国工程师却忘了一件事，战斗机的计算机不会告诉你：你可不可以转弯，
你何时可以转弯离开。工程师却留下一个机械钟给你，有本事就自己去算时间，然后设
定“闹钟”。所以你必须直直冲向目标，以确保雷达能成功解算“线性碰撞”问题，并
且发射后也不能轻易转向，否则可能会转到雷达无法照射的位置。
　　而跋扈轻敌的美帝飞行员也转向面对你，他的火控计算机不会自动射击，可是会在
平显显示幕上用追踪框框住你，并显示导弹寻标器的锁定状态，现在射击的命中机率，
让他自己抉择，美帝飞行员算准开火，平显上以界限标注有雷达的锁定角度限制，所以
他只要小心不让战斗机超过界限可以自由转弯，以闪避你的导弹。平显上也会自动倒数
记、计时，时间一到，导弹不是击落你了，就是被你闪掉了。然而因为你是不敢闪的，
所以你只能勇往直前，缩短美帝导弹所需的飞行时间，而美帝战斗机转弯离开，消耗你
的导弹燃料，直到导弹再也转不动为止。
　　从海湾战争到科索沃的空战都可以看到这件事实：美军的射程没有比 MiG-29 更远
，甚至美军常常被 MiG-29 先一步锁定，但美军总能先开火，先闪躲，而敌机往往是勇
往直前直到成为“火球”为止。
　　座舱界面的“输出”资料决定飞行员的状态意识能力，而飞行员必须经由座舱界面
“输入”资料，战斗机才会攻击对手。因此座舱界面的设计优劣，决定了飞行员能不能
“人机合一”（让战斗机去顺服飞行员的心意），还是“机人合一”（让飞行员去适应
战斗机）。
第一代座舱：机人合一
　　正如计算机界面一样，一开始的界面根本没考虑到使用者，而只是设计机器的工程
师顺手运用简单的科技就强迫使用者去适应。所幸一开始的战斗机除了飞机本身的资料
（发动机、燃油、液压……）外也不能提供什么信息给飞行员，飞行员在空战中还是完
全依赖肉眼的状态意识，所以座舱设计只要不挡到飞行员的视野，让飞行员可以完成复
杂的发动机程序（Me 262），就算公德圆满。
科索沃战争中被击落的 MiG-29
第二代坐舱：座舱自动化
　　60 年代，原始数字计算机的逻辑判断能力使得战斗机工程师开始发挥他们的想象力
。既然雷达可以看得更远，何必需要肉眼？既然计算机可以判断，何必需要人脑？
　　从二次大战开始，就有装备雷达的夜间战斗机出现。但当时的雷达又笨重又难用，
除了夜间猎杀轰炸机之外，在战斗机空战中发挥不了什么作用。然而 60 年代的战斗机
发动机推力足可让战斗机装备雷达仍维持机动性，加上空对空导弹可以配合雷达的长距
离，则我们还需要什么枪炮瞄准？
　　故座舱界面的重要性开始突现出来，因为飞行员的搜索、接战，瞄准不再依赖肉眼
，雷达幕提供的“电子状态意识”让飞行员可以看得更远。甚至飞行员也不需要用肉眼
维持状态意识，地面的超大雷达可以监视空间中的每一架战斗机，替飞行员维持状态意
识。
　　这导致座舱设计往两种极端发展，第一种是注意到机载雷达成为战斗机作战的关键
，然而雷达侦测的范围加大，所产生的资料量也就加大，单凭一人驾驶不可能同时驾驶
战斗机并操纵雷达的操作界面，所以战斗机需增加一名专人来操纵雷达，而对飞行员的
作用有所低估。另一种极端同样也注意到飞行员工作量过大，然而却不愿意负担额外飞
行员的“待遇”成本。对额外的雷达操作员一样享受飞行员待遇，但工作却只有操作雷
达的状况有所不满。因此，对雷达操纵人员重视不够。
　　故有人相信当时的科学应该可以取代人力解决这个问题。编入飞行程序的数字计算
机可以自行稳定飞机，甚至做一些简单的动作，因此只要有人可以告诉计算机该往哪里
飞，计算机就可以取代飞行员而自行飞向目的地。因此飞行员只要专注在利用雷达猎杀
敌机以及起飞降落就可以了，飞行的动作交给计算机。更精确一点的说法是：交给地面
的管制员。当时美俄都有类似的数据链，拥有全空域状态意识的地面管制员，直接利用
数据链可以命令战斗机飞向拦截目标。
　　既然雷达成为飞行员最重要的工具，雷达荧幕就成为飞行员最重要的界面，有个怪
现象在 F-106 战斗机上，雷达荧幕不与机炮同轴来进行瞄准，听着都别扭。为什么要摆
在正前方呢？由此我们可以发现一个概念，第一个决定显示界面好坏的，是界面的位置
是否符合人体工学。界面必须先放在“舒适”的位置，飞行员才能“长时间”与“专心
”使用。
F-106 座舱
第三代座舱：手握油门操纵杆
　　然而在越战中，美国飞行员却不欣赏他们的战斗机座舱。因为美国战斗机必须去进
攻敌军的领土，所以远离了自己地面雷达与管制员的支持，得不到地面雷达对状态意识
的支持。虽然地面管制员有时还是可以借由无线电来提供飞行员部分的状态意识，但是
少数管制员要支援数十架升空飞机的情况下，无法一对一地利用数据链“遥控”战斗机
作战。
　　所以象 F-8 这种单座战斗机就无法得到管制员协助飞行工作或拦截目标，而必须自
己同时操纵雷达及战斗机。然而，F-8 仍然保留机炮，所以雷达荧幕并不能取代机炮瞄
准的位置，因此海军飞行员发现，在勤务中，几乎没有时间来利用雷达拦截敌机。然而
，双座战斗机 F-4 的后座武管官却常常利用雷达来搜索敌即并引导飞行员拦截。由此可
看出，第二代座舱设计中双座原则是比较成功的。
F-4F 前座舱
　　但是即便是双座设计也不能解决一个问题：缠斗。原本的思想中，战斗机只需要在
远距离利用雷达与导弹从容进行火控就好了。但在实战中发现，雷达与导弹的性能与可
靠性远不如预期，则敌军还是可以轻松接近，强迫进入缠斗中。
　　一名狙击手瞄准时，必须选好稳固的架枪位置、拔草测风向、调匀呼吸以确定一发
中的。然而一名突击队员破门而入时，什么射击前准备动作都是奢侈，拔枪、开保险、
射击、子弹上膛的连串动作不能浪费一秒，否则就等于自杀。这也是视距外空战与缠斗
的差别：飞行员必须把握咬住敌机的一瞬间射击，否则敌机就可能摆脱，甚至反过来击
落你。因为缠斗要取得胜利，必须先估计敌机背后的位置，而在战斗机普遍超过音速的
情况下，人的反应跟不上空战的变化，一个错判就很容易让自己的战斗机冲过对手。所
以你必须在你仅有的一瞬间优势来击落对手。
　　然而第二代座舱除了本土拦截时可以利用“座舱自动化”而很方便外，当近战时，
地面管制员与远程雷达失去作用，飞行员完全得依赖人工操作。飞行员却发现座舱的按
钮位置从未仔细设计过，飞行员需要依照顺序切换许多不同位置的按钮才能开火，就好
象拿着碍手的手动式单发装填狙击枪在屋内近距离枪战。
　　因此，美军发现座舱设计的思想错误，只有在极少数的状态下，才能设计出专用的
自动系统（例如本土防空），然而战斗机开始服役时，未来的环境一旦不同于原本设定
的环境，则你的自动系统就变成废物。
　　相反地人脑的学习能力可以应付日新月异的变化，因此，高度训练的人员能适应战
场，而不是只会依循一定公式的自动机器。故机器的设计应该是如何让“人”使用起来
顺手、快速、舒适，而不是想着如何取代“人”。
因此尽管美国在 F-4、F-15 等新一代战斗机上的 Link-4 仍然保有地面遥“遥控”的能
力，但美军已经承认地面管制员的判断与反应能力远比不上战斗机上的飞行员的即时反
应。而美国在 F-4E 556 次型上发明了一种战斗机设计中划时代的新原则：“手握式油
门操纵杆”（HOTAS），充分将飞行员的反应传递给战斗机。
　　这是座舱界面的里程碑，并成为以后座舱设计的中心思想，正如同个人计算机界面
不脱“键盘、鼠标、荧幕”一样。HOTAS 的概念是将所有的常用与火控所需按钮都装在
操纵杆与油门推杆上，故飞行员进行飞行控制时，按个指头就可以轻松缩短了飞行员开
火的时间，所以飞行员可以更早、更快开火，以及在复杂的空战动作中开火。二来，飞
行员大部分的动作都只要动个手指就完成，所以长时间飞行的工作负荷就低得多。
　　另一个重要的革命是平显。利用新的光学科技，战斗机可以在不遮蔽前方视野的情
况下，在透明片上显示许多资料，则许多原本难以消化的资料都可以利用这种新的资料
输出界面而发挥效果。
　　首先，以往的前方视野必须就机炮瞄准具与雷达荧幕之间选择一种，使得飞行员不
是只能偏重机炮攻击（如 F-8），就是只能偏重雷达攻击（如 F-106）。然而平显可以
将雷达的追踪符号与资料直接投影在肉眼看到的目标 上头，因此飞行员得以利用最舒适
的前方视野同时操纵两种火控系统。
　　这带来的益处不止是 1+1=2 而已，这使得电子状态意识与肉眼状态意识能互补不足
。传统雷达荧幕的缺点是其是以“鸟瞰”的角度来显示，所以飞行员要在脑中换算成自
己的坐标才能了解敌我的相对位置，然而肉眼的角度却不需要转换，所以能以反射动作
就知道该如何控制战斗机以争取优势。因此飞行员利用平显上的雷达追踪框而非鸟瞰的
显示幕更能做出正确的战术动作。
　　另一方面美军在越战发现，小型快速战斗机很容易离开飞行员的视野，或是混杂在
背景中而成功逃逸。然而，战斗机大小对雷达侦测距离的影响不大，因此即便飞行员肉
眼看不到目标，但投影在平显上的追踪框却仍然能标示出目标的视线方位，使飞行员仍
可咬住小型敌机，或是在更远的距离目视到中型敌机。因此平显平衡了美军战斗机在缠
斗中的“目视未发现目标”劣势。除了火控之外，平显使得飞行员头部能维持在最舒适
的角度飞行，减低了长途飞行的生理负荷，则飞行员不会疲倦、失神、提高了作战效率
与安全性。
　　不过前苏联却从越战中学的不一样的教训。苏联发现，第二代的自动化座舱成功让
北越训练不足的飞行员击败雄壮的美军。因为北越在自己的领土作战，享受地面管制员
的指挥。虽然北越缺乏完全自动化的数据链来协助飞行员飞行，但仍然利用语音通话构
成严密的命令体系，拥有全域状态意识的管制员命令飞行员执行“战术动作”，使得训
练不足的飞行员只要做好“飞行”本分就可以了。因此尽管北越大多数飞行员的空战技
巧不高，却能在管制员的引导下抢占优势位置，对没有状态意识能力的美军机群进行突
击。沉浸在成功的喜悦中，苏联把座舱更加自动化。
苏联的第三代座舱：“傻瓜”界面
　　由于苏联和美国战斗机的作战模式和作战思路的差异，就造成了两种不同类型的战
斗机座舱界面，苏联的界面更倾向于自动化设计。“傻瓜”相机揭示机器设计的新想法
，将大多数功能界面简化、自动化，好让使用者能不需训练，就拍出一定水准的照片。
苏联的座舱设计方法也是相同，不去考虑复杂或特别的空战形态，只考虑最常见的空战
方式，并针对这个方向构成最高程度的自动化。则大多数的飞行员，在大多数的任务中
都能得到计算机的协助完成工作。所以人员的训练经费与时间降低，就可以利用庞大而
易于补充的人力支援。
　　在座舱自动化设计方面，MiG-29 继承第二代单座座舱的数据链设计，其 Lauzer 双
向数据链包含 E502-20/04 飞行导航系统、TESTER-UZ/LK 飞行资料处理器、ALMAZ-UP 
信息处理器以及无线电、导航系统。这个系统让地面管制员可指引飞行员航线，甚至控
制空战，也可以让战斗机把目前状态自动传回给地面管制员，但是不能进行战斗机与战
斗机间的“横向传递”但苏联也发现让地面管制员“遥控”战斗机飞行是蛮愚蠢的主意
，因为管制员少，而战斗机数量多，况且管制员还得训练到具备飞行员资格。故不像 M
iG-23 可以“遥控”飞行，MiG-29 的数据链只能传递飞行指令给飞行员。其在平显与雷
达显示幕上会显示管制员指示的飞行方向、速度、敌机资料等。然而，地面管制员还是
可以控制战斗机的雷达操作模式、锁定目标、甚至打开加力等等。故地面管制员仍然控
制 MiG-29 的战术动作，而让飞行员注意飞行动作就好了。苏联也怕缺乏训练的飞行员
不小心进入失速螺旋或是空间迷向时，不会改出。仪表框上有一条“自动平飞”白线，
压杆至白线就会回复平飞状态。
　　苏联彻底信仰超视距空战的原始理想，如果能在视距外发射导弹，就不用进行复杂
的缠斗动作，则空战问题就可以简化成空间中的两点（目标与导弹）在何时何地碰撞的
问题。而这种碰撞问题交由计算机去解远比人脑来得快，故 MiG-29 的射程系统有两种
模式：人工模式、全自动模式。在全自动模式中，雷达会自动搜索目标、锁定、敌友识
别、开火射击。再加上地面管制员可以引导战斗机接近目标，故拦截全程中，飞行员只
要充当飞行控制器即可。
甚至飞行员连该发射几枚导弹都不用操心，武器发射的选择是：SALVO、SINGLE-0.5SAL
VO。前者模式中，导弹会以 1.6 秒的间隔自动连发两枚，如果飞行员选择机炮，则机炮
会自动连发直到没有子弹。后者则会只发射一枚导弹，或是只连发 1.6 秒的机炮。值得
注意的是苏联飞行员的训练是尽量运用前者，以在最远的距离尽快投射最大量火力。
　　另一个方向是界面简单化，没有必要的功能就把它取消、合并或简化，以免训练不
足的使用者被界面弄得眼花缭乱。例如其雷达的控制，西方的设计是让飞行员可以选择
左右 30 度、45 度、60 度的扫描，或者是由按钮转动雷达扫描范围的中心轴到任意方
向。然而苏联不认为飞行员有必要自由选择扫描的轴向，所以其雷达轴向设定只有三种
：左（左方 40 度）、中、右（右方 40 度）。扫描角度大小只有一种：+25 度。因此
，这说明了 MiG-29 飞行员不能象西方飞行员那样自主选择可能有敌机的区域进行搜索
，而必须依赖地面管制员的远程状态意识，预知 MiG-29 将在那个方向与敌机接触，而
在三种扫描范围中选择其一。
　　MiG-29 也首度采用头盔瞄准具，使飞行员只要转头就可以替大搜索角度的 R-73 导
弹进行标定。然而，这项系统使得飞行员不用考虑空战中最困难的“学问”——如何咬
住敌机的后方。让飞行员可以由简单的动作就得到开火机会，甚至在一开战的头对头攻
击中就击落敌机。
　　由此我们可以得知 MiG-29 的战术——由地面管制员引导到预计碰撞航线，由管制
员控制战斗机雷达锁住目标，机上计算机算出射击解后自动射出最大火力，如果没中仍
然直冲到敌机面前，以头盔瞄准器结束空战。如果还是没中，也不必在意，因为机上的
武器也差不多射完了，直接回家，交由其他战斗机拦截。反正苏联有的是战斗机与飞行
员，战斗机基本上成为“有人防空导弹”。
　　MiG-29 的平显可以显示雷达资料，但却不象西方是把目标符号投影在目标视线上，
而是把鸟瞰角度的雷达影像直接投影在平显上。于是，苏联的平显不象西方一样，能让
肉眼与雷达互相弥补。有种看着地图与对手“击剑”的感觉，虽然这种错觉可以利用训
练来克服，但总不如直观的“实景”投影来的方便，在电光石火的空战中，可能转瞬即
逝的优势会丧失。MiG-29 的座舱输入界面设计考虑到设计时间的缩短也稍显不足，在人
工模式时，发射一枚导弹要切换 11 个按键（而 F-16 只要一个）。
　　不同的座舱界面甚至影响到飞行性能，飞行员发现 MiG-29 的滚轴率比 F-16 慢上
许多，其实这与飞机的空气动力性能无关，而是因为 MiG-29 的操纵杆靠移动来输入飞
行员的指令，故飞行员手臂要摆动很远才开始以全速滚转。而 F-16 的操纵杆只量测力
量，飞行员肌肉一动，战斗机就知道该全速滚动了。
　　MiG-29 的头盔瞄准具可以说是划时代的重要发明。利用头盔瞄准具可以非常方便的
瞄准目标，但目标是否进入射程飞行员必须先看一下平显上的显示，甚至还必须在低头
完成 11 个按键的准备发射动作才能抬头瞄准敌机，则头盔瞄准在迎头攻击中的巨大优
势就被繁琐的操作程序所抵消。
　　对于苏联的空战模式和作战思路，“傻瓜”设计思想相当正确，其中头盔瞄准、自
动平飞驾驶按钮等也被欧美的下一代设计所效仿。然而苏联的设计，除了自动化作业的
部分外，人工作业的界面缺乏整体规划。所以一旦地面管制无法协调飞行员，飞行员面
对的就是相当碍手，相当不“配合”的操作界面。
　　为了进一步简化空勤人员的训练。因此苏联希望不同战斗机之间，甚至是不同时代
的战斗机之间（MiG-23 与 MiG-29 的座舱仍有极高的相似性）的座舱界面尽量统一，不
要有有太大的差异，以便让飞行员可以轻易地转换座机，甚至让老飞行员可以适应新战
斗机。
　　由此可以看出，在苏联眼中的座舱界面其实有极重要的地位，尽管战斗机空气动力
设计日新月异，但只要掌握住座舱界面不变，则战斗机在飞行员眼中就仍有极高的相似
性。然而西方眼中的飞行员是无可替代的，所以要尽可能给飞行员争取最多的优势，只
要有新的座舱科技可用，立刻运用在战斗机上。因此西方不同战斗机间的座舱绝对不同
，F-16 是一个明显的例子。虽然苏联飞机的座舱界面按照西方的标准存在着一些问题，
但是，这完全是两种不同的作战体系，苏联人没有必要把自己的座舱搞的像“电子游戏
室”。如果苏联座舱界面使用西方的标准进行更加合理的人性化设计，凭借它的技术、
科技实力相信也不是什么难事。
-待续-

--
※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 202.118.228.63]