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作者：尼克·西諾波利

20 世紀(jì) 60 年代末，我父親在普渡大學(xué)學(xué)習(xí)航空工程時，像“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)和貝爾 X-22 這樣的垂直起降飛機(jī)正處于創(chuàng)新的前沿，各種激動人心的新設(shè)計正在開發(fā)中。冶金技術(shù)的進(jìn)步以及強(qiáng)勁輕量渦輪軸發(fā)動機(jī)的出現(xiàn)，讓既擁有固定翼般的速度又能如同直升機(jī)般起降的飛機(jī)夢想更接近現(xiàn)實(shí)。

四十年后，當(dāng)我在普渡大學(xué)學(xué)習(xí)航空工程時，“鷂”式戰(zhàn)斗機(jī)和 V-22 傾轉(zhuǎn)旋翼機(jī)已全面投入使用，電池技術(shù)的進(jìn)步也推動了小型無人機(jī)的創(chuàng)新。與此同時，一個全新的概念正在興起：電力分布式升力。

過去十年，眾多電動垂直起降 (eVTOL) 公司已籌集數(shù)十億美元，將這些設(shè)計推向市場。最近，美國聯(lián)邦航空局 (FAA) 發(fā)布了動力升力特別聯(lián)邦航空條例 (SFAR)，為這些新型飛機(jī)及其飛行員操作建立了監(jiān)管框架。

當(dāng)感覺信息源之間不匹配時，就會發(fā)生空間定向障礙。由于缺乏可靠的視覺提示，我們的大腦會依賴前庭系統(tǒng)，但我們天生的加速度計并未針對飛行進(jìn)行校準(zhǔn)。在這種情況下，飛行儀表成為唯一可靠的信息來源 - 然而，飛行員必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)挠?xùn)練才能熟練解讀這些信息。

自航空業(yè)誕生以來，空間定向障礙就一直是致命的危險，而動力升力飛機(jī)的飛行員尤其容易受到這種風(fēng)險的影響。以下是他們面臨更高風(fēng)險的原因。

模擬器為主的訓(xùn)練

自 1929 年第一臺Link Trainer問世以來，模擬器提升了飛行訓(xùn)練的水平。它們?yōu)榫毩?xí)飛行程序和應(yīng)對緊急情況提供了安全、可重復(fù)的環(huán)境。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴式設(shè)備和高性能計算技術(shù)的最新進(jìn)展，模擬器的視覺效果比以往任何時候都更加讓人身臨其境。

然而，地面模擬器有一個顯著的局限性：它們無法復(fù)制真實(shí)的加速力。我們的內(nèi)耳只能感知加速度，而無法在地面上重現(xiàn)這些力。雖然傾斜平臺可以提供一些有用的運(yùn)動提示，但它們無法完全模擬那些可能使飛行員迷失方向并使其前庭系統(tǒng)不堪重負(fù)的加速度。

自動飛行控制輸入

自動駕駛儀、包線保護(hù)和電傳操縱 (FBW) 技術(shù)可以顯著提升安全性，但必須建立在適當(dāng)?shù)呐嘤?xùn)和意識基礎(chǔ)上。意外的自動飛行控制輸入 - 無論是來自錯誤設(shè)置的自動駕駛儀還是異常的系統(tǒng)響應(yīng) - 如果飛行員毫無準(zhǔn)備，很容易導(dǎo)致定向障礙。

最好的類比是汽車中的暈動癥 - 自己開車時會暈車，還是只有別人開車時才會暈車？

幸運(yùn)的是，雖然這些系統(tǒng)可能會導(dǎo)致空間定向障礙，但它們也有助于維持安全穩(wěn)定的飛行軌跡，從而防止事故發(fā)生。

單人駕駛艙

幾家領(lǐng)先的 eVTOL 公司選擇不開發(fā)雙操縱訓(xùn)練模型。雖然這一決定似乎已獲得 FAA 的批準(zhǔn)，但它也存在一些缺陷。

首批 eVTOL 飛行員將是已有認(rèn)證的飛行員，但為了滿足行業(yè)增長目標(biāo)，必須從零開始培訓(xùn)新飛行員。如果沒有雙操縱教練機(jī)，飛行員在商業(yè)運(yùn)營前的實(shí)際飛行時間和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)將非常有限。

了解飛行的感覺并識別何時會發(fā)生視覺錯覺至關(guān)重要。在教練的指導(dǎo)下，初次體驗(yàn)迷失方向的現(xiàn)象會更加安全，也更容易應(yīng)對。

瞬間過剩推力

為了實(shí)現(xiàn)垂直飛行，eVTOL 飛機(jī)需要產(chǎn)生足夠的動力來懸停，從而在非垂直飛行時產(chǎn)生比傳統(tǒng)固定翼更大的額外推力。電動機(jī)近乎即時的響應(yīng)速度進(jìn)一步增強(qiáng)了這種效果，幾乎沒有任何延遲。

然而，缺點(diǎn)是加速度的快速和大幅變化會迅速引發(fā)視覺錯覺和空間定向障礙。

當(dāng)誤入儀表氣象條件 (IMC) 時，飛行員通常會采取脫離機(jī)動。在沒有視覺參考的情況下，突然的控制輸入 - 例如轉(zhuǎn)彎避開云層或爬升以避開障礙物 - 很容易讓大腦不堪重負(fù)，增加迷失方向的風(fēng)險。

推力矢量變化

這是 eVTOL 飛行員特別容易出現(xiàn)空間定向障礙的主要原因。幾乎所有動力升力或 eVTOL 設(shè)計都采用了傾轉(zhuǎn)旋翼或機(jī)翼來切換飛行模式，這會導(dǎo)致推力矢量不僅在大小上發(fā)生變化，而且在方向上也會發(fā)生變化。

進(jìn)一步加劇挑戰(zhàn)的是，垂直飛行對 eVTOL 的電氣系統(tǒng)提出了很高的要求，要求盡可能快速地過渡到前飛階段。這一關(guān)鍵階段將發(fā)生在低空和復(fù)雜的城市環(huán)境中，這增加了迷失方向的風(fēng)險，也增加了對精確控制的需求。

2023 年，海軍陸戰(zhàn)隊(duì)因一架洛克希德·馬丁公司的 F-35B 戰(zhàn)斗機(jī)失蹤而登上頭條新聞。這款短距起飛垂直降落（STOVL）飛機(jī)通過使用矢量推力，可在高速翼載飛行和垂直飛行之間轉(zhuǎn)換。

這名飛行員是一位在模擬“鷂”式飛機(jī)上經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員，最近剛轉(zhuǎn)為電傳操縱的 F-35B 戰(zhàn)斗機(jī)。在執(zhí)行儀表進(jìn)近時，飛機(jī)的主飛行儀表顯示器和頭盔顯示器出現(xiàn)故障，多次閃爍。當(dāng)時，飛機(jī)正處于從翼載飛行向矢量推力飛行過渡的關(guān)鍵階段。

意識到問題后，飛行員選擇中止進(jìn)近并開始復(fù)飛，指令飛機(jī)轉(zhuǎn)回翼載飛行。然而，由于缺乏可靠的視覺提示、功能正常的主顯示器或平視顯示器，加之推力矢量不斷變化，飛行員出現(xiàn)了空間定向障礙，感覺飛機(jī)沒有按預(yù)期響應(yīng)。

飛行員認(rèn)為飛機(jī)沒有響應(yīng)，因此失控了。當(dāng)時飛機(jī)仍在低空飛行，他按照飛行手冊的指示操作。他拉動兩腿之間的彈射手柄，開始了這段價值百萬美元的彈射旅程。與此同時，飛機(jī)繼續(xù)自行飛行了 64 英里（103公里），最終墜毀，花了幾天時間才找到墜機(jī)地點(diǎn)。

不斷變化的推力矢量無疑是導(dǎo)致飛行員空間定向障礙和由此引發(fā)事故的主要因素。

需要說明的是，飛行員在最糟糕的時刻面臨復(fù)雜的緊急情況，并做出了正確的彈射決定。然而，非飛行員出身的指揮官因媒體曝光而將其停職，這對飛行員和航空界來說都是不利的。

航空業(yè)的新時代備受矚目，但下一階段 - 認(rèn)證和實(shí)施 - 才是真正的關(guān)鍵。在如此尖端的技術(shù)和創(chuàng)新面前，我們絕不能忽視一個基本事實(shí)：任何飛行中的人類都容易出現(xiàn)空間定向障礙。

為了確保安全和成功，設(shè)計人員、運(yùn)營商和監(jiān)管機(jī)構(gòu)必須為 eVTOL 飛行員提供必要的工具和培訓(xùn)，以有效應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。安全不僅是首要任務(wù)，更是行業(yè)未來的關(guān)鍵。

作者：尼克·西諾波利是一位擁有雙重飛行資格的飛行員和航空工程師，專注于研究人機(jī)交互。他發(fā)明了 ICARUS 智能視野限制裝置（相關(guān)故事請點(diǎn)擊查看），改變了世界各地飛行員應(yīng)對惡劣天氣的訓(xùn)練方式。

來源：The hidden danger in eVTOL flight: spatial disorientation. By Nick Sinopoli. Vertical Mag, March 17 2025. 略有修改。非原文配圖及視頻來源于網(wǎng)絡(luò)。

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