eVTOL 飛行隱患：空間定向障礙

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作者：尼克·西諾波利

20 世紀 60 年代末，我父親在普渡大學學習航空工程時，像“鷂”式戰斗機和貝爾 X-22 這樣的垂直起降飛機正處于創新的前沿，各種激動人心的新設計正在開發中。冶金技術的進步以及強勁輕量渦輪軸發動機的出現，讓既擁有固定翼般的速度又能如同直升機般起降的飛機夢想更接近現實。

四十年后，當我在普渡大學學習航空工程時，“鷂”式戰斗機和 V-22 傾轉旋翼機已全面投入使用，電池技術的進步也推動了小型無人機的創新。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) 公司已籌集數十億美元，將這些設計推向市場。最近，美國聯邦航空局 (FAA) 發布了動力升力特別聯邦航空條例 (SFAR)，為這些新型飛機及其飛行員操作建立了監管框架。

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

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

模擬器為主的訓練

自 1929 年第一臺Link Trainer問世以來，模擬器提升了飛行訓練的水平。它們為練習飛行程序和應對緊急情況提供了安全、可重復的環境。隨著虛擬現實頭戴式設備和高性能計算技術的最新進展，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：它們無法復制真實的加速力。我們的內耳只能感知加速度，而無法在地面上重現這些力。雖然傾斜平臺可以提供一些有用的運動提示，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不堪重負的加速度。

自動飛行控制輸入

自動駕駛儀、包線保護和電傳操縱 (FBW) 技術可以顯著提升安全性，但必須建立在適當的培訓和意識基礎上。意外的自動飛行控制輸入 - 無論是來自錯誤設置的自動駕駛儀還是異常的系統響應 - 如果飛行員毫無準備，很容易導致定向障礙。

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？

幸運的是，雖然這些系統可能會導致空間定向障礙，但它們也有助于維持安全穩定的飛行軌跡，從而防止事故發生。

單人駕駛艙

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

首批 eVTOL 飛行員將是已有認證的飛行員，但為了滿足行業增長目標，必須從零開始培訓新飛行員。如果沒有雙操縱教練機，飛行員在商業運營前的實際飛行時間和實際操作經驗將非常有限。

了解飛行的感覺并識別何時會發生視覺錯覺至關重要。在教練的指導下，初次體驗迷失方向的現象會更加安全，也更容易應對。

瞬間過剩推力

為了實現垂直飛行，eVTOL 飛機需要產生足夠的動力來懸停，從而在非垂直飛行時產生比傳統固定翼更大的額外推力。電動機近乎即時的響應速度進一步增強了這種效果，幾乎沒有任何延遲。

然而，缺點是加速度的快速和大幅變化會迅速引發視覺錯覺和空間定向障礙。

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

推力矢量變化

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

進一步加劇挑戰的是，垂直飛行對 eVTOL 的電氣系統提出了很高的要求，要求盡可能快速地過渡到前飛階段。這一關鍵階段將發生在低空和復雜的城市環境中，這增加了迷失方向的風險，也增加了對精確控制的需求。

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

這名飛行員是一位在模擬“鷂”式飛機上經驗豐富的飛行員，最近剛轉為電傳操縱的 F-35B 戰斗機。在執行儀表進近時，飛機的主飛行儀表顯示器和頭盔顯示器出現故障，多次閃爍。當時，飛機正處于從翼載飛行向矢量推力飛行過渡的關鍵階段。

意識到問題后，飛行員選擇中止進近并開始復飛，指令飛機轉回翼載飛行。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，飛行員出現了空間定向障礙，感覺飛機沒有按預期響應。

飛行員認為飛機沒有響應，因此失控了。當時飛機仍在低空飛行，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，飛機繼續自行飛行了 64 英里（103公里），最終墜毀，花了幾天時間才找到墜機地點。

不斷變化的推力矢量無疑是導致飛行員空間定向障礙和由此引發事故的主要因素。

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。

航空業的新時代備受矚目，但下一階段 - 認證和實施 - 才是真正的關鍵。在如此尖端的技術和創新面前，我們絕不能忽視一個基本事實：任何飛行中的人類都容易出現空間定向障礙。

為了確保安全和成功，設計人員、運營商和監管機構必須為 eVTOL 飛行員提供必要的工具和培訓，以有效應對這些挑戰。安全不僅是首要任務，更是行業未來的關鍵。

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，專注于研究人機交互。他發明了 ICARUS 智能視野限制裝置（相關故事請點擊查看），改變了世界各地飛行員應對惡劣天氣的訓練方式。

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絡。

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