用目光殺死敵人，關于飛行員頭盔顯示器的那些事(shì)兒

飛行員頭盔原本是一種(zhǒng)簡單的防護裝備，但在結合了頭部跟蹤技術和符号顯示系統後(hòu)正日益變爲飛行員獲取信息的主要方式，從而大幅提高飛行員的态勢感知能(néng)力。

　　從空戰誕生之日開(kāi)始，飛行員的态勢感知就對(duì)空戰勝負和自身生存至關重要。在最初的日子裡(lǐ)，擺在飛行員面(miàn)前的隻有轉速表、高度表和羅盤，而現代飛行員在空戰中不僅要時刻注意座艙外的動向(xiàng)、還(hái)要不時低頭查看座艙儀表和顯示器。

　　随着技術的發(fā)展，座艙儀表和顯示器顯示的信息也随之增多，越來越多的信息導緻了飛行員無所适從，無法快速找到自己需要信息。因此，簡化和幫助飛行員吸收信息成(chéng)爲戰鬥機人機界面(miàn)的一個重要設計目标，必須先使用機載計算機對(duì)信息進(jìn)行簡化和分類，再呈現給飛行員。此外，随着一系列大離軸角近距空空導彈和新型傳感器的出現，如何增大這(zhè)類武器的發(fā)射區也成(chéng)爲亟待解決的問題。

　　自20世紀70年代中期以來，軍用直升機和戰鬥機已普遍裝備了頭盔瞄準具。戰鬥機頭盔瞄準具一開(kāi)始非常簡陋，僅能(néng)用于控制紅外制導空空導彈的瞄準。導彈引導頭能(néng)根據飛行員的頭部運動快速對(duì)準目标，實現大離軸角發(fā)射，不再需要飛行員努力機動把機鼻對(duì)準目标。

　　南非空軍的“幻影”F1AZ飛行員率先在實戰中使用頭盔瞄準具，并取得良好(hǎo)效果。美國(guó)霍尼韋爾公司在20世紀70年代也實機測試了視覺目标獲取系統（VTAS），但未被美國(guó)空軍采用。

 
南非的“反曲刀”頭盔瞄準具，用于與V3A近距空空導彈配合

 
安裝了AV8-8 VTAS的APH-6A頭盔，有一個伸到飛行員眼前的反射鏡，飛行員把鏡片中的準星指向(xiàng)目标就能(néng)使空空導彈引導頭對(duì)準目标

　　蘇聯米格-29“支點”和蘇-27“側衛”代表着頭盔瞄準具技術的一場革命。這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)戰鬥機從問世的第一天起(qǐ)就整合了Shchel-3UM頭盔瞄準具和紅外搜索與跟蹤（IRST）系統，讓R-73（AA-11“射手”）紅外制導空空導彈具有了強大的近距作戰能(néng)力。這(zhè)是頭盔瞄準具發(fā)展史上的一個分水嶺，使北約國(guó)家正視差距，認真對(duì)待頭盔瞄準具的發(fā)展。

 
俄羅斯米格-29和蘇-27的頭盔瞄準器采用了相似的設計

 
鏡片中顯示的簡易準星

　　20世紀90年代初，以色列Elbit公司研制出與“怪蛇IV”空空導彈配套的顯示和瞄準頭盔（DASH）。美國(guó)在這(zhè)種(zhǒng)頭盔的基礎上于90年代後(hòu)期研制出聯合頭盔提示系統（JHMCS），來與新一代近距導彈AIM-9X配套，被統稱爲大離軸角系統（HOBS）。JHMCS和AIM-9X組合首先裝備了F-15C。

 
以色列的DASH頭盔已經(jīng)是以色列F-15/16戰鬥機的标準裝備

　　DASH和JHMCS兩(liǎng)種(zhǒng)頭盔也增加了符号顯示功能(néng)，除了用于控制導彈引導頭和瞄準吊艙傳感器外，JHMCS在後(hòu)來也實現了把關鍵飛行數據投射在遮光鏡上的功能(néng)，從頭盔瞄準具進(jìn)化成(chéng)了頭盔顯示器。

 
JHMCS頭盔可以被看做是一個頭戴的平顯系統

 
JHMCS的遮光鏡顯示組件

　　因此從理論上來說，可以把關鍵飛行數據和目标數據都(dōu)從平顯上移除，統統投射在頭盔顯示器的遮光鏡上，讓飛行員在空戰中能(néng)更好(hǎo)地使用空空武器攻擊敵機，不再需要操飛機把機鼻對(duì)準目标，然後(hòu)通過(guò)平顯瞄準。

　　經(jīng)過(guò)多年發(fā)展後(hòu)，頭盔顯示器不僅能(néng)夠爲飛行員提供“先敵發(fā)射、先敵攻擊”的大離軸攻擊能(néng)力，還(hái)使他們在做大過(guò)載機動時也能(néng)控制機載武器和傳感器的瞄準。頭盔顯示器的遮光鏡不僅能(néng)顯示瞄準符号和飛行參數，還(hái)能(néng)顯示視頻和前視紅外圖像。

尖端頭盔顯示器

　　目前全球已經(jīng)有多種(zhǒng)頭盔顯示器服役，預計在不久的將(jiāng)來，頭盔顯示器將(jiāng)成(chéng)爲飛行員作戰時必不可少的裝備。

JHMCS和“蠍子”頭盔

　　在Elbit系統和羅克韋爾·柯林斯公司聯合研制出JHMCS後(hòu)，美國(guó)空軍立即在F-15C上應用了這(zhè)個設備。目前JHMCS已經(jīng)普遍裝備美國(guó)現役戰鬥機并銷往多個國(guó)家。

 
佩戴JHMCS的F-15飛行員

　　但令人奇怪的是，美國(guó)空軍的終極戰鬥機F-22“猛禽”居然一直沒(méi)有裝備JHMCS。原因不得而知，有消息說是因爲F-22與JHMCS整合問題一直沒(méi)有得到解決。

 
裝備“蠍子”頭盔的Block 30 F-16C

 
“蠍子”頭盔具有彩色符号顯示能(néng)力

　　2014年初，美國(guó)空軍評估了給F-22裝備更新更便宜的泰利斯“蠍子”頭盔顯示器的可行性，但整合工作一直沒(méi)有進(jìn)展。“蠍子”頭盔顯示器目前已裝備美國(guó)空軍的F-16 Block 30和A-10C，并成(chéng)爲這(zhè)兩(liǎng)種(zhǒng)飛機的标準裝備。與JHMCS使用螺栓固定在标準Gentex HGU-55頭盔上的單色遮光鏡顯示器相比，泰利斯頭盔采用彩色單片式右眼顯示器，視場26度x20度，可顯示武器瞄準和關鍵飛行數據。更重要的是這(zhè)種(zhǒng)單片式顯示器兼容夜視鏡（NVG），泰利斯表示位于飛行員的眼睛和夜視鏡之間的超薄顯示器始終可以顯示彩色的符号系統，客戶能(néng)根據作戰需要和航空慣例選擇顯示紅色、橙色或綠色符号。

 
JHMCS的顯示組件，取代了HGU-55/P飛行頭盔原來的護目鏡

　　JHMCS依靠座艙中的磁場來感測頭盔的姿态，而“蠍子”可使用磁跟蹤器或混合光學(xué)/慣性跟蹤器來感測頭盔姿态。

 
F-16座艙蓋内側的JHMCS位置傳感器

　　雖然JHMCS已非常受歡迎，但無法兼容夜視鏡，飛行員在夜間任務中要拆下遮光鏡換上夜視鏡。目前最新的頭盔顯示器已集成(chéng)夜視功能(néng)，并引入其他一些增強功能(néng)，如三維音頻。

HMDS頭盔顯示器系統

　　洛克希德·馬丁公司的高級F-35試飛員比利·弗林這(zhè)樣描述自己使用該機頭盔顯示器的感受：“我按航線飛行，扭頭向(xiàng)左度看去，不必把頭轉回中央儀表闆就能(néng)看到浮現在眼前的空速和高度信息。這(zhè)是件很棒的事(shì)，我正在改變自己獲取信息方式。”弗林是退役加拿大空軍中校，曾參加1999年在科索沃和塞爾維的空中作戰。

 
F-35試飛員比利·弗林

　　看來弗林已經(jīng)習慣了F-35标配的先進(jìn)頭盔顯示器，這(zhè)種(zhǒng)最新的頭盔顯示技術完全取代了平顯。F-35的三種(zhǒng)改型都(dōu)配備了羅克韋爾·柯林斯ESA視景系統公司（RCEVS，Elbit系統公司和羅克韋爾·柯林斯合資組建）生産的第三代頭盔顯示器系統（HMDS Gen III），這(zhè)種(zhǒng)頭盔内置兩(liǎng)個液晶顯示器，能(néng)同時爲左眼和右眼提供彩色圖像。

 
F-35的第三代頭盔顯示器系統

　　除了被用作虛拟平顯外，重2.2千克的HMDS還(hái)提供了40度視場的數字化夜視、畫中畫視頻顯示、錄像、主動降噪和透視功能(néng)！最後(hòu)一個功能(néng)最爲有趣，能(néng)讓飛行員穿透機身看到外部景象。這(zhè)個功能(néng)是通過(guò)F-35的分布式孔徑系統（DAS）實現的，該系統圍繞機身布置的6台紅外攝像機提供的紅外影像被無縫合成(chéng)爲顯示在頭盔中的全景圖像，讓F-35在低頭直視座艙地闆時就能(néng)夠看到地面(miàn)的紅外圖像。比爾·弗林說：“頭盔DAS圖像的清晰度和精确度令人驚喜，大大增強了飛行員在夜間飛行時的态勢感知。以前我們佩戴夜視鏡飛行時就好(hǎo)像透過(guò)兩(liǎng)根吸管向(xiàng)外看。頭盔顯示器在我眼前呈現出視場寬廣得多的圖像，不管我頭部轉向(xiàng)何方，都(dōu)能(néng)看到DAS圖像，真是一個神奇的功能(néng)。”

 

 

在模拟器上演示的穿透座艙地闆看地面(miàn)

　　HMDS的研發(fā)一直伴随着圖像延遲、抖動和夜視分辨率過(guò)低的問題，其中大部分都(dōu)是與DAS集成(chéng)的數字夜視傳感器引起(qǐ)的。弗林解釋說：“在動态飛行中以令人驚訝的清晰度顯示夜視圖像是一項棘手任務。”由于測試團隊沒(méi)有專門用于測試頭盔的飛機，這(zhè)就意味着“我們沒(méi)有辦法去查找未知問題，隻能(néng)等頭盔裝備F-35後(hòu)再逐一解決，就在我們排除問題的同時，大量負面(miàn)新聞也就随之而來了。”弗林估計如果把一架F-16改裝成(chéng)完全符合要求的頭盔測試機，怎麼(me)也要花上一年時間。

　　與白天相比，弗林同樣喜歡夜間飛行，此時HMDS的數字夜視系統開(kāi)始發(fā)揮重要作用。弗林說：“夜間飛行總是令人緊張，DAS和夜視傳感器能(néng)讓我們在夜間飛行中具有比以往任何時候都(dōu)好(hǎo)的态勢感知。”HMDS Gen III的數字夜視視場有40度，主要用于觀察座艙外情況，由于DAS的存在，在夜間有時甚至無需啓動夜視功能(néng)。

 
頭盔正中的數字式夜視傳感器

“打擊者II”頭盔

　　BAE系統公司的“打擊者”頭盔也被稱爲頭部設備組件（HEA）或頭盔瞄準系統（HMSS），現已經(jīng)裝備歐洲“台風”戰鬥機以及瑞典、泰國(guó)和南非空軍的“鷹獅”戰鬥機（在鷹獅上被稱爲“眼鏡蛇”頭盔），但隻具備白天能(néng)力。

 
“台風”飛行員長(cháng)滿麻點的“打擊者”頭盔

 
在“鷹獅”戰鬥機上被叫(jiào)做“眼鏡蛇”

　　BAE在測試了各種(zhǒng)外挂夜視鏡後(hòu)，決定爲“打擊者II”頭盔集成(chéng)數字夜視傳感器。這(zhè)種(zhǒng)頭盔采用了Intevac公司的ISIE-11有源像素夜視傳感器，所以無需外挂夜視鏡。頭盔還(hái)采用全新的LED頭部跟蹤技術，圖像通過(guò)40度x32度視場的液晶顯示器屏投射到遮光鏡上。“打擊者II”頭盔的夜視傳感器位于飛行員雙眼眉心上方，所拍攝的夜視圖像直接由頭盔内置處理器進(jìn)行處理，這(zhè)樣可以避免延遲。無論時視場、舒适度和沉浸感，這(zhè)種(zhǒng)頭盔的夜視效果都(dōu)遠超傳統夜視鏡。

 
大幅升級的“打擊者II”頭盔顯示器

　　數字式圖像處理方式也有效解決了傳統夜視鏡遭遇強光時産生的圖像閃爍和模糊問題，飛行員不再需要通過(guò)兩(liǎng)根“吸管”向(xiàng)外張望，所以也不存在視野遮蔽問題。

　　和泰利斯的“蠍子”頭盔一樣，“打擊者II”頭盔也能(néng)顯示彩色圖像。第一代“打擊者”頭盔采用1280×1024像素的單色顯示器，“打擊者II”則升級爲1920×1080像素的全高清彩色顯示器。展現在飛行員眼前的是一個完全重疊的彩色雙目顯示器，在日光下清晰可讀，這(zhè)點在雲層上方的明亮日光環境中尤爲重要。雖然“打擊者II”采用數字圖像處理技術，但完全兼容戰鬥機的模拟接口，可以通過(guò)一個接口盒來接收飛機的模拟信号并將(jiāng)其轉換爲數字信号，使“傳統”戰鬥機同樣能(néng)使用這(zhè)種(zhǒng)數字化頭盔。

 
“打擊者II”頭盔顯示器

主動降噪與三維音頻

　　戰鬥機頭盔的另一個有趣的發(fā)展趨勢是主動降噪技術，HMDS Gen III和“打擊者”頭盔都(dōu)已經(jīng)采用這(zhè)種(zhǒng)技術。BAE系統公司已與丹麥Terma公司合作發(fā)展主動降噪和3D音頻技術，前者能(néng)使飛行員更易聽清通訊内容，後(hòu)者則能(néng)通過(guò)三維音頻警告指示來自任何方向(xiàng)的威脅。3D音頻技術還(hái)有個有趣應用，那就是讓飛行員能(néng)聽到來自任何方向(xiàng)的通話，如果左側僚機飛行員和他通話，他能(néng)聽到聲音從左邊傳來，如果是右側僚機，他就能(néng)聽到聲音來自右邊，如果是地面(miàn)通訊，那麼(me)聲音就來自下方，如果與上方的預警機通訊，聲音就來自上方。

數字化JHMCS

　　這(zhè)是另一種(zhǒng)新型頭盔顯示器，首先在沙特空軍的F-15SA上進(jìn)行了測試。數字化JHMCS也叫(jiào)JHMCS II，由以色列Elbit公司研制。這(zhè)種(zhǒng)頭盔可以使用與JHMCS相同的磁跟蹤器，也可使用新的混合光學(xué)/慣性頭部跟蹤器。數字化JHMCS提供了投射在遮光鏡上的20度圓形視場顯示器，可顯示來自任何機載傳感器的圖像，也可複制座艙顯示器内容，兼容不同顯示格式。

 
波音在F-15上測試了數字化JHMCS

　　但數字化JHMCS缺乏内置夜視功能(néng)，仍需外挂夜視鏡。Elbit爲此提供了一個可顯示彩色符号系統的夜視鏡目鏡，用于替換夜視鏡的一個原始目鏡，然後(hòu)通過(guò)頭盔上的一個适配器與飛機相連後(hòu)就能(néng)在夜視鏡上看到顯示符号了。數字目鏡呈圓形的，厚6.35毫米，也可被用于升級老式JHMCS。

 
數字化JHMCS的夜視鏡目鏡可顯示彩色符号

提高舒适性

　　把夜視鏡從頭盔顯示器上去掉是大多數頭盔顯示器廠家的努力方向(xiàng)。夜視鏡對(duì)飛行員産生很大限制，飛行員佩戴夜視鏡後(hòu)要注意自己頭部的動作幅度，否則不是撞到座艙蓋就是碰到平顯。此外，夜視鏡增加的重量不僅加大了飛行員頸部的壓力，還(hái)會使頭盔重心前移，這(zhè)種(zhǒng)重量不平衡大大阻礙了飛行員做大過(guò)載機動。最後(hòu)，在發(fā)生緊急情況彈射時，飛行員必須先取下夜視鏡。

 
A-10飛行員們在調試AN/AVS-9夜視鏡

　　頭盔的舒适性對(duì)飛行員來說是一件大事(shì)。弗林舉例說當年新統一的德國(guó)空軍飛行員普遍不适應前東德米格-29戰鬥機的頭盔，稱之爲“俄羅斯的野蠻頭盔”。這(zhè)種(zhǒng)Zsh-5頭盔在設計時完全不考慮重心位置，飛行員在大過(guò)載機動中試圖扭頭控制大離軸角空空導彈時甚至會扭傷脖子。所以德國(guó)空軍米格-29飛行員最後(hòu)改用了HGU-55G頭盔，并自行集成(chéng)了頭盔瞄準具。

 
德國(guó)米格-29最初的原配Zsh-5+頭瞄

 

 
後(hòu)來改爲HGU-55G頭盔

　　弗林在試飛生涯中測試過(guò)多種(zhǒng)頭盔：“我飛過(guò)‘台風’并在皇家空軍CAM（航空醫學(xué)中心）的‘鷹’式教練機上積累的大量的飛行時間。我們把一名教官塞進(jìn)座艙，在另一個座艙塞進(jìn)‘小白鼠’，讓他們測試不同頭盔。我本人也在‘台風’上當了‘小白鼠’。”

　　“從博斯科姆比頓起(qǐ)飛拉出3g過(guò)載脫離起(qǐ)落航線後(hòu)，我們向(xiàng)着測試空域飛去，此時我就能(néng)感覺到頭盔重心是否出現偏移。我們長(cháng)時間戴着頭盔進(jìn)行飛行、訓練和模拟戰鬥，我本人的最長(cháng)記錄是飛了13個小時。如果頭盔不完全貼合頭部，你能(néng)在不到五分鍾的時間裡(lǐ)感覺出來，如果不解決這(zhè)個問題，頭盔就會把這(zhè)次飛行變成(chéng)一個漫長(cháng)而痛苦的任務。”

　　弗林測試過(guò)一頂完全不匹配的頭盔：“我駕駛CAM的‘鷹’教拉出9g過(guò)載，正要對(duì)付一架‘阿爾法噴氣’，突然間，我發(fā)現自己無法控制脖子，因爲我的頭部在産生過(guò)大的力矩。根據杠杆原理，隻要頭盔重心稍微偏移，就能(néng)在大過(guò)載機動中産生很大的擡頭或低頭力矩。所以頭盔不僅要貼合頭部，還(hái)要具有完美的重心。這(zhè)次飛行後(hòu)，我覺得自己就好(hǎo)像打了一個星期的橄榄球賽！”此外，頭盔在保持舒适性的同時還(hái)要盡量降低重量，但做到這(zhè)點很不容易。

　　爲了把重心保持在限制之内，外挂夜視鏡的頭盔一般會在頭盔後(hòu)部增加配重，這(zhè)回進(jìn)一步增加重量。Elbit公司就把航電盒放置在數字化JHMCS頭盔背部，以便在外挂夜視鏡時維持重心。根據美國(guó)政府研究機構的統計，這(zhè)種(zhǒng)配重設計會使飛行員頸部壓力增加40%。

 
數字化JHMCS把航電盒放在背部來平衡夜視鏡重量

　　F-35的HMDS Gen III和BAE公司的“打擊者”系列頭盔爲了保持舒适性，都(dōu)會爲每位飛行員定制内襯，爲此需要精确掃描每位飛行員的頭部。定制内襯先裝入安裝有通訊耳機的内盔，再裝入具有頭盔顯示組件的外盔。飛行員佩戴頭盔時要做的第一件事(shì)是調整顯示器瞳距，讓圖像中心對(duì)準雙眼瞳孔。投射在遮光鏡内側的圖像焦距被設置成(chéng)無限遠，讓飛行員從艙内把視線望向(xiàng)艙外時無需調整焦距就能(néng)看清顯示内容。

 
“打擊者”頭盔的内襯、内盔與外盔

　　現代頭盔顯示器甚至能(néng)監測飛行員健康。數字化JHMCS有一個被稱爲“金絲雀”的血液流量傳感器，這(zhè)個緊貼皮膚的傳感器能(néng)檢測血液流量和血氧含量，并提交頭盔背後(hòu)的航電盒進(jìn)行分析，在疑似發(fā)生缺氧事(shì)件時及時警告飛行員。這(zhè)個功能(néng)能(néng)挽救飛行員的生命，鑒于美國(guó)空軍和海軍的F-22、F-35、F/A-18和T-45都(dōu)相繼發(fā)生缺氧事(shì)件，所以數字化JHMCS的這(zhè)個功能(néng)無疑會引發(fā)軍方的興趣。

直升機頭盔

　　頭盔顯示器不僅被用于戰鬥機領域，武裝直升機也是該設備的傳統用戶。AH-64“阿帕奇”武裝直升機采用的綜合頭盔和顯示瞄準系統（IHADSS）能(néng)把瞄準信息和紅外圖像直接投射到單片顯示器上，頭盔也能(néng)直接控制30mm M230鏈炮和機鼻傳感器。目前正在研制的“阿帕奇”飛行員綜合頭盔（AAIH）將(jiāng)具有更強的能(néng)力。

 
美國(guó)陸軍用于直升機的IHADSS頭盔

 
綜合頭盔和顯示瞄準系統（IHADSS）直接控制30mm M230鏈炮和機鼻傳感器

　　BAE的“打擊者”和泰利斯的“蠍子”頭盔也被一些武裝直升機選用，泰利斯還(hái)專爲直升機研制了TopOwl頭盔顯示器，目前已被16個國(guó)家的武裝部隊選用，其中就包括美國(guó)海軍陸戰隊的UH-1Y和AH-1Z。這(zhè)種(zhǒng)頭盔在研制初期一直飽受問題的困擾，現在似乎正越來越受到歡迎。TopOwl頭盔具有投射在遮光鏡上的雙目40度視場圖像，能(néng)顯示飛行數據和符号系統，可用于控制機炮，火箭和導彈，并能(néng)在頭盔兩(liǎng)側外挂夜視鏡，以及顯示機載前視紅外傳感器的高分辨率紅外圖像，還(hái)具有障礙物警告功能(néng)。

 
TopOwl頭盔顯示器

　　我國(guó)在戰鬥機頭盔顯示器上的發(fā)展比較落後(hòu)，目前主力戰鬥機殲-10和殲-11的飛行員裝備還(hái)是仿制俄羅斯的光點投射式簡易頭盔瞄準具，不具備信息顯示能(néng)力。就連最新銳的殲-20隐身戰鬥機也沒(méi)有裝備頭盔顯示器，隻是TK-31新一代輕量化頭盔。我國(guó)曾在往年的珠海航展上展示過(guò)兩(liǎng)種(zhǒng)頭盔顯示器模型，具有凸起(qǐ)的遮光鏡顯示器和外形類似BAE系統公司“打擊者II”的頭盔顯示器，希望能(néng)早日列裝。我國(guó)陸航的直-10武裝直升機已經(jīng)裝備了頭盔顯示器，外形類似TopOwl頭盔顯示器，但采用雙目透鏡式顯示器，與目前頭盔顯示器主流的投射式遮光鏡顯示器相比，對(duì)視野的遮擋比較大。

 
殲-20的TK-31并不是頭盔顯示器

 
直-10的頭盔顯示器

　　原作者：Armstrong   轉載自空軍之翼