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头盔显示器:让飞行员“看哪打哪”

来源:解放军报作者:林明东 付海峰 高晶责任编辑:伍行健
2021-04-02 09:48

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2020年底,战机头盔显示器这一高科技飞行装具引发军迷热议。

近年来,在头盔显示器研发与使用方面,世界各国始终在积极适应实战需求,不断展开角力。美军几经反复,才使F-35战机有了堪用的头盔显示器,如今又开始考虑为其延寿。早在2017年,就有消息称俄罗斯军方将接收先进的虚拟现实头盔。以色列在这方面不仅“自给”有余,还开始为其他国家提供头盔显示器。英国BAE系统公司则在2019年公布了其“前锋II”先进头盔显示器的最新设计细节。

那么,战机头盔显示器的功用究竟如何?现在它发展到哪个阶段?今后会朝哪个方向发展?请看专家解读。

如果要问飞行员身上哪个装具最具科幻感,相信多数人会选择“头盔显示器”。

但是,头盔显示器绝非只有颜值,称得上是“颜值与实力兼具”。它可像普通头盔一样佩戴使用,却能够显示各类飞行和作战关键信息,不影响飞行员观察外部环境,还能够与飞机的火控系统自动交联,使发现,瞄准,攻击等动作一气呵成。

一顶性能优良的头盔显示器,无疑是飞行员驾驭战机作战的得力助手。

贴脸更贴心的多功能头盔

在瞬息万变的现代空战中,飞行员既要抬头观察外部环境,低头查看座舱内各种仪表及显示器上的信息,还要操作火控雷达等传感器,对目标进行跟踪瞄准,战斗操作压力之大是常人难以想象的。

头盔显示器的出现,提供了满足上述需求又可为飞行员“减负”的一体化解决方案,即作为高效率的人机交互手段,为飞行员提供安全防护,信息显示,跟踪瞄准等主要功能。为了更好地发挥作用,一些类型的头盔显示器还有单独定制款,甚至会根据飞行员的头型来塑形,称得上是贴脸更贴心。

一是安全防护功能。具备安全防护功能是对头盔显示器的常规要求。通过盔体外形与结构的合理设计,集成氧气面罩,耳机,护目镜,气囊等组件,它能提供防碰撞,降噪音,保供氧,抗过载等多种功能。

二是信息显示功能。头盔显示器能够为飞行员显示本机飞行高度,速度,姿态等信息,还能够显示机载武器的详细状态,而不必像佩戴传统头盔那样频繁转头切换视角。

三是跟踪瞄准功能。它在这方面发挥作用的原理与流程是:借助一定技术手段,对盔体位置变化进行定位,对飞行员视线角度的变化进行解析,相关信息上传给机载火控系统后,近距空空导弹的导引头,会随着飞行员的视线转动,使其快速截获目标。借助头盔显示器,飞行员能有效减少攻击目标时的操作动作,缩短攻击时间,充分发挥空空导弹大离轴角发射打击目标的能力。

选择不同,头盔显示器的功能在细节上也各异

从结构上讲,完整的头盔显示器除盔体外,其组成部分还包括显示模块,定位模块等。

显示模块要确保飞行员既能看到特定字符和图像,又能看到外部环境,通常以“半透半反”方式产生及显示信息。其根据技术路线的差异,通常分为投影式,OLED,光波导等。

在头盔显示器小型化,轻量化,可靠性等方面,采用不同技术路线各有其利弊,不同头盔显示器会采用不同的组合。一些战机的联合头盔显示器会采用双目投影显示技术,而一些型号的直升机头盔显示器则采用单目OLED显示。

定位模块旨在实时解算头盔位置及飞行员的视线角度信息,主流技术途径包括电磁定位,光学定位等。

电磁定位装置主要由头盔上的信号接收模块和座舱内的信号发射端等组成,通过感知不同位置的电磁信号变化,从而解算出准确的头盔位置。如F-16战机所用的联合头盔引导系统,其定位模块即采用电磁定位。

光学定位则是通过特殊的定位标记,以图像解算方式获取头盔的准确位置。“阵风”战机的“打击者”头盔显示器即采用光学定位。

上述两种方式各有利弊。电磁定位的优点在于头盔上模块较小,减重效果明显,缺点是对电磁信号精密测量要求高;光学定位的好处是精度高,不足之处在于需要在盔体上安装特殊的发光点,因此头盔轮廓和重量相对较大。

近年来,随着微机电陀螺技术的发展,形成了视觉和微机电陀螺组合定位方法,既可减小体系重量,又能降低全套系统的复杂程度。

从简单到复杂,技术更成熟,功能更完备

战机头盔显示器自20世纪70年代诞生以来,已有近50年历史,先后经历了头盔瞄准具,单目头盔显示器,双目头盔显示器等几个发展阶段。

头盔瞄准具仅在飞行员眼前显示简单的瞄准符号,如十字或圆圈。南非的幻影F1AZ战机较早装备了头盔瞄准具,用于引导法制V3Z红外制导空空导弹,效果较好。该类产品随后在俄罗斯苏-27,米格-29等战机上大范围运用,能够实现R-73近距空空导弹的大离轴发射,显著提升了战机近距离格斗能力。

头盔瞄准具能提供的信息量有限。于是,具有更强显示能力的单目头盔显示器在20世纪90年代应运而生。

其代表性产品为美空军目前广泛装备的联合头盔引导系统。该产品先后发展了两代,陆续装备于F-15,F-16,F-18等系列战机,并出口日本,韩国等国家。它采用可拆卸的高度集成化模块设计,可在20度左右圆形区域内单目显示飞行信息及武器瞄准符号。

单目头盔显示器显示视场相对较窄,使用时由于飞行员双眼看到的信息不同,容易诱发“双目竞争”效应。

进入21世纪后,头盔显示器开始向双目显示,彩色显示升级,代表性产品包括“阵风”战机上的“打击者”头盔显示器和F-35战机的联合头盔显示器。

F-35战机联合头盔显示器集成了夜视摄像头,结合飞机上安装的红外成像设备,能够以“画中画”方式显示飞行信息,实时影像,火控信息等。

研制门槛高,想要做出“硬核”头盔不容易

虽然各国飞行员都渴望用上更好的头盔显示器,但目前真正广泛服役的头盔显示器并不多。主要原因在于相关研发技术和要求的确不低:

一是研制技术难。头盔显示器的研制涉及人机工程学,微电子学,光学,电磁学,精密加工与装配等多个学科领域,研制门槛高,实现难度大,目前国外也仅有罗克韦尔·柯林斯,埃尔比特,泰雷兹等少数几个飞机航电系统公司具备相关研发能力。

二是平台要求高。头盔显示器要想发挥作用,首先是战斗机要具备先进的航电系统,能够挂载先进的大离轴攻击近距空空导弹。为了便于测量定位,还需要对座舱进行专门改造。

三是使用负荷大。由于集成的功能模块较多,头盔显示器的重量一直较大。一些战机上的联合头盔显示器重量近2千克,在空战机动时相当于头上顶着10-15千克重的物体。

四是系统价格贵。受多种因素的影响,战机头盔显示器的成本较高,采购价格也一直居高不下。据相关报道,美国F-35战机配装的联合头盔显示器,单套采购价格高达40万美元。

由此来看,尽管一些飞机的软硬件支持头盔显示器运行,但飞行员仍然不能实现人手一顶,这种情况在一些国家的空军中出现,并不出人意料。

运用多种新兴技术,升级换代未来可期

目前,世界范围内三代半以上的战机普遍能够装备头盔显示器,如美国的F-15,F-16,F-18E/F,A-10C,瑞典的“鹰狮”,法国的“阵风”,欧洲的“台风”等。

未来随着技术的持续进步,头盔显示器的集成度,轻量化,模块化水平将会进一步提高,价格也会更加亲民,届时必将成为每位战机飞行员的标配,让飞行员在空中作战时如臂使指,如虎添翼。

除持续提升头盔显示器性能外,战斗机相关跟踪瞄准技术仍在不断发展,热门技术方向主要包括语音控制,脑机接口,眼动跟踪等。

运用语音控制技术,能够通过增加一个操控指令通道,进一步减轻飞行员操作压力。事实上,目前语音识别技术已趋于成熟,应用于头盔显示器已为时不远。

运用脑机接口技术,可通过采集飞行员脑电波活动规律和作战指令,输出至飞机航电系统。从理论上看,采用该技术后,可以让飞行员实现“心动即行动”,给空战人机交互带来全新变化。

运用眼动跟踪技术,可以解决大过载机动条件下,飞行员头部不易大范围转动导致的瞄准困难等问题。应用该技术后,飞行员只需要眼球转动始终盯着目标,眼动跟踪装置就能帮助飞行员完成瞄准。

这些新技术的逐步成熟与应用,将在不久的将来引发头盔显示器的新一轮变革。

图①:头盔显示器支持近距空空导弹大离轴发射;

图②:“阵风”战机的“打击者”头盔显示器;

图③:俄罗斯Shchel-3UM头盔瞄准具;

图④:JHMCS第二代头显产品。

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(作者单位:空军研究院)??

供图:林明东

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