【转载】现代战斗机驾驶舱

当前飞机系统最苛刻的任务之一是将信息传递给飞行员。随着飞机飞得更快，战斗角色变得更加复杂，环境变得更加恶劣，需求也变得更大。无论我们研究现代空战的哪个方面，从 ECM 到空战，信息流显然都是至关重要的。

过去 30 年见证了一系列武器和目标获取系统的发展，其中每一个都有非常特殊的方式来表达它们必须说的话。雷达是最明显的例子。从只能勉强分辨近距离目标的简陋设备，发展到可以覆盖大量空间、在杂波和反制措施存在的情况下，可以跟踪和识别多个目标的阶段。这说明了不断变化的需求 - 三十年前，操作员会直接从他的示波器的回报中解释目标的行为 - 现在这几乎是不可能的。

传统驾驶舱几乎无法满足当代空战的所有要求。尽管仪表的位置可能很好，飞行员仍必须将视线从目标上移开并重新聚焦到仪表板的平面上。这除了增加反应时间外，还让敌人有机会突破它——在那一瞬间的高 g 转弯很可能会使目标超出视野。必须在许多不同仪器的表面上找到信息本身这一事实无济于事，就像解读雷达图像需要时间一样。

一种可能的解决方案是携带后座。他可以监视敌机并使用雷达，就像在 F-4 中一样。事实上，美国海军陆战队希望其所有 F-18 都以双座形式交付。另一方面，后座飞机以燃料、有效载荷/航程、可靠性和成本为代价。

另一种可能的解决方案，除了让自己被击落之外，还需要以一种有助于而不是阻碍他的方式向飞行员提供所有相关信息。如果我们检查有问题的信息，我们基本上可以将其分为两组——关键信息和状态信息。关键信息包含给定时刻的所有重要信息，例如空速、高度、马赫数、姿态、重力载荷、炮术信息、目标参数等。

状态信息涵盖仅偶尔或仅在需要时查看的内容，例如，燃料、弹药、发动机参数、外部存储、ECM、战术/雷达信息等。这些组中的每一个都有其特殊要求推介会。

关键信息必须呈现在飞行员的视野中，使他能够专注于外部世界。它显示的形式必须易于理解，以节省时间，并且必须对其进行布置，以免在射击过程中弄乱目标占据的区域。

状态信息需要组织。它必须易于访问且再次保持整洁，以最大程度地减少解释中的错误。没有什么比盯着一堆毫无意义的数字更糟糕的了，尤其是当你试图找出哪里出了问题的时候。显示状态类型信息的系统必须是灵活的，以适应系统和角色的变化。

平视显示器 (HUD) 和平视显示器 (HDD) 都是为满足这些需求而设计的系统，都经过一段时间的开发，并且最初都是作为专用武器系统的一部分设计的，之前到他们更普遍的应用。

硬盘

低头显示器最初是作为雷达显示器开始使用的。到 60 年代末，雷达开始同时跟踪多个目标，人们发现传统示波器不太适合显示字母数字、符号和数字信息的任务。选择了另一种选择 - 电视中使用的 CRT。（参见 CRT 部分。）在此应用中，HDD 显示来自与雷达及其处理电路相连的武器系统计算机的信息。进一步的开发需要一台小型、紧凑的计算机，它将 HDD 从武器系统中解放出来，并使其能够涵盖其他功能。微处理器芯片满足了这一需求，70 年代 HDD 接管了其他任务。目前的应用范围很广。HDD 用于显示电视类型的图像 - 通常是 A-7、B-52、A-10（双座）、F-18A（攻击）或低光电视 (LLTV) 上使用的 FLIR 红外摄像机在 A-10 双座飞机上进行测试。Hughes TRAM（目标识别和攻击多传感器）也使用 HDD 来显示其图像。

雷达图片也可以显示，这只是一个处理电子设备的问题。

与 F-18 一样，符号学是 HDD 的原始任务，已通过数字和字母数字信息得到补充。

HDD/CRT 的较新用途之一是显示姿态信息——直接替代人工地平线。其他仪表读数，例如高度、航向、空速也可以组合在这种类型的显示中，使飞行员一眼就能看到他必须从整个面板收集的所有信息。这种类型的显示器将主导 80 年代的客机驾驶舱。当前最著名的应用是航天飞机轨道飞行器驾驶舱，它使用大量 CRT 显示器，用于显示关键信息和系统状态信息。系统的灵活性增强了可靠性，因为信息可以传送到任何显示器，从而可以简单地绕过有故障的显示器。

这种系统固有的适应性赋予了它美好的未来，与在面板上添加另一个表盘的传统方式相反，当空间用完时，这种方式确实变得有点难以处理。希望 CRT 永远不会用完空间。

抬头显示器

平视显示器是准直瞄准具的弟弟，一般来说，与它有很多共同点。准直瞄准器将聚焦在无限远的瞄准具十字线叠加在目标上，目标也有效地处于无限远。

在 HUD 中，发光的十字线被 CRT 取代，这使得符号投影成为可能。

CRT 屏幕上的图像由透镜系统准直（无限远聚焦），然后由组合器反射。组合器是一块部分反射（镀膜）玻璃板，因此，它将允许一些外部光通过它，并且还会反射透镜系统投射到其上的部分光。以这种方式，可以同时查看外部图像和投影图像。

HUD 中要考虑的两个最重要的因素是它的视野 (FOV) 和它的透光能力，或透射率。这些因素通常与其他要求相冲突，因此需要特别注意。瞬时视场 (IFOV) 是飞行员在没有头部运动的情况下可用的可见角度，由飞行员头部的光学和位置给出。

IFOV 随与光学器件的距离而减小，并随着镜头（光学器件/CRT）的直径而增加，因此 HUD 必须尽可能靠近飞行员的头部。不幸的是，距离是由驾驶舱配置决定的一个因素，尤其是弹射间隙线，因此无法更改，使 HUD 距离飞行员头部 40 至 75 厘米。组合器支架和挡风玻璃/顶篷框架可能会导致 FOV 的进一步损失。光学器件和 CRT 的可用空间有限，进一步限制了 HUD 的 FOV，证明成功的系统必须是一个很好的折衷方案。

合成器和挡风玻璃的传输性是另一个问题。现代战斗机的厚挡风玻璃以相当锐角放置，只能传输通过它们的大约 60% 的光线。具有 30% 反射率的组合器将允许大约 70% 的光通过它，留下大约 40% 的外部物体亮度。在边际能见度的条件下，这很可能会导致发现目标和错过目标之间的差异。

降低组合器的反射率可能有所帮助，但这反过来又会要求增加 CRT 的亮度，这并不是真正可取的，因为高亮度 CRT 磨损得更快，更容易出现故障并且通常无法提供清晰的显示效果图片。如果我们成功地消除了这些问题，另一个问题就会出现——太阳落在桶下。太阳光的光线接近平行，如果 HUD 的轴与其对齐（太阳直接在头顶上方），可能会造成困难，因为它会穿透组合器并将自身聚焦在磷光体上（透镜到 CRT = 焦距）并燃烧它，如果暴露时间过长。第一个可见的症状是视野中间有一个绿色的球。

光学带通滤光片是一种补救措施，它们可以在不影响图像的情况下限制通过的阳光量。

HUD 的主要功能是射击，该设备的灵活性允许比通常的稳定或目标引导更多。可以标记 FOV 中的目标（例如，在 F-15 中用方框），或者可以显示它们的参数，可以显示提示标记以帮助与目标对齐，如果是地面目标，可以识别激光点。FLIR 和 LLTV 图像可以叠加在真实世界的 FOV 上，以协助夜间/边缘能见度低空飞行。

可以显示雷达探测到的地形轮廓，帮助飞行员进行地形掩蔽。随着雷达和图像处理技术的改进，与目标相关的功能的数量非常多，并且会随着时间的推移而增加。HUD 的第二个基本功能是显示姿态和飞行参数信息，它可以用与 HDD 非常相似的方式来显示，具体形式取决于所涉及的电子设备。

HUD 是迄今为止设计的向飞行员获取信息的最通用的方法之一，它的开发远未结束。未来的直接挡风玻璃投影、衍射光学和先进的全息技术表明最好的还没有到来，我们可以期待一些非常有能力的系统在二十一世纪的驾驶舱中取而代之。

最先进的电子技术已经并将成为决定显示系统性能的主要因素。目前，阴极射线管占据主导地位，没有其他激烈的竞争——使用发光二极管 (LED) 矩阵的设备已被成功试用，但它们有两个缺点，亮度低，对比度差，图片元素（像素）密度不足 [编者注 2005：现在新兴的发光聚合物技术可能解决的问题]。

虽然后者会及时克服，但前者是 LED 的固有属性，可能会造成一些困难。

液晶 (LCD) 设备面临着与 LED 面板类似的像素密度问题，但它们的主要缺点是在柔和的照明下对比度低且响应缓慢。

气体放电装置也已经过测试，像素密度和振动敏感性是主要障碍。

CRT 尽管年代久远，但仍然坚守阵地。阴极射线管是一种热电子器件，是一种真空管，带有荧光涂层屏幕、高压阳极涂层和电子枪（见图）。电子枪 (EG) 用作阴极射线源，阴极射线是一束加速电子。电子从枪内的电加热阴极发射，然后加速并聚焦成窄束。离开电子枪后，光束会偏转并最终在高压下加速，直到它到达荧光屏 P。荧光粉吸收电子的动能并将其重新辐射为可见光。通过偏转光束，我们可以在 CRT 的表面绘制图像，通过控制光束中的电子数量，我们可以改变其亮度。

用于最终加速的高压通常是几千到一万伏的数量级，这取决于管子的具体类型。它应用于管内的导电石墨涂层，通常由特殊的高压电源产生。光束偏转可以通过磁场或电场实现，在实践中通常选择静电偏转，因为它的多功能性。

图像的颜色和亮度取决于所使用的荧光粉 - 可以使用多种颜色，如果管是光束穿透型，这些颜色将彼此叠加，颜色由光束加速给出。

如果灯管是面罩型，则每种颜色都有一把枪，屏幕前有一个穿孔面罩，荧光元件，每种颜色一个，在穿孔处分组。详细的解释超出了本文的范围，只要说可以混合原色就足够了，因此可以涵盖大部分颜色范围。

最后要检查的一点是如何绘制图像。原则上，有两个系统，以线扫描管的整个表面并通过改变线的亮度或通过使用全亮度光束跟踪图像来创建图像。前者系统用于电视，最适合显示雷达或红外/电视图像，后者用于符号系统，通常用于 HUD 应用程序。

CRT 由于其简单性和良好的性能，将在相当长的一段时间内仍然是最常见的 HDD 系统，直到找到一个有价值的继任者。

F-14 Tomcat 是一款令人印象深刻的战斗机，尽管它的年龄很大，并且在一段时间内仍将是一个强大的对手。其性能将通过计划中的 F101DFE 发动机改造得到提升，升级后的 AIM-54C Phoenix 也将对整体系统性能产生影响。可能不为人所知的是，F-14 已经进行了一项重要的重新设计和改装，即 HUD 系统。

最初的 F-14 HUD 是 HUD 设计中传统方法的典型示例，因此它存在几个主要缺陷。组合玻璃相对于挡风玻璃以 3.6 度的角度放置，该位置由驾驶舱的配置决定，无法更改。

这导致了 HUD 符号系统和外部亮光（例如，跑道灯）的多次反射（幻影）。挡风玻璃本身内的导电加热层的进一步反射使情况变得复杂，格鲁曼公司的工程师通过移除导电层迅速消除了第二个反射源，但这导致更多的光穿过挡风玻璃，从而增加了现有重影的亮度图像，使它们更烦人。

消除所有重影至关重要，设计团队决定采用一种新颖的解决方案来实现这一目标。原来的组合器被移除，其功能由挡风玻璃本身接管。为了实现这一点，必须修改光学器件，旋转光学器件以补偿组合器和挡风玻璃之间的角度差异看似简单的解决方案是不够的，因为生成的图像超出了飞行员的 FOV。

进一步的变化涉及挡风玻璃，它加厚了 1.25 厘米，以增加 FOV 并消除由于加压或空气动力载荷下的膨胀而导致的任何可能的错误。

随着光传输的改进，太阳落在桶上成为一个更大的问题，并且用一个额外的滤光器，一个圆偏振器来抵消它。最后一个要克服的主要问题是 HUD 与飞机轴线的对齐，原来的组合玻璃调整是不可能的。使用“硬支架”，无需重新对准即可更换装置。飞机上的支架在生产过程中永久对齐，就像光学器件在制造过程中与它们的支架对齐一样。

结果是性能远优于原始设计的 HUD 系统。没有任何组合器支撑结构改善了飞行员的一般 FOV 并有助于维护，因为可以更好地接近驾驶舱的光学系统和前部。

系统的简单性增强了可靠性。唯一需要考虑的真正缺点是 FOV 略微降低，然而，这是 F-14 驾驶舱几何形状给出的一个因素，并不是 HUD 的错。

挡风玻璃投影 HUD 很可能会在对地攻击机中找到应用，因为平面装甲挡风玻璃是此类飞机的通常设计考虑因素。

迄今为止，HUD 和 HDD 系统通常被设计为特定武器系统的一部分，例如雷达或作为它们自己的一个单元。这种方法通常会导致驾驶舱布局零散，HUD/HDD 组合可以提供的所有优势可能无法利用。最终目标是将所有重要信息和控制集中在飞行员的视野内，以一种能够在任务模式（地面攻击到混战、雷达搜索扫描到混战等）之间实现近乎即时转换的方式。

F-18 驾驶舱目前最接近该理想。美国海军更换 F-4/A-7 的要求相当苛刻——F-18 必须承担 F-4 的空中优势/防御角色和专用 A-7 的打击角色。与 F-17 相比，F-18 的机身尽管有所扩大，但空间仍然不足，仅占 A-7 或 F-4 驾驶舱面积的 40%。这些因素需要采用新概念。F-18 的驾驶舱有四个计算机辅助显示器，一个抬头，一个抬头，它还有一个前置控制面板 (UFC)，结合了通信和导航/自动驾驶仪功能，以及一些自动武器/安装在油门和操纵杆上的目标获取控制装置（手动油门和操纵杆控制概念，专为缠斗而设计-HOTAS）。

最上面（见图），两个 HDD 和 CRT，左边是主监视器显示器，处理警告/警告、武器装备、系统状态、便签本和 FLIR/LLTV 功能，右边是多功能显示器，处理雷达图像并且是 MMD 的备份。第三个 HDD 是水平态势显示器，这是一种极其通用的设备，可将位置/飞行路径符号叠加在移动地图显示上，作为导航和战术辅助（HSD 内部包含一个 35 毫米投影仪和一个 CRT 组合器，就像在 HUD 中；除了从存储地图开始，35 毫米胶卷可能有数百帧飞机系统、战术数据、进近图等）。

HSD 还可以将 FLIR/雷达图像叠加在地图上，它还可以作为 MMD 和 MFD 的备份。HUD 和 HSD 均由 MMD 或 MFD 驱动，而 MMD 或 MFD 又由两台任务计算机驱动。这种结构为系统提供了足够的冗余来克服任何故障，在不太可能发生的完全故障的情况下，提供了一组备用仪器。所有三个 HDD 都有一个共同的面布局，由围绕其外围的二十个模式编程按钮给出，这减少了出错的可能性。

HUD 除了在武器投送和射击方面的功能外，还显示姿态和飞行数据。操纵杆上的武器选择器开关自动将雷达和 HUD 调节到所选武器的参数（响尾蛇/麻雀/M61），操纵杆上安装的自动锁定开关允许瞄准线、HUD 视野或偏离瞄准线的锁定. 安装在油门上的目标指示器控制器可以快速更改雷达参数。这三个控制装置允许飞行员在双手不离开控制装置的情况下进行视觉或传感器辅助交战，这是战斗飞行员应该欣赏的一个因素。

这种系统的最大优点是它的多功能性，因为显示器的操作模式是由外部编程指定的，显示的图像取决于从中获取图像的传感器。未来的应用程序将强调这些要点，因为很明显，集成驾驶舱系统将继续存在。

传统 HUD 的最大缺点是其固有的小视野，这取决于光学器件/CRT 组件的直径，因为涉及的另一个因素，即合成器和飞行员眼睛之间的距离，由驾驶舱配置决定。使用更大直径的准直器/CRT 系统的看似简单的解决方案是不切实际的，如果没有其他原因，只是涉及的绝对重量和尺寸。衍射光学是解决这个问题的一种可能方法。衍射的物理现象已经为人所知有一段时间了，为了以后的理解，我们将检查衍射光栅的行为。衍射光栅是一块透明材料板，其一侧覆盖有紧密间隔、平行、不透明线（间距等于所涉及光的几个波长）。如果我们通过光栅照射光，就会发生一种称为干涉的效应。我们可以通过光栅观察单色（一种颜色波长）光源来观察这一点。除了实际图像，我们还将看到一系列叠加在背景上的逐渐褪色的图像。

对于水平光栅，这些位于实际图像的上方和下方。在衍射 HUD 中没有准直透镜，该功能由组合器本身接管。这简化了系统并减轻了重量，同时实现了更大的视野。衍射 HUD 的组合器是一个曲面（球面）；它的表面还有一个衍射光栅型图案，实际上是看不见的。如果将单色光源置于组合器的光焦点中，衍射将使组合器反射光源的光（以特定角度），并且其曲率将准直光源的图像。以这种方式，组合器用作 CRT 投影图像的准直器，同时对来自外部世界的光保持透明。

与传统系统相比，这种配置具有许多优点。除了 FOV 之外，衍射系统需要更少的光来实现相同或更好的亮度 - 传统设备中使用的部分反射没有损失，这反过来意味着低功率 CRT，具有它们的所有优点。消除组合器的反射率还意味着，更多的光可以通过组合器，从而提高边缘条件下的能见度。一年中大部分时间的能见度低是欧洲战区的标志 - 这是美国空军决定将其 F-16 和 A-10 部队升级到全天候/昼夜标准的主要原因，这是通过HUD 改造与 FLIR 相机的安装相结合。LANTIRN——夜间低空红外目标导航——的合同授予了马可尼航空电子公司。不幸的是，在这个阶段，很少有关于 LANTIRN HUD 的发布，它将能够在电视光栅扫描中显示广角 FLIR 图像，同时显示传统的符号系统。从照片上看，LANTIRN HUD 通过反射玻璃使用 CRT 图像的背投，这与 Hughes 测试的早期“DHUD”不同，后者使用正面投影。很明显，衍射 HUD 与传统 HUD 相比具有一系列优势 - 衍射系统很可能会主导未来的设计。它将能够在电视光栅扫描中显示广角 FLIR 图像，同时显示传统的符号系统。从照片上看，LANTIRN HUD 通过反射玻璃使用 CRT 图像的背投，这与 Hughes 测试的早期“DHUD”不同，后者使用正面投影。很明显，衍射 HUD 与传统 HUD 相比具有一系列优势 - 衍射系统很可能会主导未来的设计。它将能够在电视光栅扫描中显示广角 FLIR 图像，同时显示传统的符号系统。从照片上看，LANTIRN HUD 通过反射玻璃使用 CRT 图像的背投，这与 Hughes 测试的早期“DHUD”不同，后者使用正面投影。很明显，衍射 HUD 与传统 HUD 相比具有一系列优势 - 衍射系统很可能会主导未来的设计。

原作者：Australian Aviation & Defence Review, March, 1981by Carlo Kopp

链接：http://www.ausairpower.net/TE-Fighter-Cockpits.html