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用目光杀死敌人，谈谈战斗机的头盔显示器，飞行员必不可少的装备

2019-10-09 17:09

来源：澎湃新闻·澎湃号·媒体

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现《航空知识》国庆70周年大阅兵增刊预售开启！增刊详情介绍：��飞行员头盔原本是一种简单的防护装备，但在结合了头部跟踪技术和符号显示系统后正日益变为飞行员获取信息的主要方式，从而大幅提高飞行员的态势感知能力。

从空战诞生之日开始，飞行员的态势感知就对空战胜负和自身生存至关重要。在最初的日子里，摆在飞行员面前的只有转速表、高度表和罗盘，而现代飞行员在空战中不仅要时刻注意座舱外的动向、还要不时低头查看座舱仪表和显示器。

随着技术的发展，座舱仪表和显示器显示的信息也随之增多，越来越多的信息导致了飞行员无所适从，无法快速找到自己需要信息。因此，简化和帮助飞行员吸收信息成为战斗机人机界面的一个重要设计目标，必须先使用机载计算机对信息进行简化和分类，再呈现给飞行员。此外，随着一系列大离轴角近距空空导弹和新型传感器的出现，如何增大这类武器的发射区也成为亟待解决的问题。

自20世纪70年代中期以来，军用直升机和战斗机已普遍装备了头盔瞄准具。战斗机头盔瞄准具一开始非常简陋，仅能用于控制红外制导空空导弹的瞄准。导弹引导头能根据飞行员的头部运动快速对准目标，实现大离轴角发射，不再需要飞行员努力机动把机鼻对准目标。

南非空军的“幻影”F1AZ飞行员率先在实战中使用头盔瞄准具，并取得良好效果。美国霍尼韦尔公司在20世纪70年代也实机测试了视觉目标获取系统（VTAS），但未被美国空军采用。

南非的“反曲刀”头盔瞄准具，用于与V3A近距空空导弹配合

安装了AV8-8 VTAS的APH-6A头盔，有一个伸到飞行员眼前的反射镜，飞行员把镜片中的准星指向目标就能使空空导弹引导头对准目标

苏联米格-29“支点”和苏-27“侧卫”代表着头盔瞄准具技术的一场革命。这两种战斗机从问世的第一天起就整合了Shchel-3UM头盔瞄准具和红外搜索与跟踪（IRST）系统，让R-73（AA-11“射手”）红外制导空空导弹具有了强大的近距作战能力。这是头盔瞄准具发展史上的一个分水岭，使北约国家正视差距，认真对待头盔瞄准具的发展。

俄罗斯米格-29和苏-27的头盔瞄准器采用了相似的设计

镜片中显示的简易准星

20世纪90年代初，以色列Elbit公司研制出与“怪蛇IV”空空导弹配套的显示和瞄准头盔（DASH）。美国在这种头盔的基础上于90年代后期研制出联合头盔提示系统（JHMCS），来与新一代近距导弹AIM-9X配套，被统称为大离轴角系统（HOBS）。JHMCS和AIM-9X组合首先装备了F-15C。

以色列的DASH头盔已经是以色列F-15/16战斗机的标准装备

DASH和JHMCS两种头盔也增加了符号显示功能，除了用于控制导弹引导头和瞄准吊舱传感器外，JHMCS在后来也实现了把关键飞行数据投射在遮光镜上的功能，从头盔瞄准具进化成了头盔显示器。

JHMCS头盔可以被看做是一个头戴的平显系统

JHMCS的遮光镜显示组件

因此从理论上来说，可以把关键飞行数据和目标数据都从平显上移除，统统投射在头盔显示器的遮光镜上，让飞行员在空战中能更好地使用空空武器攻击敌机，不再需要操飞机把机鼻对准目标，然后通过平显瞄准。

经过多年发展后，头盔显示器不仅能够为飞行员提供“先敌发射、先敌攻击”的大离轴攻击能力，还使他们在做大过载机动时也能控制机载武器和传感器的瞄准。头盔显示器的遮光镜不仅能显示瞄准符号和飞行参数，还能显示视频和前视红外图像。

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尖端头盔显示器

目前全球已经有多种头盔显示器服役，预计在不久的将来，头盔显示器将成为飞行员作战时必不可少的装备。

JHMCS和“蝎子”头盔

在Elbit系统和罗克韦尔·柯林斯公司联合研制出JHMCS后，美国空军立即在F-15C上应用了这个设备。目前JHMCS已经普遍装备美国现役战斗机并销往多个国家。

佩戴JHMCS的F-15飞行员

但令人奇怪的是，美国空军的终极战斗机F-22“猛禽”居然一直没有装备JHMCS。原因不得而知，有消息说是因为F-22与JHMCS整合问题一直没有得到解决。

装备“蝎子”头盔的Block 30 F-16C

“蝎子”头盔具有彩色符号显示能力

2014年初，美国空军评估了给F-22装备更新更便宜的泰利斯“蝎子”头盔显示器的可行性，但整合工作一直没有进展。“蝎子”头盔显示器目前已装备美国空军的F-16 Block 30和A-10C，并成为这两种飞机的标准装备。与JHMCS使用螺栓固定在标准Gentex HGU-55头盔上的单色遮光镜显示器相比，泰利斯头盔采用彩色单片式右眼显示器，视场26度x20度，可显示武器瞄准和关键飞行数据。更重要的是这种单片式显示器兼容夜视镜（NVG），泰利斯表示位于飞行员的眼睛和夜视镜之间的超薄显示器始终可以显示彩色的符号系统，客户能根据作战需要和航空惯例选择显示红色、橙色或绿色符号。

JHMCS的显示组件，取代了HGU-55/P飞行头盔原来的护目镜

JHMCS依靠座舱中的磁场来感测头盔的姿态，而“蝎子”可使用磁跟踪器或混合光学/惯性跟踪器来感测头盔姿态。

F-16座舱盖内侧的JHMCS位置传感器

虽然JHMCS已非常受欢迎，但无法兼容夜视镜，飞行员在夜间任务中要拆下遮光镜换上夜视镜。目前最新的头盔显示器已集成夜视功能，并引入其他一些增强功能，如三维音频。

HMDS头盔显示器系统

洛克希德·马丁公司的高级F-35试飞员比利·弗林这样描述自己使用该机头盔显示器的感受：“我按航线飞行，扭头向左度看去，不必把头转回中央仪表板就能看到浮现在眼前的空速和高度信息。这是件很棒的事，我正在改变自己获取信息方式。”弗林是退役加拿大空军中校，曾参加1999年在科索沃和塞尔维的空中作战。

F-35试飞员比利·弗林

看来弗林已经习惯了F-35标配的先进头盔显示器，这种最新的头盔显示技术完全取代了平显。F-35的三种改型都配备了罗克韦尔·柯林斯ESA视景系统公司（RCEVS，Elbit系统公司和罗克韦尔·柯林斯合资组建）生产的第三代头盔显示器系统（HMDS Gen III），这种头盔内置两个液晶显示器，能同时为左眼和右眼提供彩色图像。

F-35的第三代头盔显示器系统

除了被用作虚拟平显外，重2.2千克的HMDS还提供了40度视场的数字化夜视、画中画视频显示、录像、主动降噪和透视功能！最后一个功能最为有趣，能让飞行员穿透机身看到外部景象。这个功能是通过F-35的分布式孔径系统（DAS）实现的，该系统围绕机身布置的6台红外摄像机提供的红外影像被无缝合成为显示在头盔中的全景图像，让F-35在低头直视座舱地板时就能够看到地面的红外图像。比尔·弗林说：“头盔DAS图像的清晰度和精确度令人惊喜，大大增强了飞行员在夜间飞行时的态势感知。以前我们佩戴夜视镜飞行时就好像透过两根吸管向外看。头盔显示器在我眼前呈现出视场宽广得多的图像，不管我头部转向何方，都能看到DAS图像，真是一个神奇的功能。”

在模拟器上演示的穿透座舱地板看地面

HMDS的研发一直伴随着图像延迟、抖动和夜视分辨率过低的问题，其中大部分都是与DAS集成的数字夜视传感器引起的。弗林解释说：“在动态飞行中以令人惊讶的清晰度显示夜视图像是一项棘手任务。”由于测试团队没有专门用于测试头盔的飞机，这就意味着“我们没有办法去查找未知问题，只能等头盔装备F-35后再逐一解决，就在我们排除问题的同时，大量负面新闻也就随之而来了。”弗林估计如果把一架F-16改装成完全符合要求的头盔测试机，怎么也要花上一年时间。

与白天相比，弗林同样喜欢夜间飞行，此时HMDS的数字夜视系统开始发挥重要作用。弗林说：“夜间飞行总是令人紧张，DAS和夜视传感器能让我们在夜间飞行中具有比以往任何时候都好的态势感知。”HMDS Gen III的数字夜视视场有40度，主要用于观察座舱外情况，由于DAS的存在，在夜间有时甚至无需启动夜视功能。

头盔正中的数字式夜视传感器

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航空知识五星歼-20 刺绣棒球帽

“打击者II”头盔

BAE系统公司的“打击者”头盔也被称为头部设备组件（HEA）或头盔瞄准系统（HMSS），现已经装备欧洲“台风”战斗机以及瑞典、泰国和南非空军的“鹰狮”战斗机（在鹰狮上被称为“眼镜蛇”头盔），但只具备白天能力。

“台风”飞行员长满麻点的“打击者”头盔

在“鹰狮”战斗机上被叫做“眼镜蛇”

BAE在测试了各种外挂夜视镜后，决定为“打击者II”头盔集成数字夜视传感器。这种头盔采用了Intevac公司的ISIE-11有源像素夜视传感器，所以无需外挂夜视镜。头盔还采用全新的LED头部跟踪技术，图像通过40度x32度视场的液晶显示器屏投射到遮光镜上。“打击者II”头盔的夜视传感器位于飞行员双眼眉心上方，所拍摄的夜视图像直接由头盔内置处理器进行处理，这样可以避免延迟。无论时视场、舒适度和沉浸感，这种头盔的夜视效果都远超传统夜视镜。

大幅升级的“打击者II”头盔显示器

数字式图像处理方式也有效解决了传统夜视镜遭遇强光时产生的图像闪烁和模糊问题，飞行员不再需要通过两根“吸管”向外张望，所以也不存在视野遮蔽问题。

和泰利斯的“蝎子”头盔一样，“打击者II”头盔也能显示彩色图像。第一代“打击者”头盔采用1280×1024像素的单色显示器，“打击者II”则升级为1920×1080像素的全高清彩色显示器。展现在飞行员眼前的是一个完全重叠的彩色双目显示器，在日光下清晰可读，这点在云层上方的明亮日光环境中尤为重要。虽然“打击者II”采用数字图像处理技术，但完全兼容战斗机的模拟接口，可以通过一个接口盒来接收飞机的模拟信号并将其转换为数字信号，使“传统”战斗机同样能使用这种数字化头盔。

“打击者II”头盔显示器

主动降噪与三维音频

战斗机头盔的另一个有趣的发展趋势是主动降噪技术，HMDS Gen III和“打击者”头盔都已经采用这种技术。BAE系统公司已与丹麦Terma公司合作发展主动降噪和3D音频技术，前者能使飞行员更易听清通讯内容，后者则能通过三维音频警告指示来自任何方向的威胁。3D音频技术还有个有趣应用，那就是让飞行员能听到来自任何方向的通话，如果左侧僚机飞行员和他通话，他能听到声音从左边传来，如果是右侧僚机，他就能听到声音来自右边，如果是地面通讯，那么声音就来自下方，如果与上方的预警机通讯，声音就来自上方。

数字化JHMCS

这是另一种新型头盔显示器，首先在沙特空军的F-15SA上进行了测试。数字化JHMCS也叫JHMCS II，由以色列Elbit公司研制。这种头盔可以使用与JHMCS相同的磁跟踪器，也可使用新的混合光学/惯性头部跟踪器。数字化JHMCS提供了投射在遮光镜上的20度圆形视场显示器，可显示来自任何机载传感器的图像，也可复制座舱显示器内容，兼容不同显示格式。

波音在F-15上测试了数字化JHMCS

但数字化JHMCS缺乏内置夜视功能，仍需外挂夜视镜。Elbit为此提供了一个可显示彩色符号系统的夜视镜目镜，用于替换夜视镜的一个原始目镜，然后通过头盔上的一个适配器与飞机相连后就能在夜视镜上看到显示符号了。数字目镜呈圆形的，厚6.35毫米，也可被用于升级老式JHMCS。

数字化JHMCS的夜视镜目镜可显示彩色符号

提高舒适性

把夜视镜从头盔显示器上去掉是大多数头盔显示器厂家的努力方向。夜视镜对飞行员产生很大限制，飞行员佩戴夜视镜后要注意自己头部的动作幅度，否则不是撞到座舱盖就是碰到平显。此外，夜视镜增加的重量不仅加大了飞行员颈部的压力，还会使头盔重心前移，这种重量不平衡大大阻碍了飞行员做大过载机动。最后，在发生紧急情况弹射时，飞行员必须先取下夜视镜。

A-10飞行员们在调试AN/AVS-9夜视镜

头盔的舒适性对飞行员来说是一件大事。弗林举例说当年新统一的德国空军飞行员普遍不适应前东德米格-29战斗机的头盔，称之为“俄罗斯的野蛮头盔”。这种Zsh-5头盔在设计时完全不考虑重心位置，飞行员在大过载机动中试图扭头控制大离轴角空空导弹时甚至会扭伤脖子。所以德国空军米格-29飞行员最后改用了HGU-55G头盔，并自行集成了头盔瞄准具。

德国米格-29最初的原配Zsh-5+头瞄

后来改为HGU-55G头盔

弗林在试飞生涯中测试过多种头盔：“我飞过‘台风’并在皇家空军CAM（航空医学中心）的‘鹰’式教练机上积累的大量的飞行时间。我们把一名教官塞进座舱，在另一个座舱塞进‘小白鼠’，让他们测试不同头盔。我本人也在‘台风’上当了‘小白鼠’。”

“从博斯科姆比顿起飞拉出3g过载脱离起落航线后，我们向着测试空域飞去，此时我就能感觉到头盔重心是否出现偏移。我们长时间戴着头盔进行飞行、训练和模拟战斗，我本人的最长记录是飞了13个小时。如果头盔不完全贴合头部，你能在不到五分钟的时间里感觉出来，如果不解决这个问题，头盔就会把这次飞行变成一个漫长而痛苦的任务。”

弗林测试过一顶完全不匹配的头盔：“我驾驶CAM的‘鹰’教拉出9g过载，正要对付一架‘阿尔法喷气’，突然间，我发现自己无法控制脖子，因为我的头部在产生过大的力矩。根据杠杆原理，只要头盔重心稍微偏移，就能在大过载机动中产生很大的抬头或低头力矩。所以头盔不仅要贴合头部，还要具有完美的重心。这次飞行后，我觉得自己就好像打了一个星期的橄榄球赛！”此外，头盔在保持舒适性的同时还要尽量降低重量，但做到这点很不容易。

为了把重心保持在限制之内，外挂夜视镜的头盔一般会在头盔后部增加配重，这回进一步增加重量。Elbit公司就把航电盒放置在数字化JHMCS头盔背部，以便在外挂夜视镜时维持重心。根据美国政府研究机构的统计，这种配重设计会使飞行员颈部压力增加40%。

数字化JHMCS把航电盒放在背部来平衡夜视镜重量

F-35的HMDS Gen III和BAE公司的“打击者”系列头盔为了保持舒适性，都会为每位飞行员定制内衬，为此需要精确扫描每位飞行员的头部。定制内衬先装入安装有通讯耳机的内盔，再装入具有头盔显示组件的外盔。飞行员佩戴头盔时要做的第一件事是调整显示器瞳距，让图像中心对准双眼瞳孔。投射在遮光镜内侧的图像焦距被设置成无限远，让飞行员从舱内把视线望向舱外时无需调整焦距就能看清显示内容。

“打击者”头盔的内衬、内盔与外盔

现代头盔显示器甚至能监测飞行员健康。数字化JHMCS有一个被称为“金丝雀”的血液流量传感器，这个紧贴皮肤的传感器能检测血液流量和血氧含量，并提交头盔背后的航电盒进行分析，在疑似发生缺氧事件时及时警告飞行员。这个功能能挽救飞行员的生命，鉴于美国空军和海军的F-22、F-35、F/A-18和T-45都相继发生缺氧事件，所以数字化JHMCS的这个功能无疑会引发军方的兴趣。

直升机头盔

头盔显示器不仅被用于战斗机领域，武装直升机也是该设备的传统用户。AH-64“阿帕奇”武装直升机采用的综合头盔和显示瞄准系统（IHADSS）能把瞄准信息和红外图像直接投射到单片显示器上，头盔也能直接控制30mm M230链炮和机鼻传感器。目前正在研制的“阿帕奇”飞行员综合头盔（AAIH）将具有更强的能力。

美国陆军用于直升机的IHADSS头盔

综合头盔和显示瞄准系统（IHADSS）直接控制30mm M230链炮和机鼻传感器

BAE的“打击者”和泰利斯的“蝎子”头盔也被一些武装直升机选用，泰利斯还专为直升机研制了TopOwl头盔显示器，目前已被16个国家的武装部队选用，其中就包括美国海军陆战队的UH-1Y和AH-1Z。这种头盔在研制初期一直饱受问题的困扰，现在似乎正越来越受到欢迎。TopOwl头盔具有投射在遮光镜上的双目40度视场图像，能显示飞行数据和符号系统，可用于控制机炮，火箭和导弹，并能在头盔两侧外挂夜视镜，以及显示机载前视红外传感器的高分辨率红外图像，还具有障碍物警告功能。