2020年底，戰(zhàn)機(jī)頭盔顯示器這一高科技飛行裝具引發(fā)軍迷熱議。
近年來(lái)，在頭盔顯示器研發(fā)與使用方面，世界各國(guó)始終在積極適應(yīng)實(shí)戰(zhàn)需求，不斷展開(kāi)角力。美軍幾經(jīng)反復(fù)，才使F-35戰(zhàn)機(jī)有了堪用的頭盔顯示器，如今又開(kāi)始考慮為其延壽。早在2017年，就有消息稱俄羅斯軍方將接收先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)頭盔。以色列在這方面不僅“自給”有余，還開(kāi)始為其他國(guó)家提供頭盔顯示器。英國(guó)BAE系統(tǒng)公司則在2019年公布了其“前鋒II”先進(jìn)頭盔顯示器的最新設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)。
那么，戰(zhàn)機(jī)頭盔顯示器的功用究竟如何？現(xiàn)在它發(fā)展到哪個(gè)階段?今后會(huì)朝哪個(gè)方向發(fā)展？請(qǐng)看專(zhuān)家解讀。
如果要問(wèn)飛行員身上哪個(gè)裝具最具科幻感，相信多數(shù)人會(huì)選擇“頭盔顯示器”。
但是，頭盔顯示器絕非只有顏值，稱得上是“顏值與實(shí)力兼具”。它可像普通頭盔一樣佩戴使用，卻能夠顯示各類(lèi)飛行和作戰(zhàn)關(guān)鍵信息，不影響飛行員觀察外部環(huán)境，還能夠與飛機(jī)的火控系統(tǒng)自動(dòng)交聯(lián)，使發(fā)現(xiàn)、瞄準(zhǔn)、攻擊等動(dòng)作一氣呵成。
一頂性能優(yōu)良的頭盔顯示器，無(wú)疑是飛行員駕馭戰(zhàn)機(jī)作戰(zhàn)的得力助手。
貼臉更貼心的多功能頭盔
在瞬息萬(wàn)變的現(xiàn)代空戰(zhàn)中，飛行員既要抬頭觀察外部環(huán)境、低頭查看座艙內(nèi)各種儀表及顯示器上的信息，還要操作火控雷達(dá)等傳感器、對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤瞄準(zhǔn)，戰(zhàn)斗操作壓力之大是常人難以想象的。
頭盔顯示器的出現(xiàn)，提供了滿足上述需求又可為飛行員“減負(fù)”的一體化解決方案，即作為高效率的人機(jī)交互手段，為飛行員提供安全防護(hù)、信息顯示、跟蹤瞄準(zhǔn)等主要功能。為了更好地發(fā)揮作用，一些類(lèi)型的頭盔顯示器還有單獨(dú)定制款，甚至?xí)鶕?jù)飛行員的頭型來(lái)塑形，稱得上是貼臉更貼心。
一是安全防護(hù)功能。具備安全防護(hù)功能是對(duì)頭盔顯示器的常規(guī)要求。通過(guò)盔體外形與結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，集成氧氣面罩、耳機(jī)、護(hù)目鏡、氣囊等組件，它能提供防碰撞、降噪音、保供氧、抗過(guò)載等多種功能。
二是信息顯示功能。頭盔顯示器能夠?yàn)轱w行員顯示本機(jī)飛行高度、速度、姿態(tài)等信息，還能夠顯示機(jī)載武器的詳細(xì)狀態(tài)，而不必像佩戴傳統(tǒng)頭盔那樣頻繁轉(zhuǎn)頭切換視角。
三是跟蹤瞄準(zhǔn)功能。它在這方面發(fā)揮作用的原理與流程是：借助一定技術(shù)手段，對(duì)盔體位置變化進(jìn)行定位，對(duì)飛行員視線角度的變化進(jìn)行解析，相關(guān)信息上傳給機(jī)載火控系統(tǒng)后，近距空空導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭，會(huì)隨著飛行員的視線轉(zhuǎn)動(dòng)，使其快速截獲目標(biāo)。借助頭盔顯示器，飛行員能有效減少攻擊目標(biāo)時(shí)的操作動(dòng)作，縮短攻擊時(shí)間，充分發(fā)揮空空導(dǎo)彈大離軸角發(fā)射打擊目標(biāo)的能力。
選擇不同，頭盔顯示器的功能在細(xì)節(jié)上也各異
從結(jié)構(gòu)上講，完整的頭盔顯示器除盔體外，其組成部分還包括顯示模塊、定位模塊等。
顯示模塊要確保飛行員既能看到特定字符和圖像，又能看到外部環(huán)境，通常以“半透半反”方式產(chǎn)生及顯示信息。其根據(jù)技術(shù)路線的差異，通常分為投影式、OLED、光波導(dǎo)等。
在頭盔顯示器小型化、輕量化、可靠性等方面，采用不同技術(shù)路線各有其利弊，不同頭盔顯示器會(huì)采用不同的組合。一些戰(zhàn)機(jī)的聯(lián)合頭盔顯示器會(huì)采用雙目投影顯示技術(shù)，而一些型號(hào)的直升機(jī)頭盔顯示器則采用單目OLED顯示。
定位模塊旨在實(shí)時(shí)解算頭盔位置及飛行員的視線角度信息，主流技術(shù)途徑包括電磁定位、光學(xué)定位等。
電磁定位裝置主要由頭盔上的信號(hào)接收模塊和座艙內(nèi)的信號(hào)發(fā)射端等組成，通過(guò)感知不同位置的電磁信號(hào)變化，從而解算出準(zhǔn)確的頭盔位置。如F-16戰(zhàn)機(jī)所用的聯(lián)合頭盔引導(dǎo)系統(tǒng)，其定位模塊即采用電磁定位。
光學(xué)定位則是通過(guò)特殊的定位標(biāo)記，以圖像解算方式獲取頭盔的準(zhǔn)確位置。“陣風(fēng)”戰(zhàn)機(jī)的“打擊者”頭盔顯示器即采用光學(xué)定位。
上述兩種方式各有利弊。電磁定位的優(yōu)點(diǎn)在于頭盔上模塊較小，減重效果明顯，缺點(diǎn)是對(duì)電磁信號(hào)精密測(cè)量要求高；光學(xué)定位的好處是精度高，不足之處在于需要在盔體上安裝特殊的發(fā)光點(diǎn)，因此頭盔輪廓和重量相對(duì)較大。
近年來(lái)，隨著微機(jī)電陀螺技術(shù)的發(fā)展，形成了視覺(jué)和微機(jī)電陀螺組合定位方法，既可減小體系重量，又能降低全套系統(tǒng)的復(fù)雜程度。
從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，技術(shù)更成熟、功能更完備
戰(zhàn)機(jī)頭盔顯示器自20世紀(jì)70年代誕生以來(lái)，已有近50年歷史，先后經(jīng)歷了頭盔瞄準(zhǔn)具、單目頭盔顯示器、雙目頭盔顯示器等幾個(gè)發(fā)展階段。
頭盔瞄準(zhǔn)具僅在飛行員眼前顯示簡(jiǎn)單的瞄準(zhǔn)符號(hào)，如十字或圓圈。南非的幻影F1AZ戰(zhàn)機(jī)較早裝備了頭盔瞄準(zhǔn)具，用于引導(dǎo)法制V3Z紅外制導(dǎo)空空導(dǎo)彈，效果較好。該類(lèi)產(chǎn)品隨后在俄羅斯蘇-27、米格-29等戰(zhàn)機(jī)上大范圍運(yùn)用，能夠?qū)崿F(xiàn)R-73近距空空導(dǎo)彈的大離軸發(fā)射，顯著提升了戰(zhàn)機(jī)近距離格斗能力。
頭盔瞄準(zhǔn)具能提供的信息量有限。于是，具有更強(qiáng)顯示能力的單目頭盔顯示器在20世紀(jì)90年代應(yīng)運(yùn)而生。
其代表性產(chǎn)品為美空軍目前廣泛裝備的聯(lián)合頭盔引導(dǎo)系統(tǒng)。該產(chǎn)品先后發(fā)展了兩代，陸續(xù)裝備于F-15、F-16、F-18等系列戰(zhàn)機(jī)，并出口日本、韓國(guó)等國(guó)家。它采用可拆卸的高度集成化模塊設(shè)計(jì)，可在20度左右圓形區(qū)域內(nèi)單目顯示飛行信息及武器瞄準(zhǔn)符號(hào)。
單目頭盔顯示器顯示視場(chǎng)相對(duì)較窄，使用時(shí)由于飛行員雙眼看到的信息不同，容易誘發(fā)“雙目競(jìng)爭(zhēng)”效應(yīng)。
進(jìn)入21世紀(jì)后，頭盔顯示器開(kāi)始向雙目顯示、彩色顯示升級(jí)，代表性產(chǎn)品包括“陣風(fēng)”戰(zhàn)機(jī)上的“打擊者”頭盔顯示器和F-35戰(zhàn)機(jī)的聯(lián)合頭盔顯示器。
F-35戰(zhàn)機(jī)聯(lián)合頭盔顯示器集成了夜視攝像頭，結(jié)合飛機(jī)上安裝的紅外成像設(shè)備，能夠以“畫(huà)中畫(huà)”方式顯示飛行信息、實(shí)時(shí)影像、火控信息等。
研制門(mén)檻高，想要做出“硬核”頭盔不容易
雖然各國(guó)飛行員都渴望用上更好的頭盔顯示器，但目前真正廣泛服役的頭盔顯示器并不多。主要原因在于相關(guān)研發(fā)技術(shù)和要求的確不低：
一是研制技術(shù)難。頭盔顯示器的研制涉及人機(jī)工程學(xué)、微電子學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)、精密加工與裝配等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，研制門(mén)檻高，實(shí)現(xiàn)難度大，目前國(guó)外也僅有羅克韋爾·柯林斯、埃爾比特、泰雷茲等少數(shù)幾個(gè)飛機(jī)航電系統(tǒng)公司具備相關(guān)研發(fā)能力。
二是平臺(tái)要求高。頭盔顯示器要想發(fā)揮作用，首先是戰(zhàn)斗機(jī)要具備先進(jìn)的航電系統(tǒng)，能夠掛載先進(jìn)的大離軸攻擊近距空空導(dǎo)彈。為了便于測(cè)量定位，還需要對(duì)座艙進(jìn)行專(zhuān)門(mén)改造。
三是使用負(fù)荷大。由于集成的功能模塊較多，頭盔顯示器的重量一直較大。一些戰(zhàn)機(jī)上的聯(lián)合頭盔顯示器重量近2千克，在空戰(zhàn)機(jī)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于頭上頂著10-15千克重的物體。
四是系統(tǒng)價(jià)格貴。受多種因素的影響，戰(zhàn)機(jī)頭盔顯示器的成本較高，采購(gòu)價(jià)格也一直居高不下。據(jù)相關(guān)報(bào)道，美國(guó)F-35戰(zhàn)機(jī)配裝的聯(lián)合頭盔顯示器，單套采購(gòu)價(jià)格高達(dá)40萬(wàn)美元。
由此來(lái)看，盡管一些飛機(jī)的軟硬件支持頭盔顯示器運(yùn)行，但飛行員仍然不能實(shí)現(xiàn)人手一頂，這種情況在一些國(guó)家的空軍中出現(xiàn)，并不出人意料。
運(yùn)用多種新興技術(shù)，升級(jí)換代未來(lái)可期
目前，世界范圍內(nèi)三代半以上的戰(zhàn)機(jī)普遍能夠裝備頭盔顯示器，如美國(guó)的F-15、F-16、F-18E/F、A-10C，瑞典的“鷹獅”、法國(guó)的“陣風(fēng)”、歐洲的“臺(tái)風(fēng)”等。
未來(lái)隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，頭盔顯示器的集成度、輕量化、模塊化水平將會(huì)進(jìn)一步提高，價(jià)格也會(huì)更加親民，屆時(shí)必將成為每位戰(zhàn)機(jī)飛行員的標(biāo)配，讓飛行員在空中作戰(zhàn)時(shí)如臂使指、如虎添翼。
除持續(xù)提升頭盔顯示器性能外，戰(zhàn)斗機(jī)相關(guān)跟蹤瞄準(zhǔn)技術(shù)仍在不斷發(fā)展，熱門(mén)技術(shù)方向主要包括語(yǔ)音控制、腦機(jī)接口、眼動(dòng)跟蹤等。
運(yùn)用語(yǔ)音控制技術(shù)，能夠通過(guò)增加一個(gè)操控指令通道，進(jìn)一步減輕飛行員操作壓力。事實(shí)上，目前語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)已趨于成熟，應(yīng)用于頭盔顯示器已為時(shí)不遠(yuǎn)。
運(yùn)用腦機(jī)接口技術(shù)，可通過(guò)采集飛行員腦電波活動(dòng)規(guī)律和作戰(zhàn)指令，輸出至飛機(jī)航電系統(tǒng)。從理論上看，采用該技術(shù)后，可以讓飛行員實(shí)現(xiàn)“心動(dòng)即行動(dòng)”，給空戰(zhàn)人機(jī)交互帶來(lái)全新變化。
運(yùn)用眼動(dòng)跟蹤技術(shù)，可以解決大過(guò)載機(jī)動(dòng)條件下，飛行員頭部不易大范圍轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的瞄準(zhǔn)困難等問(wèn)題。應(yīng)用該技術(shù)后，飛行員只需要眼球轉(zhuǎn)動(dòng)始終盯著目標(biāo)，眼動(dòng)跟蹤裝置就能幫助飛行員完成瞄準(zhǔn)。
這些新技術(shù)的逐步成熟與應(yīng)用，將在不久的將來(lái)引發(fā)頭盔顯示器的新一輪變革。
圖①：頭盔顯示器支持近距空空導(dǎo)彈大離軸發(fā)射；
圖②：“陣風(fēng)”戰(zhàn)機(jī)的“打擊者”頭盔顯示器；
圖③：俄羅斯Shchel-3UM頭盔瞄準(zhǔn)具；
圖④：JHMCS第二代頭顯產(chǎn)品。
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（作者單位：空軍研究院）
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