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軍事論壇

【軍事論壇】戰機頭盔顯示器功能進化與發展

◎寧博

 現代戰機座艙中的標準配備是頭盔顯示器(Helmet Mounted Display, HMD),整合戰機飛行資訊與武器系統,提供飛行員「看到哪裡就打到哪裡」的能力。 

  頭盔顯示器的基本構思,是利用飛行員眼球作為瞄準提示裝置,將飛彈尋標頭對準目標,快速鎖定和發射飛彈。由於僅須飛行員轉動頭部,飛機就幾乎無須在威脅環境下運作,既省時、增加生存性,又擴大致命性。此外,飛行員也可藉著頭盔顯示器所提供的飛行資訊,清楚得知戰機飛行狀態。

 整合射擊介面 看哪打哪

  第4代紅外線導引飛彈出現後,例如俄國的空對空AA-11弓箭手飛彈以及稍後出現的以色列蟒蛇4式飛彈,都具有很大的非瞄準線攻擊能力,通常超過60度弧度,而用以捕獲和追蹤目標的雷達,卻因機械式結構在此時很難轉到超越此一角度,由於雷達在機首空間的限制和驅動雷達的伺服電機馬達擺動頻率無法跟上,導致頭盔顯示器在沉寂10年後重現江湖。接著英國AIM-132先進短程空對空飛彈與美國AIM-9X響尾蛇飛彈陸續問世,將瞄準射擊介面整合到頭盔顯示器成為必要配備。

 為能設計穩健的HMD性能,技術上須解決涵蓋下列問題:

 一、精準度:由於頭盔用於瞄準飛彈必須精確量測和完整配合飛行員頭型,飛行員眼睛所見與顯示板導出視線(LOS)之間的角度誤差必須趨近於零,方能使配合飛行員所見即瞄準所欲獵殺目標。

 二、迴轉速率:飛行員迴轉頭盔時最大角度速率之下,系統仍然可以產生準確的測量值。

 三、視線範圍:瞄準鏡視線涵蓋的精確測量角度範圍。

 四、重量和平衡:頭盔和瞄準器組件的整體重量,戰機高G動作對於重心範圍的影響,飛行員使用過程的疲勞程度,彈射是否會帶來安全問題等,頭盔重量一直都是戰機飛行員最大的問題,不過這對於直升機飛行員而言就不會太嚴重,因為直升機運動程度不會像戰機激烈。

 五、光學特性:瞄準具的校準精度校正、顯示符號清晰、飛行員的瞄準是否聚焦在無限遠處,單眼與雙眼所見影像,眼睛主視在哪邊,雙眼彼此交錯等。

 六、耐用性:頭盔設計需要堅固耐用,可以耐得住日常運作的磨損。

 七、操作介面:頭盔與戰機武器系統的連接,以及使用上彈性與靈活性。

 八、成本:整套系統及其支援電子設備成本必須在可接受的範圍。

 飛行員頭部定位至為關鍵

  除此之外,整個HMD設計關鍵在於頭盔本身的絕對位置,因為其直接涉及前述的技術問題諸如準確性、迴轉率、視線範圍、重量和耐用性等,感測器必須能精確量測得到飛行員的頭部相對於機身的仰角、方位角和傾斜度等,頭部位置感應目前使用兩種基本方法,即光學法和電磁法。光學法是用建構在飛行員座位後方的紅外探測器感應頭盔上諸多的紅外發射器,藉以測量飛行員頭部位置,此法的缺點是觀測場域的限制與太陽光的敏感度影響;電磁法則是運用頭盔運動所產生的電磁感應差異決定其量測位置,但其也有限制,首先是電磁產生器線圈放置在座艙內,必須有適當的覆蓋範圍和合適的視野,因而會對座艙內其他次系統造成影響,另外也須防止電磁干擾對其布線所產生的破壞。

  在頭盔光學部分,為能提供參考的標線放置於目標上,必須將戰機與目標之間的視線連結至標線和飛行員眼睛之間,而這種標線虛像必須處於無窮遠的焦點之外。因此廠商會在頭盔中採用緊湊的LED的管狀光源,並使用合適的光學玻璃組合將投影圖像聚焦到飛行員的護目鏡上,透過匹配具有適當曲率的護目鏡形狀及光學鏡片與晶片組合,使得飛行員可以無窮遠聚焦方式,在視角10度和30度之間看到標線與相關資訊。由於飛行員必須使其眼睛始終與視線對齊,因此必須將跟蹤移動物件的頭部和眼睛運動進行自然結合,目前大都透過眼動儀以微型數位相機和紅外線LED來照亮瞳孔,測量瞳孔的形狀和位置的變化來達成,而結合頭部位置和眼睛位置的測量值可以解決現有HMD技術相關問題。通常飛行員看見的符號除1組十字星狀準線,也有飛彈狀態數據、雷達搜索和關鍵飛行數據,例如速度、攻角、高度與地平線,另也可由外部前視紅外線感測莢艙與夜視裝備(矽化鉑近紅外線和銻化銦單芯焦平面陣列成像儀)取得寬視角的夜視功能。

 全球5大廠產品各具特色

 拜現代晶片製程精進,頭盔顯示器的體積和重量已經大幅縮小,捕獲與追蹤目標能力明顯提升。限於光學、電子、電磁與人因工程各項技術的整合,全球頭盔顯示器5大廠商,包括俄國的西鵲Shchel-3UM頭盔顯示器;以色列艾彼特系統公司(Elbit)DASH式頭盔顯示器,以及由此衍生的美以兩國合作的聯合頭盔提式系統(JHMCS);法國達利思公司的高級貓頭鷹式(TopOwl-F)頭盔顯示器;以及英國皮爾京頓光電公司(Pilkington Optronics)為歐洲戰機設計的頭盔顯示器。

 以色列艾彼特公司的衝刺式(DASH)頭盔顯示器,成功結合現有制式頭盔與顯示瞄準系統,其原理是量測飛行員相對於戰機的視線,並將飛機、感測器、航電系統與武器系統的所有資訊附加於視線上,使得導引飛彈與智慧武器都可以鎖定在所見範圍內。該公司新一代的塔戈式(Targo)頭盔顯示器,可應用於軍用與商用飛機上,也可用於直升機,可協助飛行員規劃、演練、飛行與事後簡報的運作過程,並可與全浸式虛擬航電訓練系統相結合,用於訓練與實務演練。

 艾彼特公司與美國洛克威爾柯林斯公司合作開發的JHMCS,用於美軍F-15、F-16和F-18,這款是DASH衍生而來的產品,電磁與光學的部分大致相同,但使用美製較新較高速的處理器模組,此外陰極射線管模組因使用單一綠色之故,顯示性能也較佳,而將夜視鏡加入成為標準配備。隨著具備聚焦平面陣列尋標器與推力向量尾部控制模組的新型AIM-9X飛彈服役,JHMCS所見即瞄準功能擴增至80度,更具有發射後瞄準的能力。

  消弭人機界線 F-35不需HUD

  專為F-35開發的頭盔顯示器除具有JHMCS相同非瞄準軸瞄準與提示功能,也可提供日夜間運作影像,讓飛行員提高環境警覺與執行戰術任務能力。由於F-35 HMD具有精準頭部追蹤能力和低延遲圖形處理能量,更能提供虛擬抬頭顯示器功能,使得F-35成為50年來首架無須抬頭顯示器(HUD)的戰機,僅有1具大型顯示幕位於飛行員前方。

 法國達利思公司旗下的賽克斯頓航電公司所推出的高級貓頭鷹式頭盔顯示器,號稱業界最輕(小於1.5公斤),具備飛行右眼20度視角,利用電磁感測器決定頭部運動位置,並以整合嵌入式設計提供無阻礙的視場空間。另有夜視版本,專用於惡劣天候與夜間空對地任務,使用更複雜的光學,藉以將夜間攝影物件清楚地顯示於液晶螢幕。

 頭盔顯示器為戰機飛行員帶來前所未有的態勢感知能力,減輕工作量並提高反應力 ,可能將普遍配備於各型飛機或戰車等裝備,數位化戰場成為主流,未來發展值得期待。(作者為僑光科大助理教授)

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