“闪电”之眼——F-35的头盔显示系统

万磁王

原作者：Sydney Carroll
来自空翼

　　“我们已经取消了对平视显示器的需求。相反，头盔把飞机员和飞机联接到一起。”F-35的首席试飞员乔·比斯利说，“我们把一些作战要使用的基本元素，如目标信息、关键的飞行数据以及夜视能力整合到头盔里，使飞行员更全面地了解态势。”
　　这就是 F-35 的头盔显示系统（HMDS），可向飞行员显示受控于头部符号信息，也就是说飞行员的视线决定了显示内容。例如飞行员看向远处的另一架飞机，甚至在他看到这架飞机前，系统就会在面罩上显示出关于这架飞机的位置、身份认证等信息，并自动跟踪这架飞机。如果这架飞机被确认是敌机，那么飞行员就可以根据目标信息来选择武器，而无需在使用操纵杆的同时低头去看座舱显示器。
　　戴夫·帕金斯是 HMDS 项目集成的首席工程师，他说：“无论飞行员朝哪里看，所有的飞行信息都会显示在他们的眼前。”头盔显示空速、高度、爬升率以及所有武器的瞄准信息。头盔甚至会显示飞行员错过的目标。例如，如果有威胁飞来，而飞行员又在看别处，它就会发出警报，提醒飞行员注意。
　　头盔的显示功能也会应用于 F-35 的对地任务中。飞行员在飞行过程中只需简单地看向、定位并点击侧操纵杆的一个指示器就可以标记新的目标位置。然后，数据链系统允许飞行员把目标的精确坐标迅速传给执行同一任务的轰炸机或者战斗机。
　　F-35 头盔还为飞行员提供了独特的能力——可以“透视”他们的飞机，当然不是什么 X 射线装置。头盔显示器可于被称为分布式孔径系统的一组摄像机交联，后者安装在飞机的表面四周，可提供周围 360 度范围的恒定图像。飞行员朝下看时，飞机下方的图像就会显示在头盔显示器中。这个功能不仅在战斗非常有用，也利于海军和海军陆战队的 F-35 型号在航母上或在夜间进行垂直降落。

F-35 头盔显示器生成的叠加符号

　　通过安装在头盔前的夜视摄像机，F-35 头盔还可以把飞行和目标的信息叠加在夜视图像上。比斯利解释说：“到目前为止，还没有一种头盔能同时显示夜视图像和信息符号。”在使用传统的设备时，飞行员必须在这两种功能之间切换。这种结合对于 F-35 飞行员来说是一个巨大的优势，因为所有夜视器材都限制了视野范围。叠加了符号信息后会比单独使用夜视功能更能帮助飞行员了解周围态势。
　　由于显示的内容与飞行员观察的方向有关，因此座椅上安装了磁场发生器，在座舱内产生磁场来检测头盔的方位。当头盔在这个磁场中运动时，头盔上的一个接收器会测量接收到的磁通量。比斯利解释说：“大多数头盔显示器都要求飞行员在每次飞行前进行校准，并且在同一架次的飞行中，他们可能还要进行多次调整，因为测量系统会逐渐产生偏移。而 F-35 的头盔本身具有自校准功能，飞行员无需自行校准。”
　　除此之外，夜视摄像机右侧的白天摄像机可确保图像和符号能正确反应飞行员正观察的方向。“头盔摄像机全时拍摄，以一定频率从拍摄场景中截取一帧图像，并与固定在遮光目镜上的摄像机同时拍摄的图像进行对比，确保视线是一致的。”帕金斯说，“如果这两张照片有一点出入，系统就会自我校正。”

万磁王

演变
　　飞行显示系统已经从越战时战斗机的下视显示器发展成今天 F-16 和其他现代战斗机所使用的平视显示器。不过，没有哪种型号的飞行显示系统能够与 F-35 的头盔显示器相媲美。20 世纪 80 年代，工程师为 F-16 战机开发了“隼眼” 系统，比斯利对该项目进行过试飞。“隼眼” 系统也具有头控功能，目标和飞行信息符号也能够映射在头盔显示器上。不过信息传输过程，图像延迟比较严重。

JHMCS 只能显示目标信息符号，不能显示飞行信息

　　目前的 F-16 飞行员使用联合头盔提示系统，简称为 JHMCS，但是这个系统仅能提供目标信息，而不能提供平视显示器中飞行信息。比斯利指出：“JHMCS 的设计目标中并没有提供飞行信息这一项，如果试图把 F-35 头盔显示系统所要显示的信息增加到 JHMCS 中，等到真正可用时，可能还要等待很长的时间。”

戴起来如同外星人的第一代 HMDS，遮光面罩中间有一道突起

万磁王

　　计算机技术的进步大大缩短了 F-35 头盔显示器的延迟。HMDS 的第一代头盔采用双目光学系统来显示图像和符号，把右边图像投射在遮光面罩内面左侧，左边图像投射在内面右侧。这种分开投射式头盔产生的符号很清晰、遮光面罩中间有一条向下延伸的突起，向两侧呈曲面聚合。虽然分开投射会使视野范围更大，但是视场中间会形成一条竖线，这个方案被证明存在问题。“我们制造了 6 个分开投射式头盔后方案被否决，所以我们仍然要继续研制新的 HMDS。”，比斯利解释说。

第一代头盔向双目投射不同图像的方案被证明是失败的，第二代改为双目投射同样的图像

第二代头盔的遮光镜可但独向上掀起，而不是第一代的遮光面罩那样连同光学系统一起掀起

万磁王

　　第二代 HMDS 是从分开投射式头盔发展而来的，也是世界各地 F-35 飞行员将要使用到的头盔。它的外形与前身很像，也是一个双目系统，但与第一代的分开投射式遮光面罩不同，第二代 HMDS 有一个可以上下翻转、更传统的圆形遮光镜。第一代头盔的遮光面罩是显示系统的一部分，因此飞行员要掀起遮光面罩时不得不关闭整个系统，而不仅仅是掀起遮光镜露出面部。遮光镜的改进使第二代头盔与传统的头盔比较一致。

两代 HMDS 头盔的外观区别

万磁王

规格
　　F-35 盔式显示器的主承包商是加利福尼亚州圣何塞的视觉系统国际公司，简称为 VSI。VSI 是负责研制头盔操作系统的以色列埃尔比特公司和负责制造头盔的罗克韦尔·柯林斯公司的合资企业。洛克希德·马丁公司负责编写头盔显示器的软件和研制成像部分。位于弗吉尼亚州水晶城的 F-35 联合项目办公室负责制定需求、实现功能以及性能测试。
　　第二代头盔由碳纤维和凯夫拉纤维制造。它的重量分布经过精心设计，不会影响飞行员头部的平衡。如果头盔前面太重，大过载可能会使飞行员的头部转向飞机的转弯方向。为了使飞行员能控制头部运动，设计师把光学组件安装到第二代头盔的前上方。
　　每名 F-35 飞行员都将拥有相同第二代 HMDS 头盔。遮光镜使用耐撞击的高强度聚碳酸酯制成。飞行员还可以加装一到两片镜片：一片用于白天的深色太阳镜，一片用于保护眼睛防激光镜。

第二代头盔在遮光罩外还可以安装其他镜片，注意飞行员额头上的两个摄像头，分别是夜视和白天摄像头

　　HMDS 头盔显示器通过两路与座舱连接，获取电力并为飞行员提供符号、图像、氧气和通信服务。第一路是一根电缆从头盔正后方向下穿过飞行服，插到座椅右侧，接电、并飞行系统和传感器连接到 HMD。第二路把氧气管和通信线路连接到飞行员座椅左侧的接口上。飞行员在紧急情况下弹射时，这两路连接会自动断开。

万磁王

测试
　　对 HMDS 实施的全部测试也是所有 F-35 部件都必须经历的：温度、高度、振动、电气、校准以及一般规格测试。工程师们还进行了详细的安全研究，确保头盔能对飞行员头部进行保护。例如，把头盔戴在一个具有全套装备的人体模型身上，放在一个能残生强风的风洞中，模拟飞行员弹射后所要承受的 600 节的瞬间气流。还被佩戴在一个安装了传感器的模拟人头上从 8 米高的地方跌落到一块钢板上，来测试其安全性能。头盔还经过了一次模拟弹射，以确保对飞行员的充分保护。在 HMDS 被确认可以用于作战之前，它必须安然无恙地经过强风、冲击和弹射实验。

第二代 HMDS

　　通信系统也经过了仔细测试，确保友军能够接收所有信息，而敌军却无法拦截。还测试了降噪耳机。通信系统还经过了噪音和电子干扰测试：F-35 战机的飞行员必须能清晰地与地面和空中的友军进行交流。与此同时，通信系统中的电子设备也要经过了监听测试，确保通话不被敌军侦听。

万磁王

调整安装
　　全世界大约 8,000 名 F-35 飞行员中的每人都将获得针对他（她）本人定制的头盔。合适的头盔对于安全和符号的正确显示来说都至关重要，因为 HMDS 头盔显示器功能的发挥依赖于光学系统的精确定位。光学系统在飞行员眼睛正前方的遮光镜上投射图像，形成两个绿色斑点。比斯利解释说：“如果大过载时头盔变形，绿色斑点就漂移，使飞行员失去所有的符号。如果绿色斑点不在眼睛正前方，飞行员就不会通过 HMD 看到任何符号。这称为‘出瞳’。这就是为什么头盔必须要合身且严格定位的原因。”

图像要正确投射在双眼前，负责就会出瞳，使飞行员看不到符号信息

　　量身打造 HMDS 的过程与它的性能一样是高科技。首先，飞行员戴上一个软帽，这样他（她）的头部就可以经过激光扫描，创建一幅计算机轮廓图。创建的三维图像决定了飞行员需要的头盔外形是小号的、中号的还是大号的。然后用铣床根据三维图像挖出头盔外壳内的泡沫塑料，这样能非常贴合飞行员的头部。
　　第二步，技术人员使用头部扫描的数据定位光学系统。先测量飞行员两眼之间的距离，眼睛到遮阳罩之间的距离（出瞳距离）、以及眼睛到头顶之间的距离。出瞳距离决定了投射器可以移动的范围而飞行员仍能看到图像。眼睛到头顶的距离用来定位光学系统，以获得最佳的图像尺寸。
　　为了安装遮光镜，飞行员需要戴上氧气面罩，然后可以手动微调镜片的位置。帕金斯说：“我们必须手动调节遮光镜，因为我们不想它接触到出自身固定装置外的任何东西。否则会扭曲飞行员看到的图像。”遮光镜和氧气面具之间会有一个很小的间隙，这样在过载时允许进行轻微的移动。不过这个间隙要足够紧密，防止弹射过程中碎片伤害飞行员的眼睛。帕金斯补充说：“我们正在寻找一种对脸部进行分析以迅速调整遮光镜的方法，但是目前我们只能手动调节。”

第二代头盔遮光镜和氧气面罩之间留有空隙利于大过载时相互间避免碰撞

万磁王

　　为了测试适配程序，4 名 F-35 飞行员前往英国飞了皇家空军的鹰 T.MK.1A 教练机，他们带着 HMDS（不是整个系统）飞了 9 个 G 的过载，以测试是否会出瞳。比斯利说：“结果非常好。所有飞行员的头盔都在正确位置进行了显示，这是真正的成功。我们了解到，头盔的性能个适配系统运作正常。”
　　随着与 F-35 相伴而来的第二代系统的顺利进展，越来越多的飞行员将学习使用先进的 HMDS 进行飞行。比斯利，这位使用头盔显示器飞行超过 20 年的资深飞行员预测，对于新飞行员来说没有适应问题，不管他们是刚从飞行学校毕业的，还是从飞其他战斗机转飞 F-35 的。
　　“首先我们会让事情很容易，因为头盔是新的”，他说的是训练过程。”飞行员会在模拟器上使用 HMDS 训练一段时间，但真正飞行还是有些不同。我听到的最好证词是：在他们这样飞行一段时间之后，飞行员会忘记面前的符号是在头盔上生成的。”

在近期试飞中 F-35 飞行员佩戴的第二代头盔

万磁王

附录
　　F-35 的头盔显示器部分目前出了相当大的麻烦，本来这个世界上最为先进的头盔显示器项目是由 VSI 公司负责的，他们从 09 年到现在为 F-35 原型机提供了外形很科幻的头盔。但这个头盔有不少问题，特别是和 F-35 的另一个“未来”设备——分布式多孔径光电传感器系统配合起来使用的时候，就会出现一些故障。于是 F-35 只好选定了一个“后备”的头盔，这个头盔最终定为由英国 BAE 公司提供。
　　尽管是候补，BAE 提供的这个头盔仍然相当先进，带有跟踪瞄准能力，能够提供航空母舰和陆地机场起降信息。显示精度据称达到了和平视显示器相当的水准（F-35 并没有平视显示器，这部分的功能全部转移到头盔显示器上，因此 VSI 头盔的失败是很让美军跳脚的），自然的也能够配合夜视镜使用。BAE 头盔符合 F-35 项目的各种要求，将被用于近期的飞行训练、模拟器训练等。

BAE 的 F-35“麻点”头盔

　　F-35 战斗机主承包商洛马公司为了降低风险，避免再次在头盔显示器问题上栽跟头，将 BAE 头盔的指标要求降低了不少，比如只采用已经成熟的技术，由飞行员额外佩戴的夜视镜提供 F-35 夜视能力，而不是由 F-35 分布式多孔径光电传感器系统提供。但洛马表示将来可以再重新增加一些先进指标。