说说那些革命性的战斗机座舱航电

万磁王

原作者：魏楞杰  

　　在20世纪40年代第一代喷气式战斗机刚问世时，座舱内只有简单、耐用、廉价的航电设备。当飞行员执行低空高速任务时，完全依赖这些设备提供飞行和导航信息，但它们的表现却相当不称职。50年代第二代喷气式战斗机问世后，这些缺点就更加突出了，随着机载系统和仪表日益复杂，迫使飞行员得花较多的时间低头查看，不仅对他掌握战术态势的能力造成负面影响，更会危及低空飞行的安全性。

第二代喷气式战斗机F-86的座舱里塞满了各种仪表

　　解决这些问题的方案就是平显（Head Up Display，也叫平显），不过现代化战斗机座舱内除了平显外，还有夜视系统、先进综合头盔系统、战术态势显示器，建构出现代化的“玻璃座舱”（Glass cockpit）。让飞行员无需环顾座舱四周的仪表，消化各仪表的片断信息，就能获知周围空域敌情以及机载传感器和武器的重要信息，提供完整的态势感知（situational awareness）。

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玻璃座舱
　　玻璃座舱已是现代化战斗机的标准设备，作为一种现代化的显示系统，使用多功能显示器取代了几乎所有的传统仪表。老式座舱里繁多的样式不同、功能各异的机电指针仪表大多被取消，仅留下少数几个（如：罗盘）供紧急备用。玻璃座舱仪表板上的大型计算机显示器不仅能显示虚拟仪表，还能根据飞行员的需要显示其它功能，如飞行规划、武器控制等，能大大减轻飞行员的工作负荷，因此玻璃座舱也被誉为战斗机座舱的革命性发展。
　　座舱革命始于20世纪70年代，当时阴极射线管（Cathode Ray Tube-CRT）开始取代某些机电仪表，虽然当时这种新装置还很原始，却给座舱带来特殊且全然不同的外观，因此获得“玻璃座舱”的称号。到70年代中期，战斗机座舱内的仪表和开关已经超过上百个，飞行员需要随时注意一大堆指针、符号，手忙脚乱的情况让人担心。美国主要的航空企业和国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration）因而共同启动了座舱多功能显示器研究计划，把基本的飞机系统、飞行和战斗数据综合成显示器上的清晰易懂的图形和符号，最后出现了完整的玻璃座舱概念。

NASA研究玻璃座舱的主要驱动力还是太空项目，上图是“发现”号航天飞机的玻璃驾驶舱

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　　从航空业界全盘接受多功能显示器来看，就能知道此项研究有多成功。这是因为飞行员对飞机和战术态势越了解，飞行就越安全，也越有效率。以图形方式显示的关键仪表，如高度计、姿态仪、速度表，不但容易阅读，维护成本也不像传统仪表那样昂贵。玻璃座舱的紧急备用和保障性能佳、重量轻、电力需求也比机电仪表少。
　　玻璃座舱的优点不胜枚举：取代繁多的开关、仪表（gauge）、传统指示器（indicator）；万一失效，备用和保障性能佳；战术及导航的选项较有弹性，且较准确；画面清晰、整洁；显示内容可程序化。
　　事实上，由于指针仪表的读值一目了然，所以玻璃座舱显示器大多忠实还原了它们的外观。所以就人机工程（ergoncmic）而言，玻璃座舱的主要优点不在于显示方式的改变，而在于在需要时才显示飞行和战斗信息。显示系统在飞行员要求时才会提供警告或警告信息，让飞行员的信息负荷大幅降低，飞行员仅需注意最重要的信息就行了。

简洁高效的“阵风”战斗机的玻璃座舱，居中尺寸最大的就是战术态势显示器

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战术态势显示器
　　在现代化玻璃座舱里，稍低于飞行员头部高度、尺寸最大的居中显示器就是最重要的战术态势显示器（Tactical Situation Display）了。战术态势显示器一般显示以下数据和画面：雷达目标、电子干扰源、移动地图、飞行计划、情报信息（危险区域、威胁）。为了显示出能让飞行员做出正确评估和态势感知的清晰战术态势画面，战术态势显示器必须先综合战术信息，由计算机解读并做威胁评估。事实上，飞行员任务数据和态势感知信息的主要来源，就是战术态势显示器。
　　战术态势显示器四周围绕着多个功能按钮，不过最先进的系统已用触控显示器取代了按钮。显示器上除了战术信息外，还会显示飞向目标的规划航线，当飞行员准备攻击时，显示器上会显示目标区特写，系统也会显示飞机本身的航线，还有可能探测到飞机的距离最近的敌方防空系统。此时飞行员就可使用任务规划（Mission Planner）功能，规划另一条使飞机暴露于敌方雷达时间最少的新航线。
　　现代化高性能战斗机的飞行和战术动作，都要通过座舱内的计算机显示器控制，所以战术态势显示器上战术数据的类型和格式，以及显示器的设计弹性就很重要。显示器的基本设计重点是信息、地貌数据、地形透明图、文字窗口……等的显示模式。新一代多功能显示器大多采用有源矩阵液晶显示器（Active-Matrix Liquid-Crystal Displays），它的价格、尺寸、功能、以及技术成熟度，都比被取代的CRT好很多。
　　由于计算机绘图技术一日千里，今日的机载显示器已能显示多种格式的三维飞行动画。战术态势显示器上显示给飞行员的画面已融合导航和战术信息数据，加上综合运用图形和三维动画，可以降低飞行员信息过载（information overload）的风险，帮助他做出正确的决策。

F-22的玻璃座舱

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　　战术态势显示器上所显示的战术信息都被色彩赋予了特别意义，地面是绿色，“空中走廊”与其它同色的物体重迭时颜色会改变，防空导弹或雷达制导防空火炮这些地面威胁以黄、红色代表其实时威胁等级，正在跟踪飞机的地面雷达则以一个连到我机的箭头代表，箭头闪烁就表示它已向我机发射防空导弹，而战术态势显示器也会同时显示机载电子对抗设备是否在有效对抗来袭导弹。举个简单的例子：F-22“猛禽”（Raptor）的先进玻璃座舱没有任何传统仪表，只有六部即使阳光直射下也能清晰阅读的彩色液晶显示器，提供飞机上下前后左右的环境全览，让飞行员具备完全的态势感知。舱内的战术态势显示器以全彩标志来显示战术态势：敌机是红色三角形、友机是绿色三角形、不明机是黄色正方形、僚机是蓝色正方形、地对空导弹是五角形，旁边标注着由雷达警告接收机（Radar Warning Receiver）数据库传来的导弹型号及攻击距离。

F-22的战术态势画面

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　　F-35战斗机座舱里没有传统的平显，取而代之的是全景式座舱显示器（Panoramic Cockpit Display）和头盔显示器。这个横置式显示器由两部宽10英寸高8英寸的高亮度触控式（touch screen）液晶显示器组成，白天也可清晰阅读，夜间作战时还能与夜视镜兼容。全景式座舱显示器让飞行员拥有更大的显示画面，整个画面划分成战术、传感器、系统、武器信息四区，由飞行员依照个人喜好选定各区的画面大小及种类。画面最上方1英寸用来显示功能控制按钮，最大的单一显示画面是10英寸×7英寸，占了全部显示画面的一半，通常会用来显示周围空域的战术态势，显示距离由18.5公里到1,185公里可自由调整。

F-35的座舱比F-22又有所发展，甚至取消了平显

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　　在画面上以蓝色符号代表飞机本身及僚机，空中及地面的目标以不同的颜色分辨敌我：友军是绿色，敌军是红色，不明者白色。空中目标在画面上是个棒棒糖符号，当圆形部分为中空时，表示是自己飞机探测到的目标；为实心圆时表示是其它飞机探测到，并从数据链传来的目标；为半满圆形时，表示自己和其它飞机都已探测到此目标。棒棒糖的棍子部分，一开始是一条不与圆形接触的垂直直线，当传感器开始锁定目标时，直线会拉长向圆形靠近，但还是保持未接触的状态，一旦直线碰到圆形就表示目标已被锁定，最佳的攻击时机已经来到。

F-35的战术态势画面采用了棒棒糖符号

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平显
　　平显一般由以下子系统组成：
　　．一部CRT
　　．一台数字计算机
　　．一片复合玻璃，称为飞行员显示单元（Pilot Display Unit）
　　．一组平行透镜
　　．一片控制面板，置于显示单元的下方
　　．其它子系统；如：发电机、接收传感器数据的接口单元、根据外界明暗自动调整图像亮度的计算机系统…等。

很简单的平显原理

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　　计算机的主要功能是显示图像、数据处理以及控制CRT，计算机接收接口单元送来的数据，处理后产生信号，控制CRT内的电子束产生图像，再通过一组平行透镜和一片半透明镜在显示单元上投射出图像。外界光线可以透过显示单元，但仅有来自CRT的光线会被部分反射进入飞行员的眼中。
　　复合玻璃的下方有许多按键，用来选择各种不同的显示模式、调整影像、更换图像（导航、空对面、空对空）、调整亮度和对比。如果平显融入综合式航电系统内，则按键还会赋予控制的功能。

由于GRT的缘故，所以平显组件比较长，这是印度LCA战斗机的平显

平显的CRT就长这样，左边是模拟式，右边是数字式

　　平显最重要的指拨之一就是显示数据的刷新率和清晰度。平显显示是否精确、准确取决于三个基本要素：显示单元在座舱内的确切摆设位置、数据和图像的计算和投影定位、由透镜造成的光学扭曲。这三个要素可能的误差总和不能超过0.050°~0.060°。亮度调整也很重要，图像太亮会分散飞行员对外界的注意力，太暗又会看不清楚。现在的平显都可由手动或自动方式来控制亮度，以在飞行员的眼睛灵敏度和整体可见度下取得最佳亮度。

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实时视场与衍射平显
　　夜间低空飞行作战时，平显必须综合飞行/导航参数与火控数据，并能显示前视红外（Forward Looking Infra Red）传感器获得夜视影像。马可尼航电公司（Marconi Avionics）为A-7E“海盗II”（Corsair II）攻击机研制了第一套具备这种功能的平显，并于1978年开始交付。这套平显的一大进步是具备了有限但精确的夜间攻击能力，不过它的视场（Field Of View）不宽，带来了很大局限。早期平显在飞行员头部不动的情况下瞬时视场（Instantaneous FOV）大概是水平方向15°，垂直方向13°，显示范围非常小。

A-7E的TRAM平显，可显示来自前视红外吊舱的夜视影像