【頭盔顯示器飛機】消弭人類與戰機間的界線 |頭盔顯示器 |讓飛行員 |
頭盔顯示器（縮寫：HMD）是飛行器上使用，安裝飛行員頭盔上頭戴顯示設備。其顯示內容於平視顯示器類。頭盔顯示器能大幅度提高飛行員態勢感知，增強感知周圍環境和戰鬥狀態能力。通過頭盔顯示器，飛行員能用過轉頭動作，引導發射導彈來攻擊目標。
人類航空史上，沒有任何一架飛機採用了如此革命性飛行頭盔，它地將任務需要資訊投射眼前、提供了態勢感知能力，透它，飛行員得以F-35融為。(Source：LM)
F-35閃電II式戰機是美國空軍、陸戰隊、海軍和其他11個國家下一代主力戰機，它具備了匿蹤性能、航電系統以及超乎想像態勢敢能力，然而若沒有飛行員，F-35只不過是裝飾品，但飛行員跳進駕駛艙瞬間，它需要一款前所未見裝備才能讓F-35發揮戰力，那誕生21世紀，但當代所有飛行頭盔要「頭盔顯示器系統」(Helmet Mounted Display System)。
HMDS是飛行員發揮F-35戰力關鍵介面，它能所有飛行資訊整合透過一條頭盔連接傳輸線彙整在頭盔內，並且投射雙眼前抬頭顯示面板上，這種配備不僅讓飛行員減少頭看儀錶板上多功能顯示幕(MFD)，獲得了超凡態勢感知能力，讓F-35成為全世界第一種取消抬頭顯示器(HUD)設計現代噴射戰機。
目前HMDS到了第三代輕量化版本(Gen III HMDS)，於原本第三代，它重量2.3公斤降到了2.1公斤，且依每個飛行員頭型調整後，頭盔襯墊能符合飛行員人體工學，並讓這頂2.1公斤、要價40萬美元頭盔地飛行員頭上。
F-35是全世界第一款取消駕駛艙前方抬頭顯示器(HUD)現代噴射戰機，主要歸功於飛行員頭上那頂2.1公斤、要價40萬美元第三代HMDS頭盔。(Source：USAF)
作為本次F-35B美利堅號上DT-III負責人(OIC)「帕克斯河整合測試隊」(Pax River ITF)試飛員John “IKE” Drik少校表示，戴上HMDS頭盔後，飛行員可以看見飛行資訊，例如能日/夜間影像中見到頭盔前顯現各種戰術資料以及符號，而這有助飛行員進行敵我辨識、搜索地面海面目標任務，同時Drik表示HMDS機載系統有整合程度，因此頭盔內顯示內容和速度可説是儀錶板和外界環境「無縫接軌」。
此外，「F-35飛行員系統人機整合系統」(F-35 Lightning II Pilot Systems Integration-Human Systems)工程師；Nicholas Voegeli中士和Desiree Smith中士展示了第三代HMDS功能和先進性。透過頭盔本身「顯示器管理電腦硬體」(Display Management Computer Hardware)操作系統，飛行員可以頭盔中切換檢視各種資訊。而第三代影像傳輸效率第二代HDMS更佳，這令頭盔內符號顯示位置正確，且化了使用「分散式孔徑系統」(Distributed Aperture System，DAS)時能力。
於HMDS頭盔能機載感測器資料投射眼前，而取用機外6個外線攝影機所組成，並整合成一塊無死角/接縫畫面後，可讓飛行員獲得看穿機艙能力，是資訊保有一貫性。(Source：Prepar3D 2.5模擬器)
DAS是透過6具裝機體周遭外線攝影機所組成系統，它構築成了360度無死角夜視/外線影像，能直接讓飛行員「看穿機艙」，儘管DAS最初目的於作為飛彈迫時預警系統，但透過F-35資料融合能力，飛行員可以享有這些影像帶來態勢感知能力，例如一片冰冷汪洋中用外線找出一艘疾駛快艇，或者靠著夜視能力漆黑夜晚中飛行，而這像你F-35融為一體，人類機器之間沒有區隔。
「聯合頭盔顯示系統」(JHMCS)是目前美軍所用飛行頭盔，它能部分飛行和武器資訊投射駕駛眼前，讓駕駛獲得態勢感知能力，但是HMDS不僅功能性上全面，且新增了許多JHMCS所不具備優點。(Source：Elbit)
值得注意的是，從第三代開始HMDS像以往如F/A-18黃蜂、F-16採用「聯合頭盔顯示器系統」(JHMCS)一樣(2.4公斤)、需要手動升級且沒有什麼個人化調整空間，第三代HMDS可以輕易地每個需要實施調整，這了飛行員，同時有利於降低總是需要生產「製版」成本。(但造價40萬美元)
近年來，頭盔顯示器研發與使用方面，世界各國積極適應實戰需求，展開角力。美軍反覆，使F-35戰機有了堪用頭盔顯示器，如今開始考慮其延壽。早在2017年，有消息稱俄羅斯軍方接收擬現實頭盔。以色列這方面不僅“自給”有餘，開始其他國家提供頭盔顯示器。英國BAE系統公司2019年公佈了其“前鋒II”進頭盔顯示器設計細節。
那麼，戰機頭盔顯示器功用如何？現在它發展到哪個階段?今後會哪個方向發展？請看專家解讀。
如果要問飛行員身上哪個裝具具科幻感，相信多數人會選擇“頭盔顯示器”。
但是，頭盔顯示器只有顏值，稱得上是“顏值實力兼具”。它可像普通頭盔佩戴使用，能夠顯示各類飛行和作戰關鍵信息，影響飛行員觀察外部環境，能夠飛機火控系統自動交聯，使發現、瞄準、攻擊動作一氣呵成。
一頂性能優良頭盔顯示器，是飛行員駕馭戰機作戰得力助手。
瞬息萬變現代空戰中，飛行員既要抬頭觀察外部環境、頭查看座艙內各種儀表及顯示器上信息，要操作火控雷達傳感器、目標進行跟蹤瞄，戰鬥操作壓力是常人想象。
頭盔顯示器出現，提供了滿足上述需求可為飛行員“減負”一體化解決方案，即作為高效率人機交互手段，飛行員提供安全防護、信息顯示、跟蹤瞄主要功能。地發揮作用，一些類型頭盔顯示器有定製款，會飛行員頭型來塑形，稱得上是貼臉貼心。
一是安全防護功能。具備安全防護功能是頭盔顯示器常規要求。通過盔體外形結構合理設計，集成氧氣面罩、耳機、護目鏡、氣囊組件，它能提供防碰撞、降噪音、保供氧、抗過載多種功能。
二是信息顯示功能。頭盔顯示器能夠飛行員顯示本機飛行高度、速度、姿態信息，能夠顯示機載武器狀態，而像佩戴傳統頭盔那樣轉頭切換視角。
三是跟蹤瞄功能。它這方面發揮作用原理與流程是：藉助技術手段，盔體位置變化進行定位，飛行員視線角度變化進行解析，相關信息上傳機載火控系統後，近距空空導彈導引頭，會飛行員視線轉動，使其截獲目標。藉助頭盔顯示器，飛行員能減少攻擊目標時操作動作，縮短攻擊時間，充分發揮空空導彈大離軸角發射打擊目標能力。
選擇，頭盔顯示器功能細節上
結構上講，頭盔顯示器盔體外，其組成部分還包括顯示模塊、定位模塊。
顯示模塊要確保飛行員既能看到字符和圖像，能看到外部環境，“半透半反”方式產生及顯示信息。其技術路線差異，分為投影式、OLED、光波導等。
頭盔顯示器小型化、輕量化、可靠性方面，採用技術路線各有其利弊，頭盔顯示器會採用組合。一些戰機聯合頭盔顯示器會採用雙目投影顯示技術，而一些型號直升機頭盔顯示器則採用單目OLED顯示。
定位模塊旨在解算頭盔位置及飛行員視線角度信息，主流技術途徑包括電磁定位、光學定位。
電磁定位裝置主要頭盔上信號接收模塊和座艙內信號發射端組成，通過感知位置電磁信號變化，從而解算出頭盔位置。如F-16戰機所用聯合頭盔引導系統，其定位模塊即採用電磁定位。
光學定位是通過定位標記，圖像解算方式獲取頭盔位置。“陣風”戰機“打擊者”頭盔顯示器即採用光學定位。
上述兩種方式各有利弊。電磁定位優點於頭盔上模塊，減重效果，缺點是電磁信號測量要求；光學定位處是精度高，之處於需要盔體上安裝發光點，因此頭盔輪廓和重量。
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近年來，微機電陀螺技術發展，形成了視覺和微機電陀螺組合定位方法，既可減小體系重量，能降低全套系統的複雜程度。
到複雜，技術、功能完備
戰機頭盔顯示器自20世紀70年代誕生以來，已有近50年歷史，後經歷了頭盔瞄準具、單目頭盔顯示器、雙目頭盔顯示器幾個發展階段。
頭盔瞄準具僅飛行員眼前顯示瞄準符號，如十字或圓圈。南非幻影F1AZ戰機裝備了頭盔瞄準具，於引導法制V3Z紅外製導空空導彈，效果。該類產品隨後俄羅斯蘇-27、米格-29戰機上範圍運用，能夠實現R-73近距空空導彈大離軸發射，顯著提升了戰機近距離格鬥能力。
頭盔瞄準具能提供信息量。於是，具有顯示能力單目頭盔顯示器20世紀90年代應運而生。
其代表性產品美空軍目前裝備聯合頭盔引導系統。該產品後發展了兩代，裝備於F-15、F-16、F-18系列戰機，並出口日本、韓國國家。它採用可拆卸高度集成化模塊設計，可20度左右圓形區域內單目顯示飛行信息及武器瞄準符號。
單目頭盔顯示器顯示視場，使用時於飛行員雙眼看到信息，誘發“雙目競爭”效應。
進入21世紀後，頭盔顯示器開始雙目顯示、彩色顯示升級，代表性產品包括“陣風”戰機上“打擊者”頭盔顯示器和F-35戰機聯合頭盔顯示器。
F-35戰機聯合頭盔顯示器集成了夜視攝像頭，結合飛機上安裝外成像設備，能夠“畫中畫”方式顯示飛行信息、影像、火控信息。
研製門檻，想要做出“硬核”頭盔
雖然各國飛行員渴望上頭盔顯示器，但目前服役頭盔顯示器並多。主要原因於相關研發技術和要求確不低：
F-35第三代頭盔是目前世界上進頭盔式顯示器（HDM）。它是Rockwell Collins公司Lockheed Martin公司（總承包商，負責製造這款先進的頭盔搭配使用F-35閃電II聯合攻擊戰鬥機）合作開發。
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近期舉行表面貼裝技術協會（SMTA）國際會議（Surface Mount Technology Association (SMTA) International Conference）上，我有機會聽取Rockwell Collins公司生產計劃經理Ron Heberlein和Lockheed Martin公司F-35實驗測試飛行員Scott “Shark” McLaren（他是開發過程中第一個試戴該頭盔人）發表Keynote演講。
航空領域，“態勢感知”是關鍵。飛行員持續監控和評估多種信息線索，包括視覺、儀表讀數和聲音，確保且安全地駕駛飛機、導航以及各種飛行條件作出響應。於軍事飛行員來説，任務相關戰術信息考慮內。瞬間作出決策可能意味着生死。
平視顯示器（HUD）將信息整合屏幕上，這使飛行員能夠掌握他們所需數據，而無需俯視儀錶板（目光從外部環境移開）。首款軍用HUD於1961年投入使用，於向飛行員提供有關飛機和攻擊目標關鍵信息。HMD系統採用陰極射線管（CRT）屏幕技術；於成本和使用壽命，CRT屏幕目前一些飛機中使用。然而，一些HMD屏幕則使用有機發光二極管（OLED）顯示器技術。
導彈技術出現，戰鬥機飛行員需要能夠“看到”並非近在眼前目標。首款軍用HMD於20世紀70年代（1970s）出現，於協助瞄準裝有跟蹤裝置導彈。21世紀00年代（2000s），工程師們HUD技術集成到HMD中，那後，他們開始開發這兩種技術。
美國海軍特戰隊“超級蝮蛇（Super Viper）”直升機飛行員，佩戴2010年代頭盔，其安裝有HUD顯示器.
打造進F-35頭盔，Rockwell公司設計人員應許多挑戰。，他們需要兩個於30磅重HUD安裝到頭盔上，其中，系統總重量於5磅。做到這一點，他們光學元件和電子產品微型化，並且設計師利用新型塑料和複合材料，這些材料能夠厚度和重量提供強度和耐久性。
如今一般性（非頭盔式）飛機HUD系統提供出色精度；F-35設計師需要頭盔和面罩顯示區域內複製它們功能。做到這一點，他們開發了一種複雜多傳感器頭部追蹤系統，使用尖端光學元件，並製造公差設定於一縷頭髮度。
於彈射安全性是一項關鍵性能要求，因此F-35設計團隊滿足所有頭盔性能和重量要求，同時影響550節彈射速度下需保護。Heberlein先生透露，使用進材料外，解決這一挑戰“秘訣”進行大量測試！
HMD並不是一個獨立設備，而只是複雜F-35戰鬥機系統一部分。HMD頭盔追蹤器/發射器裝置（HTU）集成一起，於追蹤飛行員頭部運動，確保顯示相機圖像和其他數據逐秒反映飛行員視線（LOS）。一些圖像是使用固定式組件（FCAM）裝置創建。顯示器管理計算機（DCM）控制所有頭盔元件，並多個飛機系統連接。
製造過程中，每個頭盔量身定製，確保飛行員能夠佩戴。頭盔基準設計適合任何飛行員（第5百分位到第95百分位）頭部幾何形狀。這需要多種頭盔尺寸，並且顯示器裝置是可調節，適合多個光學安裝位置，確保能夠飛行員眼睛對位。
量身定製過程本身期兩天，涉及一系列測量和調整，包括飛行員頭部進行激光掃描，確定瞳孔位置，並確定頭盔尺寸。然後定製襯墊進行銑削，安裝到頭盔內部，確保飛行員頭骨緊密貼合。接着顯示器裝置位置進行調整，確保飛行員瞳孔位置相匹配，並面罩進行修剪。
後，將所有單個組件裝配在一起，並HMD進行多種功能測試，進一步改進顯示器飛行員眼睛對位。舉例來説，關鍵符號相對於飛行員LOS最佳位置投影到顯示器上。F-35 HMD面罩投影顯示器具有以下功能：
頭盔追蹤系統應於飛行員LOS，利用磁力追蹤和慣性追蹤以及基於協調和自動對位算法複雜輸入和輸出。後，頭盔系統包括於視頻彙報記錄功能。
F-35閃電II HMD2010年開發階段插圖（近期SMTA演講指出F-35第三代頭盔具有550節彈射安全要求，而非圖中所示600節）.
飛行員戴上頭盔，坐進F-35戰鬥機駕駛艙內並繫安全帶，所有精心規劃、測試、開發和改進整合到一起。飛行員位置，世界變成圍繞他視野中心點運行，垂直落飛機機頭上。這稱為“視覺中心”。飛行員將頭轉向任意一側時，這稱為“離軸”視野。
飛機相機系統頭盔式顯示器上呈現一系列視覺輸入，超出了駕駛艙窗户外視野範圍。舉例來説，來自放置飛機側面和下方相機視頻輸入可以捕捉360°全景，這使飛行員能夠查看戰鬥機下方和周圍情況。
同時，外（IR）可以捕捉夜視和其他低能見度情況下補充外部圖像。標準符號外，所有這些視覺數據可以顯示頭盔面罩顯示屏上，供飛行員即時參考。