深度解析：用目光殺死敵人的頭盔顯示器為何殲20還沒有

飛行員頭盔原本是一種簡單的防護裝備，但在結合了頭部跟蹤技術和符號顯示系統後正日益變為飛行員獲取信息的主要方式，從而大幅提高飛行員的態勢感知能力。

從空戰誕生之日開始，飛行員的態勢感知就對空戰勝負和自身生存至關重要。在最初的日子裡，擺在飛行員面前的只有轉速表、高度表和羅盤，而現代飛行員在空戰中不僅要時刻注意座艙外的動向、還要不時低頭查看座艙儀錶和顯示器。

隨著技術的發展，座艙儀錶和顯示器顯示的信息也隨之增多，越來越多的信息導致了飛行員無所適從，無法快速找到自己需要信息。因此，簡化和幫助飛行員吸收信息成為戰鬥機人機界面的一個重要設計目標，必須先使用機載計算機對信息進行簡化和分類，再呈現給飛行員。此外，隨著一系列大離軸角近距空空導彈和新型感測器的出現，如何增大這類武器的發射區也成為亟待解決的問題。

自20世紀70年代中期以來，軍用直升機和戰鬥機已普遍裝備了頭盔瞄準具。戰鬥機頭盔瞄準具一開始非常簡陋，僅能用於控制紅外製導空空導彈的瞄準。導彈引導頭能根據飛行員的頭部運動快速對準目標，實現大離軸角發射，不再需要飛行員努力機動把機鼻對準目標。

南非空軍的「幻影」F1AZ飛行員率先在實戰中使用頭盔瞄準具，並取得良好效果。美國霍尼韋爾公司在20世紀70年代也實機測試了視覺目標獲取系統（VTAS），但未被美國空軍採用。

南非的「反曲刀」頭盔瞄準具，用於與V3A近距空空導彈配合

安裝了AV8-8 VTAS的APH-6A頭盔，有一個伸到飛行員眼前的反射鏡，飛行員把鏡片中的準星指向目標就能使空空導彈引導頭對準目標

蘇聯米格-29「支點」和蘇-27「側衛」代表著頭盔瞄準具技術的一場革命。這兩種戰鬥機從問世的第一天起就整合了Shchel-3UM頭盔瞄準具和紅外搜索與跟蹤（IRST）系統，讓R-73（AA-11「射手」）紅外製導空空導彈具有了強大的近距作戰能力。這是頭盔瞄準具發展史上的一個分水嶺，使北約國家正視差距，認真對待頭盔瞄準具的發展。

俄羅斯米格-29和蘇-27的頭盔瞄準器採用了相似的設計

鏡片中顯示的簡易準星

20世紀90年代初，以色列Elbit公司研製出與「怪蛇IV」空空導彈配套的顯示和瞄準頭盔（DASH）。美國在這種頭盔的基礎上於90年代後期研製出聯合頭盔提示系統（JHMCS），來與新一代近距導彈AIM-9X配套，被統稱為大離軸角系統（HOBS）。JHMCS和AIM-9X組合首先裝備了F-15C。

以色列的DASH頭盔已經是以色列F-15/16戰鬥機的標準裝備

DASH和JHMCS兩種頭盔也增加了符號顯示功能，除了用於控制導彈引導頭和瞄準吊艙感測器外，JHMCS在後來也實現了把關鍵飛行數據投射在遮光鏡上的功能，從頭盔瞄準具進化成了頭盔顯示器。

JHMCS頭盔可以被看做是一個頭戴的平顯系統

JHMCS的遮光鏡顯示組件

因此從理論上來說，可以把關鍵飛行數據和目標數據都從平顯上移除，統統投射在頭盔顯示器的遮光鏡上，讓飛行員在空戰中能更好地使用空空武器攻擊敵機，不再需要操飛機把機鼻對準目標，然後通過平顯瞄準。

經過多年發展後，頭盔顯示器不僅能夠為飛行員提供「先敵發射、先敵攻擊」的大離軸攻擊能力，還使他們在做大過載機動時也能控制機載武器和感測器的瞄準。頭盔顯示器的遮光鏡不僅能顯示瞄準符號和飛行參數，還能顯示視頻和前視紅外圖像。

尖端頭盔顯示器

目前全球已經有多種頭盔顯示器服役，預計在不久的將來，頭盔顯示器將成為飛行員作戰時必不可少的裝備。

JHMCS和「蠍子」頭盔

在Elbit系統和羅克韋爾·柯林斯公司聯合研製出JHMCS後，美國空軍立即在F-15C上應用了這個設備。目前JHMCS已經普遍裝備美國現役戰鬥機並銷往多個國家。

佩戴JHMCS的F-15飛行員

但令人奇怪的是，美國空軍的終極戰鬥機F-22「猛禽」居然一直沒有裝備JHMCS。原因不得而知，有消息說是因為F-22與JHMCS整合問題一直沒有得到解決。

裝備「蠍子」頭盔的Block 30 F-16C

「蠍子」頭盔具有彩色符號顯示能力

2014年初，美國空軍評估了給F-22裝備更新更便宜的泰利斯「蠍子」頭盔顯示器的可行性，但整合工作一直沒有進展。「蠍子」頭盔顯示器目前已裝備美國空軍的F-16 Block 30和A-10C，並成為這兩種飛機的標準裝備。與JHMCS使用螺栓固定在標準Gentex HGU-55頭盔上的單色遮光鏡顯示器相比，泰利斯頭盔採用彩色單片式右眼顯示器，視場26度x20度，可顯示武器瞄準和關鍵飛行數據。更重要的是這種單片式顯示器兼容夜視鏡（NVG），泰利斯表示位於飛行員的眼睛和夜視鏡之間的超薄顯示器始終可以顯示彩色的符號系統，客戶能根據作戰需要和航空慣例選擇顯示紅色、橙色或綠色符號。

JHMCS的顯示組件，取代了HGU-55/P飛行頭盔原來的護目鏡

JHMCS依靠座艙中的磁場來感測頭盔的姿態，而「蠍子」可使用磁跟蹤器或混合光學/慣性跟蹤器來感測頭盔姿態。

F-16座艙蓋內側的JHMCS位置感測器

雖然JHMCS已非常受歡迎，但無法兼容夜視鏡，飛行員在夜間任務中要拆下遮光鏡換上夜視鏡。目前最新的頭盔顯示器已集成夜視功能，並引入其他一些增強功能，如三維音頻。

HMDS頭盔顯示器系統

洛克希德·馬丁公司的高級F-35試飛員比利·弗林這樣描述自己使用該機頭盔顯示器的感受：「我按航線飛行，扭頭向左度看去，不必把頭轉回中央儀錶板就能看到浮現在眼前的空速和高度信息。這是件很棒的事，我正在改變自己獲取信息方式。」弗林是退役加拿大空軍中校，曾參加1999年在科索沃和塞爾維的空中作戰。

F-35試飛員比利·弗林

看來弗林已經習慣了F-35標配的先進頭盔顯示器，這種最新的頭盔顯示技術完全取代了平顯。F-35的三種改型都配備了羅克韋爾·柯林斯ESA視景系統公司（RCEVS，Elbit系統公司和羅克韋爾·柯林斯合資組建）生產的第三代頭盔顯示器系統（HMDS Gen III），這種頭盔內置兩個液晶顯示器，能同時為左眼和右眼提供彩色圖像。

F-35的第三代頭盔顯示器系統

除了被用作虛擬平顯外，重2.2千克的HMDS還提供了40度視場的數字化夜視、畫中畫視頻顯示、錄像、主動降噪和透視功能！最後一個功能最為有趣，能讓飛行員穿透機身看到外部景象。這個功能是通過F-35的分散式孔徑系統（DAS）實現的，該系統圍繞機身布置的6台紅外攝像機提供的紅外影像被無縫合成為顯示在頭盔中的全景圖像，讓F-35在低頭直視座艙地板時就能夠看到地面的紅外圖像。比爾·弗林說：「頭盔DAS圖像的清晰度和精確度令人驚喜，大大增強了飛行員在夜間飛行時的態勢感知。以前我們佩戴夜視鏡飛行時就好像透過兩根吸管向外看。頭盔顯示器在我眼前呈現出視場寬廣得多的圖像，不管我頭部轉向何方，都能看到DAS圖像，真是一個神奇的功能。」

在模擬器上演示的穿透座艙地板看地面

HMDS的研發一直伴隨著圖像延遲、抖動和夜視解析度過低的問題，其中大部分都是與DAS集成的數字夜視感測器引起的。弗林解釋說：「在動態飛行中以令人驚訝的清晰度顯示夜視圖像是一項棘手任務。」由於測試團隊沒有專門用於測試頭盔的飛機，這就意味著「我們沒有辦法去查找未知問題，只能等頭盔裝備F-35後再逐一解決，就在我們排除問題的同時，大量負面新聞也就隨之而來了。」弗林估計如果把一架F-16改裝成完全符合要求的頭盔測試機，怎麼也要花上一年時間。

與白天相比，弗林同樣喜歡夜間飛行，此時HMDS的數字夜視系統開始發揮重要作用。弗林說：「夜間飛行總是令人緊張，DAS和夜視感測器能讓我們在夜間飛行中具有比以往任何時候都好的態勢感知。」HMDS Gen III的數字夜視視場有40度，主要用於觀察座艙外情況，由於DAS的存在，在夜間有時甚至無需啟動夜視功能。

頭盔正中的數字式夜視感測器

「打擊者II」頭盔

BAE系統公司的「打擊者」頭盔也被稱為頭部設備組件（HEA）或頭盔瞄準系統（HMSS），現已經裝備歐洲「颱風」戰鬥機以及瑞典、泰國和南非空軍的「鷹獅」戰鬥機（在鷹獅上被稱為「眼鏡蛇」頭盔），但只具備白天能力。

「颱風」飛行員長滿麻點的「打擊者」頭盔

在「鷹獅」戰鬥機上被叫做「眼鏡蛇」

BAE在測試了各種外掛夜視鏡後，決定為「打擊者II」頭盔集成數字夜視感測器。這種頭盔採用了Intevac公司的ISIE-11有源像素夜視感測器，所以無需外掛夜視鏡。頭盔還採用全新的LED頭部跟蹤技術，圖像通過40度x32度視場的液晶顯示器屏投射到遮光鏡上。「打擊者II」頭盔的夜視感測器位於飛行員雙眼眉心上方，所拍攝的夜視圖像直接由頭盔內置處理器進行處理，這樣可以避免延遲。無論時視場、舒適度和沉浸感，這種頭盔的夜視效果都遠超傳統夜視鏡。

大幅升級的「打擊者II」頭盔顯示器

數字式圖像處理方式也有效解決了傳統夜視鏡遭遇強光時產生的圖像閃爍和模糊問題，飛行員不再需要通過兩根「吸管」向外張望，所以也不存在視野遮蔽問題。

和泰利斯的「蠍子」頭盔一樣，「打擊者II」頭盔也能顯示彩色圖像。第一代「打擊者」頭盔採用1280×1024像素的單色顯示器，「打擊者II」則升級為1920×1080像素的全高清彩色顯示器。展現在飛行員眼前的是一個完全重疊的彩色雙目顯示器，在日光下清晰可讀，這點在雲層上方的明亮日光環境中尤為重要。雖然「打擊者II」採用數字圖像處理技術，但完全兼容戰鬥機的模擬介面，可以通過一個介面盒來接收飛機的模擬信號並將其轉換為數字信號，使「傳統」戰鬥機同樣能使用這種數字化頭盔。

「打擊者II」頭盔顯示器

主動降噪與三維音頻

戰鬥機頭盔的另一個有趣的發展趨勢是主動降噪技術，HMDS Gen III和「打擊者」頭盔都已經採用這種技術。BAE系統公司已與丹麥Terma公司合作發展主動降噪和3D音頻技術，前者能使飛行員更易聽清通訊內容，後者則能通過三維音頻警告指示來自任何方向的威脅。3D音頻技術還有個有趣應用，那就是讓飛行員能聽到來自任何方向的通話，如果左側僚機飛行員和他通話，他能聽到聲音從左邊傳來，如果是右側僚機，他就能聽到聲音來自右邊，如果是地面通訊，那麼聲音就來自下方，如果與上方的預警機通訊，聲音就來自上方。

數字化JHMCS

這是另一種新型頭盔顯示器，首先在沙特空軍的F-15SA上進行了測試。數字化JHMCS也叫JHMCS II，由以色列Elbit公司研製。這種頭盔可以使用與JHMCS相同的磁跟蹤器，也可使用新的混合光學/慣性頭部跟蹤器。數字化JHMCS提供了投射在遮光鏡上的20度圓形視場顯示器，可顯示來自任何機載感測器的圖像，也可複製座艙顯示器內容，兼容不同顯示格式。

波音在F-15上測試了數字化JHMCS

但數字化JHMCS缺乏內置夜視功能，仍需外掛夜視鏡。Elbit為此提供了一個可顯示彩色符號系統的夜視鏡目鏡，用於替換夜視鏡的一個原始目鏡，然後通過頭盔上的一個適配器與飛機相連後就能在夜視鏡上看到顯示符號了。數字目鏡呈圓形的，厚6.35毫米，也可被用於升級老式JHMCS。

數字化JHMCS的夜視鏡目鏡可顯示彩色符號

提高舒適性

把夜視鏡從頭盔顯示器上去掉是大多數頭盔顯示器廠家的努力方向。夜視鏡對飛行員產生很大限制，飛行員佩戴夜視鏡後要注意自己頭部的動作幅度，否則不是撞到座艙蓋就是碰到平顯。此外，夜視鏡增加的重量不僅加大了飛行員頸部的壓力，還會使頭盔重心前移，這種重量不平衡大大阻礙了飛行員做大過載機動。最後，在發生緊急情況彈射時，飛行員必須先取下夜視鏡。

A-10飛行員們在調試AN/AVS-9夜視鏡

頭盔的舒適性對飛行員來說是一件大事。弗林舉例說當年新統一的德國空軍飛行員普遍不適應前東德米格-29戰鬥機的頭盔，稱之為「俄羅斯的野蠻頭盔」。這種Zsh-5頭盔在設計時完全不考慮重心位置，飛行員在大過載機動中試圖扭頭控制大離軸角空空導彈時甚至會扭傷脖子。所以德國空軍米格-29飛行員最後改用了HGU-55G頭盔，並自行集成了頭盔瞄準具。

德國米格-29最初的原配Zsh-5+頭瞄

後來改為HGU-55G頭盔

弗林在試飛生涯中測試過多種頭盔：「我飛過『颱風』並在皇家空軍CAM（航空醫學中心）的『鷹』式教練機上積累的大量的飛行時間。我們把一名教官塞進座艙，在另一個座艙塞進『小白鼠』，讓他們測試不同頭盔。我本人也在『颱風』上當了『小白鼠』。」

「從博斯科姆比頓起飛拉出3g過載脫離起落航線後，我們向著測試空域飛去，此時我就能感覺到頭盔重心是否出現偏移。我們長時間戴著頭盔進行飛行、訓練和模擬戰鬥，我本人的最長記錄是飛了13個小時。如果頭盔不完全貼合頭部，你能在不到五分鐘的時間裡感覺出來，如果不解決這個問題，頭盔就會把這次飛行變成一個漫長而痛苦的任務。」

弗林測試過一頂完全不匹配的頭盔：「我駕駛CAM的『鷹』教拉出9g過載，正要對付一架『阿爾法噴氣』，突然間，我發現自己無法控制脖子，因為我的頭部在產生過大的力矩。根據槓桿原理，只要頭盔重心稍微偏移，就能在大過載機動中產生很大的抬頭或低頭力矩。所以頭盔不僅要貼合頭部，還要具有完美的重心。這次飛行後，我覺得自己就好像打了一個星期的橄欖球賽！」此外，頭盔在保持舒適性的同時還要盡量降低重量，但做到這點很不容易。

為了把重心保持在限制之內，外掛夜視鏡的頭盔一般會在頭盔後部增加配重，這回進一步增加重量。Elbit公司就把航電盒放置在數字化JHMCS頭盔背部，以便在外掛夜視鏡時維持重心。根據美國政府研究機構的統計，這種配重設計會使飛行員頸部壓力增加40%。

數字化JHMCS把航電盒放在背部來平衡夜視鏡重量

F-35的HMDS Gen III和BAE公司的「打擊者」系列頭盔為了保持舒適性，都會為每位飛行員定製內襯，為此需要精確掃描每位飛行員的頭部。定製內襯先裝入安裝有通訊耳機的內盔，再裝入具有頭盔顯示組件的外盔。飛行員佩戴頭盔時要做的第一件事是調整顯示器瞳距，讓圖像中心對準雙眼瞳孔。投射在遮光鏡內側的圖像焦距被設置成無限遠，讓飛行員從艙內把視線望向艙外時無需調整焦距就能看清顯示內容。

「打擊者」頭盔的內襯、內盔與外盔

現代頭盔顯示器甚至能監測飛行員健康。數字化JHMCS有一個被稱為「金絲雀」的血液流量感測器，這個緊貼皮膚的感測器能檢測血液流量和血氧含量，並提交頭盔背後的航電盒進行分析，在疑似發生缺氧事件時及時警告飛行員。這個功能能挽救飛行員的生命，鑒於美國空軍和海軍的F-22、F-35、F/A-18和T-45都相繼發生缺氧事件，所以數字化JHMCS的這個功能無疑會引發軍方的興趣。

直升機頭盔

頭盔顯示器不僅被用於戰鬥機領域，武裝直升機也是該設備的傳統用戶。AH-64「阿帕奇」武裝直升機採用的綜合頭盔和顯示瞄準系統（IHADSS）能把瞄準信息和紅外圖像直接投射到單片顯示器上，頭盔也能直接控制30mm M230鏈炮和機鼻感測器。目前正在研製的「阿帕奇」飛行員綜合頭盔（AAIH）將具有更強的能力。

美國陸軍用於直升機的IHADSS頭盔

GIF/1.7M

綜合頭盔和顯示瞄準系統（IHADSS）直接控制30mm M230鏈炮和機鼻感測器

BAE的「打擊者」和泰利斯的「蠍子」頭盔也被一些武裝直升機選用，泰利斯還專為直升機研製了TopOwl頭盔顯示器，目前已被16個國家的武裝部隊選用，其中就包括美國海軍陸戰隊的UH-1Y和AH-1Z。這種頭盔在研製初期一直飽受問題的困擾，現在似乎正越來越受到歡迎。TopOwl頭盔具有投射在遮光鏡上的雙目40度視場圖像，能顯示飛行數據和符號系統，可用於控制機炮，火箭和導彈，並能在頭盔兩側外掛夜視鏡，以及顯示機載前視紅外感測器的高解析度紅外圖像，還具有障礙物警告功能。

TopOwl頭盔顯示器

我國在戰鬥機頭盔顯示器上的發展比較落後，目前主力戰鬥機殲-10和殲-11飛行員裝備還是仿製俄羅斯的光點投射式簡易頭盔瞄準具，不具備信息顯示能力。就連最新銳的殲-20隱身戰鬥機也沒有裝備頭盔顯示器，只是TK-31新一代輕量化頭盔。我國曾在往年的珠海航展上展示過兩種頭盔顯示器模型，具有凸起的遮光鏡顯示器和外形類似BAE系統公司「打擊者II」的頭盔顯示器，希望能早日列裝。我國陸航的直-10武裝直升機已經裝備了頭盔顯示器，外形類似TopOwl頭盔顯示器，但採用雙目透鏡式顯示器，與目前頭盔顯示器主流的投射式遮光鏡顯示器相比，對視野的遮擋比較大。

殲-20的TK-31並不是頭盔顯示器

直-10的頭盔顯示器

作者：阿姆斯壯

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