Development of Display and Control Technology of Fighter Cockpit

头盔显示器和大尺寸有源阵液晶显示器是未来战斗机驾驶舱的显示方式，而今天普遍采用的平显从JSF开始将逐步退出战斗机驾驶舱 第四代战斗机F-22以及 三代半战斗机"台风"、"阵风"和JAS39有一个共同特点是单座机。在未来战争中，仅由一名飞行员完成目前需要由二人（例如F-14、F-15E）完成的复杂作战任务，这无疑对驾驶舱人机接口的显示/控制系统提出了更高的要求。因此，为了减轻驾驶员的工作负荷和增强其情况了解（SA），这些战斗机都尽可能地采用或分阶段地逐步采用成熟的先进显示/控制新技术。JSF无疑吸取了前辈的成功经验及预研成果，进一步广泛采用现代先进显示控制新技术，使工作负荷繁重的单座攻击机驾驶员处境有所改善。从JSF的驾驶舱显示/控制系统中我们不难看出未来飞机驾驶舱显示/控制技术的发展动向。 战斗机驾驶舱布局仍以F-18为基础 1978年服役的F-18战斗机尽管几经改型，不断改用一些先进的显示/控制新技术，例如全息平视显示器、彩色阴极射线管、有源矩阵液晶显示器和触敏控制技术，但是其仪表板布局未变。仪表板中上部为平视显示器，左、中、右是3个多功能显示器，即所谓的"一平三下"，3个多功能下视显示器呈"Y"型布局。 从总体上看，上述新战斗机之中最接近F-18驾驶舱仪表板布局的是"台风"和JAS39，F-22增加了一个多功能显示器，"阵风"则改用新型准直正视显示器，使3个显示器横向几乎一字排列。

 可以看出，F-18驾驶舱仪表板"一平三下"的"Y"型布局仍是21世纪初战斗机驾驶舱布局的基础。这里关键性因素或者说制约性因素是采用平视显示器及正前方控制板。 平视飞行握杆操纵原则不变现代战斗机近距作战和大过载机动飞行时，确保驾驶员视距情况了解和有效操纵飞机的可行方法是：驾驶员两眼注视平视显示器，双手不离开驾驶杆和油门杆，即所谓"平视飞行"握杆操纵。平视显示器作为主飞行显示仪表，握杆操纵控制器作为主控制器在上述战斗机中无一例外。 近些年来，头盔显示器技术日趋成熟。 特别是随着大离轴角空空导弹的出现，平视显示器视场的不适应性日渐突出，头盔显示器大有取代平视显示器之势。但平视显示器和头盔显示器在保证驾驶员"平视飞行"上的作用是一致的。从近些年来平视显示器、头盔显示器和握杆操纵控制器在战斗机、攻击机、武装直升机、运输机等不断推广应用的趋势来看，平视飞行握杆操纵恐怕仍将成为有人驾驶战术飞机的不变原则。 视距情况了解更需要头盔显示器平视显示器是现在及今后一段时间内战斗机视距情况了解必备的主飞行显示仪表。先进战斗机采用的单片曲面全息显示屏广角全息平视显示器，视场为30°（水平）×20°（垂直），其单色高亮度小型阴极射线管，不仅能显示笔划形式字符而且能显示光栅扫描前视红外图像。 不过，平视显示器存在两大缺点。首先是体积偏大，占用了仪表板中上部较大的最佳视区，这就使仪表板无法再容纳大型下视显示器。其次是视场小，虽然广角全息平视显示器的视场已达到30°×20°量级，但仍满足不了大离轴角搜索、跟踪、瞄准和发射大离轴角制导武器的需要。 大离轴角空对空导弹的出现以及俄国米格-29和苏-27战斗机装备头盔瞄准具的刺激，使西方在九十年代初掀起了头盔显示器研制和使用的高潮。欧、美新研制和改型战斗机纷纷采用或计划采用头盔显示器。这些头盔显示器普遍采用12.7毫米直径高亮度单色阴极射线管，以笔划法显示飞行和武器瞄准字符，用于昼夜间作战，形成第二代昼间型头盔显示器；有的还能用光栅扫描显示大视场的前视红外图像进行昼夜全天候作战，形成第三代全天候型头盔显示器。 头盔显示器可以认为是安装在活动基座上的平视显示器。除了利用头位跟踪器为武器瞄准系统提供驾驶员视线指引信息之外，其显示功能与平视显示器基本相同。现阶段，头盔显示器尚需接受广泛和长期实际作战使用考验，难以完全取代平视显示器，实现视距战术情况了解，稳妥的方法是先以平视显示器为主和以头盔显示器为辅；进一步的发展是以头盔显示器为主和以低矮型平视显示器为辅；随着头盔显示器技术的成熟和性能提高，最终取代平视显示器。近年来，随着头盔显示器的快速发展，有预测说在5年内作战飞机和直升机可能不再需要平视显示器了，美国也正在考虑在JSF上用头盔显示器取代平视显示器。 超视距情况了解需大型下视显示器战斗机驾驶员的超视距情况了解，一般指本机周围大约300千米范围内球形空间内敌、友的作战态势，它需要借助机内外各种探测器和信息源获取信息。就当前美国战斗机而言，将主要通过机载雷达，电子战和联合战术信息分布系统获取的信息，分别显示在3个下视显示器上。以八十年代研制的现役F-15E战斗机为例，该机和F-18一样也采用"一平三下"的"Y"型驾驶舱仪表板布局，其电子战数据显示在左多功能显示器上，雷达数据则显示在右多功能显示器上，而联合战术信息分布系统的数据显示在中下彩色多功能显示器上。问题不仅仅在于3个主探测器的数据分别显示在3个显示器上，关键是存在3种不同比例尺和作用距离（电子战为80千米、雷达为130千米、联合战术信息分布系统为320千米）和2种视图（雷达为B型显示、电子战和联合战术信息分布系统为水平面视图）。这就需要驾驶员在头脑中对上述数据加以融合，无疑加重了工作负荷。 目前最切实可行的显示方案是，在地图显示的基础上叠加导航、战术和情报等数据，显示本机周围的俯视平面图，一般把这种多功能下视显示器称为战术情况显示器或情况显示器。当然，要解决不同作用距离和比例尺问题，必须要求显示器有足够大。 据美国全景驾驶舱控制/显示系统（PCCADS）计划中的研究结论，超视距全局情况了解最终应以"大图像"--横贯全仪表板的大屏幕显示器来实现。这种"大图像"显示器不仅可以显示平面视图，也可以显示3维视图；不仅可以显示全屏图像，也可以分屏或镶嵌插图。 由于当前还无法制造出高46厘米，宽61厘米（面积约为2806平方厘米）的大型直读式显示器（例如有源矩阵液晶显示器），所以提出了PCCADS 2000近期方案"驾驶舱"2000。这一近期方案最初采用一个25.4厘米×25.4厘米或更大的主多功能显示器，其左、右各装一个127毫米×127毫米或152毫米×152毫米的辅助多功能显示器；最后修改为并排装两个254毫米×254毫米或更大的多功能显示器。 应当指出，波音公司的JSF方案正是采用并排安装两个203毫米×254毫米矩形有源矩阵液晶显示多功能显示器，基本实现了"驾驶舱"2000近期方案，从而实现驾驶员超视距全局情况了解。 有源矩阵液晶显示器居统治地位飞机驾驶舱显示仪表的电子化，即玻璃驾驶舱始于采用阴极射线管。但是对于窄小的驾驶舱特别是战斗机驾驶舱来说，阴极射线管过于笨重，特别是纵向尺寸太大，使大型显示器安装受到限制。而平板显示器的纵向尺寸小，已成为取代阴极射线管的最佳候选显示器件。八十年代以来，有源矩阵液晶显示器技术迅速进步，日渐成熟，在平板显示器领域中逐渐占据统治地位。九十年代，自波音777客机全面采用非晶硅薄膜晶体管有源矩阵液晶显示器以来，飞机驾驶舱显示仪表进入了液晶综合电子显示系统时代。与阴极射线管相比，有源矩阵液晶显示器具有体积、重量和功耗减半，可*性倍增等显著优点。有源矩阵液晶显示器取代阴极射线管和常规机电仪表的发展趋势已不可逆转。 就机载显示器而言，目前在平板显示器大家族中，电致发光显示器（EL）和发光二极管显示器（LED）无法与有源矩阵液晶显示器相匹敌。近些年发展起来的场发射显示器（FED）以及新出现的有机发光二极管（OLED）虽然具有很诱人的优点，前景看好，但尚未解决某些重大技术关键，近期无法与液晶显示器抗衡。 不论新机研制还是老机改装，目前几乎都采用有源矩阵液晶显示器。值得一提是，军用机载液晶显示器与其他军用航空电子一样，由于要求苛刻而用量少，面临来源枯竭的困境，其制造厂商不是倒闭，就是不愿制造而转产民用显示器。这就迫使航空电子显示系统制造厂商和军方等用户纷纷采用开放系统结构（OSA）和商用成品（COTS）液晶显示器，直接或加以改造后用于客机、军用运输机，甚至高性能作战飞机。这也是当前重要的发展趋势。 结论现代战斗机驾驶舱仪表板"一平三下"的"Y"型布局的制约性因素在于： （1）平视显示器占据仪表板中上部最佳视区，因而难以在仪表板中央再容纳大型显示器； （2）有源矩阵液晶显示器当前的制造水平限制了下视显示器难以达到期望的254毫米×254毫米或更大尺寸。 用头盔显示器代替平视显示器，或者至少以头盔显示器为主以低矮型平视显示器为辅，从而让出仪表板中央的空间；同时制造出更大型有源矩阵液晶显示器，那么就能够在仪表板安装融合多探测器数据的大型多功能下视显示器，向"大图像"目标迈进一步。 应该说，头盔显示器和大型有源矩阵液晶显示器是未来驾驶舱显示系统改革的方向。