有了这副“眼镜”,飞机穿越迷雾不是事儿

作者:鸿鹄来源:网易新闻发布时间:2019-09-27

彻底改变飞行习惯,平视显示器帮助民航飞机降低事故率。

  随着社会经济的发展和民航的普及,乘飞机出行成为了许多人出差旅行的首选交通方式,然而,一旦遇上恶劣的天气,飞机就将或无法起飞原地待命或无法着陆在空中盘旋,严重影响人们的出行体验。

  那么,有没有什么技术或装备可以应对天气对飞行的影响呢?有,这就是平视显示器。

  (一)战场形势瞬息万变,平视显示器能让军用飞机提高战斗力

  与许多技术相似,平视显示器同样首先被应用于军用飞机上。

  随着军用飞机功能的多样化,各种传感技术被应用到飞机上,飞行员控制飞机及进行空战时所接收到的信息呈爆炸性增长,这让平视显示器成为了综合航电火控系统的重要一环,其技术水平也成为了军用飞机先进与否的评判标准。

  早期的飞行员通过座舱前端大量的仪表来掌握飞机的状态,而随着飞机速度、高度和航程等性能的增加,涉及飞机控制的系统也更多了,再也挤不下的仪表盘就逐渐被各种显示屏替代。通过这些显示屏上提供的信息,飞行员一定程度上可以不看外界环境就能轻松驾驭飞机。

  但战场环境瞬息万变,飞行员通过目视观察目标和地形,来迅速、直观地判断战区概况和敌我态势仍然必要。当需要精准获得某些数据信息就又要再次低头观看座舱内的仪表显示器,所以飞行员的视线不可避免的会在目视外界和观察座舱仪表两种状态间切换。

  (早期战机座舱前端密密麻麻的仪表)

  然而,人眼球构造的特点,使得观察对象从座舱仪表切换到外界或从外界切换回座舱仪表时,眼球必须要调整晶状体的凹凸程度来改变聚焦状态,以适应视距和亮度的变化。这一过程中肌肉的收缩和舒张并不会一蹴而就,所以就会有约0.8秒的瞬间看不清目标。

  0.8秒对于普通飞行可能问题不大,但一旦遇到紧急空情,或者复杂天候、复杂地形,这种短时间的视界模糊就极为危险,可能是贻误战机,也可能是危及自身安全。

  为了准确抓住战机和提高空战水平,第一次世界大战期间战斗机上就开始出现了平视显示器(Head Up Display,简称HUD)的前身——光学瞄准器。它利用光学反射原理,将环状的瞄准圈光网投射到座舱前端的玻璃罩上,这样飞行员在进行瞄准的时候不会妨碍到眼睛的运作,能够维持视界的清晰。

  同样的,HUD将计算机处理后的各种传感器和飞机系统的信息,以字符、图像等形式投影到飞行员前方的一块半透光的玻璃屏上,并平行反射进入飞行员的眼睛。飞行员透过HUD往前方看的时候,能够轻易的将机外背景和HUD的显示数据叠加融合,这样既掌握了飞行相关信息,又观察到了外部的景物。

  另一方面, HUD显示的数据可以根据不同需求状况来自主设置:正常情况下,只显示飞行速度、航向等基本飞行安全数据;战斗中,补充目标数据、武器、瞄准器等发射相关资料。信息容量和显示灵活性的增加弥补了原来眼睛扫视不同仪表可能存在的重要信息遗漏。

  (歼20战机飞行员配备的TK-XX某型头盔显示器)

  HUD的方便性、高效性让它在战机中迅速普及,而考虑到HUD作为一整套的显示系统,需要占用驾驶舱一定的空间,尤其与飞机座舱罩的整体设计关联,便出现了功能集成度更高的头盔显示器来取而代之。

  (二)彻底改变飞行习惯,平视显示器帮助民航飞机降低事故率

  平视显示器作为一种新型的光电装置,从根本上改变了飞行员的飞行习惯,提供了一种更为灵活方便的选择,所以在军用飞机上普及以后,很多民用飞机也开始安装,为飞行员提供必要的飞行信息显示。

  民用飞机上HUD的作用与军用飞机上相同,都能保证飞行员在不低头看仪表的情况下查看飞机外部信息,并且还增加了飞行路线等信息。

  一套完整的民用飞机HUD 系统包含了组合仪、投影装置、HUD计算机、HUD显示控制板等主要部件。


(HUD系统组件实物图:组合仪、投影装置、计算机与控制面板)

  设备舱中的HUD 计算机负责接收来自于机上其他航空电子设备的各种数据,如速度、加速度、姿态、位置、风速、导航信息、引导提示、告警信息等(显示在各种仪表和显示器上),接收到的相关信息通过计算机加工、处理、融合为HUD上可直观显示的图像或者文字等信息,再由视频接口传送给飞行员头上的投影装置。

  投影装置接收到图像、视频等信息后,再经过一定的畸变校正以及电光信号转化后,投射到飞行员前方的组合仪,组合仪中的特殊光学玻璃中显示的图像能与飞机外界实景叠加,于是,飞行员通过组合仪就能既了解飞行相关信息,又同时观察飞机外景变化。

  而仪表板上的HUD 显示控制板则能够让飞行员控制HUD 工作模式、监控HUD 工作状态。

(典型民用飞机HUD 的组成、交联及机上布局:其中投影装置安装在飞行员头顶正上方,组合仪安装在飞行员前方,HUD 显示控制板安装在仪表板上,HUD 计算机安装在飞机的设备舱中)

  在民用飞机上安装HUD的好处显而易见,特别是在飞行员须时刻关注机外环境的起飞、着陆阶段(统计结果显示至少1/3的飞行事故发生在这一阶段),安装有宽视场HUD的飞机可以降低近四成的事故率。

  这本身也得益于民用飞机上HUD系统的特殊设计,毕竟在民用飞机上,HUD只显示飞机状态信息是不够的。

  以不良气象条件下的起飞为例,大雾、黑夜等条件下的起飞、降落需要靠视景增强系统(EVS)生成的图像来辅助,通过HUD 与EVS 组合而成的增强飞行视景系统( EFVS) ,不需要飞行员再低头看原仪表板上生成的辅助图像,模拟的地形图像从HUD上直观显示,辅助雷达、红外探测器等获得的信息拟合结果,就能“还原”正常天气下飞行员“看到”的跑道,这样低能见度、大雨、夜间的起降就不成问题。

  装有平视显示器的飞机在能见度200米到400米之间也能照样安全起降,有效地提高民机起降安全性、改善恶劣气象条件下航班的正点率。

(EFVS 对增强飞行能见度的效果)

  除了为飞行员提供起降过程中的辅助图像导引外,HUD还可以提供可视化的飞行航迹和理论航迹,在飞机的爬升、巡航、下降过程中,HUD还会显示飞机的加速、减速状态,并能与通过计算机计算得到的理论需求速度进行对比。

  在飞行的滑行、起飞、爬升、巡航、下降、着陆和滑跑等阶段,飞行员都可以直接通过HUD来不断监视飞机的状态和航迹,按照飞行指引仪飞行,而不必反复观察仪表板上的几个不同的显示器。

  

(HUD 在民机各飞行阶段发挥的作用)

  (三)打破国外技术垄断,中国终于有了自己的平视显示器

  目前,中国民航运输总周转量已位居世界第二位,各类民航定期航班航线总数近两千条,参与其中的各类飞机也有一千六百多架,整体的民航运输总量更以年均10%以上的速度增长。

  而根据中国民用航空局发布的平视显示器应用路线图要求,目前生产的新航空器以及航空公司在选购飞机时,必须要让飞机基本具备装备HUD条件,并在HUD基础上尽可能地安装EVS设备,而未来要求对所有的在役航空器进行加改装HUD,在所需并适用HUD的基础上加装EVS。

  所以,无论是已有飞机的HUD改造,还是新飞机上装备HUD,都是一块庞大的市场,尤其是目前中国正在发展的大飞机项目,用上国产HUD势在必行。

  (珠海航展上的国产整体式座舱显示系统)

  HUD作为一种具有世界先进技术水平的机载光学显示系统,有着很高的技术要求。简单来说,它至少需要符合以下几个要求:

  透过性:对于组合仪上光学部件要求它既做到HUD的正常成像,又不能影响外界视景观察;

  平视性:对于投影装置而言,其在组合仪上的成像要保证处于飞行员的正前方,让飞行员可以保持平视操纵飞行;

  准直性:为了成像结果与外景的完美融合,需要HUD采用准直光学设计,这样才能让组合仪上的准直图像被聚焦在人眼的无穷远处;

  等角性:在计算机进行图像等信息处理时,除了让飞行员在HUD 上看到的航迹矢量等符号的位置与其代表的物理量在实际空间角度上一致外,HUD的光路也还需要进行等角性设计,这样显示的图像才能与外界景物实现1:1的重合;

  兼容性:所有的HUD组件需要与其他航空电子设备有很好的兼容性。

  中国机载平视显示器的自主研发开始于上世纪80年代,在完全自行摸索的情况下,实现了军用HUD产品的系列化、标准化和批量化生产。近十年,基于国家民用飞机产业化重大发展战略需求,民机HUD更是克服重重的技术壁垒,打破了国外的垄断。

  2013年,中国自主研发的HUD获得了由中国民航局颁发的适航证,国产大飞机C919上更装备了国内首个拥有完全自主知识产权的民用飞机HUD,产品多次成功参加了各类国际航展。

  不仅如此,平视显示器相关技术在日常生活中出现更加频繁,最为典型的就是辅助汽车驾驶的车载HUD,它能够为驾驶员提供速度、转速和导航等基本信息,在与增强现实(AR)技术结合后,AR-HUD更能扩展并增强驾驶员对于驾驶环境的感知。


(汽车驾驶中的AR-HUD结合)

  结语

  HUD 作为一项新技术应用,虽然应用历史不长,但它给整个行业习惯的革新却显而易见。有理由相信,随着HUD 的进一步发展,并与其他新技术结合,HUD 在生活中的应用将会更加频繁、多彩,中国完全掌握这项技术的意义也会进一步凸显。

  ---------------------

  编辑| 史文慧

扫码加蝌蚪五线谱微信