Нашлемный дисплей ( HMD ) — это головное устройство, которое использует дисплеи и оптику для проецирования изображений и/или символов на глаза. [1] [2] [3] Он предоставляет визуальную информацию пользователю, когда требуется защита головы — особенно в военных самолетах. Узел дисплея-оптики может быть прикреплен к шлему или интегрирован в конструкцию шлема. HMD обеспечивает пилоту ситуационную осведомленность , улучшенное изображение сцены, а в военных приложениях — подачу сигналов системам оружия в направлении, на которое указывает его голова. Приложения, которые позволяют подавать сигналы системам оружия, называются нашлемными прицелами и дисплеями (HMSD) или нашлемными прицелами (HMS).
Конструкции авиационных шлемов виртуальной реальности служат следующим целям:
Системы HMD в сочетании с оружием High Off- Boresight (HOBS) позволяют экипажу атаковать и уничтожать практически любую цель, видимую пилотом. Эти системы позволяют определять цели с минимальным маневрированием самолета, минимизируя время, проведенное в опасной среде, и обеспечивая большую летальность, выживаемость и ситуационную осведомленность пилота .
В 1962 году компания Hughes Aircraft Company представила Electrocular — компактный монокулярный дисплей на основе ЭЛТ , устанавливаемый на голове и отражающий телевизионный сигнал на прозрачный окуляр. [4] [5] [6] [7]
Один из первых самолетов с простыми устройствами HMD появился в экспериментальных целях в середине 1960-х годов для помощи в наведении на ракеты с тепловым наведением . Система визуального обнаружения цели (VTAS) ВМС США , разработанная Honeywell Corporation, которая летала в начале 1970-х годов на F-4J и 1974–78 годах на истребителях ACEVAL/AIMVAL США F-14 и F-15 . VTAS получила похвалу [8] за свою эффективность в наведении на ракеты вне зоны прицеливания, но США не стали ее внедрять, за исключением интеграции в последние модели ВМС F-4 Phantom, оснащенные AIM-9 Sidewinder с 1969 года. [9] В это время HMD также были внедрены на вертолетах — примерами служат Boeing AH-64 Apache с интегрированной системой нашлемного и дисплейного прицеливания (IHADSiSy), продемонстрированная в 1985 году. [10]
В то же время (1975) Mirage 3CZ и Mirage F1AZ южноафриканских ВВС (SAAF) использовали нашлемный прицел местной разработки, интегрированный с тепловой ракетой Armscor V3A. [11] [12] [13] [14] Это позволяет пилоту совершать атаки вне ствола, без необходимости маневрировать в оптимальную позицию для стрельбы. После того, как южноафриканская система была проверена в бою, сыграв роль в сбитии советских самолетов над Анголой, широко распространено утверждение, что Советы приступили к ускоренной программе по противодействию этой технологии [ необходима цитата ] . В результате в 1985 году МиГ-29 был представлен с HMD и оружием с высоким внествольным вооружением ( Р-73 ), что давало им преимущество в ближнем маневренном бою.
Несколько стран [ какие? ] отреагировали программами по противодействию комбинации МиГ-29/HMD/R-73 (а позднее и Су-27 ) после того, как ее эффективность стала известна, в основном за счет доступа к бывшим восточногерманским МиГ-29, которые эксплуатировались объединенными немецкими ВВС.
Одним из успешных HMD была серия Elbit DASH ВВС Израиля , поступившая на вооружение вместе с Python 4 в начале 1990-х годов. США, Великобритания и Германия работали над HMD, объединенной с системами ASRAAM . Технические трудности привели к тому, что США отказались от ASRAAM, вместо этого профинансировав разработку AIM-9X и Joint Helmet-Mounted Cueing System в 1990 году. Американские и европейские истребители HMD стали широко использоваться в конце 1990-х и начале 2000-х годов.
Первым гражданским применением HMD на самолетах стал HMD Elbit SkyLens на самолете ATR 72/42. [15]
Хотя концептуально простые, реализация HMD самолетов довольно сложна. Существует много переменных: [16]
Конструкции HMD должны определять ориентацию (угол возвышения, азимут и крен), а в некоторых случаях и положение (x, y и z) головы пилота относительно планера с достаточной точностью даже при высоких « g », вибрации и быстром движении головы. В современной технологии HMD используются пять основных методов — инерциальный, оптический, электромагнитный, звуковой и гибридный. [16] Гибридные трекеры используют комбинацию датчиков, таких как инерциальные и оптические, для повышения точности отслеживания, скорости обновления и задержки. [17]
Гибридные инерциальные системы слежения используют чувствительный инерциальный измерительный блок (IMU) и оптический датчик для обеспечения привязки к самолету. IMU на основе MEMS выигрывают от высоких скоростей обновления, таких как 1000 Гц, но страдают от прецессии и дрейфа с течением времени, поэтому их нельзя использовать отдельно. В этом классе трекеров оптический датчик используется для ограничения дрейфа IMU. В результате гибридные инерциальные/оптические трекеры характеризуются низкой задержкой и высокой точностью. Thales Scorpion® HMCS [18] и HMIT HMD используют трекер, созданный InterSense, который называется Hybrid Optical-based Inertial Tracker (HObIT). [19]
Оптические системы используют инфракрасные излучатели на шлеме (или кабине экипажа ), инфракрасные детекторы в кабине экипажа (или шлеме) для измерения положения головы пилота. Основными ограничениями являются ограниченные поля зрения и чувствительность к солнечному свету или другим источникам тепла. Система MiG-29/AA-11 Archer использует эту технологию. [16] Cobra HMD, используемый как на Eurofighter Typhoon [20], так и на JAS39 Gripen [21], использует оптический нашлемный трекер, разработанный Denel Optronics (теперь часть Zeiss Optronics [22] ).
Электромагнитные датчики используют катушки (в шлеме), помещенные в переменное поле (генерируемое в кабине пилота) для создания переменного электрического напряжения на основе движения шлема по нескольким осям. Этот метод требует точного магнитного картирования кабин для учета железных и проводящих материалов в кресле, порогах кабин и навесе для уменьшения угловых ошибок при измерении. [23]
Акустические сенсорные конструкции используют ультразвуковые датчики для контроля положения головы пилота, обновляемые компьютерным программным обеспечением по нескольким осям. Типичные рабочие частоты находятся в диапазоне от 50 до 100 кГц и могут быть сделаны для передачи аудиоинформации непосредственно в уши пилота посредством модуляции поднесущей ультразвуковых сенсорных сигналов. [23] [ не удалось проверить ]
Старые HMD обычно используют компактный ЭЛТ , встроенный в шлем, и подходящую оптику для отображения символов на визоре пилота или сетке, сфокусированной на бесконечности . Современные HMD отказались от ЭЛТ в пользу микродисплеев, таких как жидкие кристаллы на кремнии (LCOS) или жидкокристаллические дисплеи (LCD) вместе со светодиодным осветителем для создания отображаемого изображения. Продвинутые HMD также могут проецировать изображения FLIR или ночного видения . Недавним усовершенствованием является возможность отображения цветных символов и видео.
Системы представлены в приблизительном хронологическом порядке первоначальной работоспособности .
В 1985 году [24] армия США приняла на вооружение AH-64 Apache и вместе с ним Интегрированную систему прицеливания шлема и дисплея (IHADSS), новую концепцию шлема, в которой роль шлема была расширена для обеспечения визуально связанного интерфейса между летчиком и самолетом. Honeywell M142 IHADSS оснащен монокулярным дисплеем с полем зрения 40° на 30°, видео-с-символикой. ИК-излучатели позволяют вращающемуся датчику термографической камеры , установленному на носу самолета, подчиняться движениям головы летчика. Дисплей также обеспечивает ночную навигацию Nap-of-the-Earth . IHADSS также используется на итальянском Agusta A129 Mangusta . [25]
Разработанная в России конструкция HMD «Щель-3УМ» 1981 года была установлена на шлем серии ЗШ-5 (и более поздние шлемы ЗШ-7) и использовалась на МиГ-29 и Су-27 в сочетании с ракетой Р-73 ( кодовое название НАТО : AA-11 Archer). Комбинация HMD/Archer дала МиГ-29 и Су-27 значительно улучшенные возможности ближнего боя. [26] [27]
Elbit Systems DASH III был первым современным западным HMD, поступившим в эксплуатацию. Разработка DASH началась в середине 1980-х годов, когда ВВС Израиля выпустили требования для самолетов F-15 и F-16. Первая конструкция поступила в производство около 1986 года, а текущий шлем GEN III поступил в производство в начале-середине 1990-х годов. Текущий вариант производства развернут на самолетах IDF F-15 и F-16 . Кроме того, он был сертифицирован на F/A-18 и F-5 . DASH III был экспортирован и интегрирован в различные устаревшие самолеты, включая МиГ-21 . [28] [ ненадежный источник? ] Он также формирует базовую технологию для US JHMCS. [29]
DASH GEN III — это полностью встроенная конструкция, в которой полный оптический и позиционный сенсорный пакет катушек встроен в шлем (стандартный HGU-55/P ВВС США или израильский стандарт HGU-22/P) с использованием сферического козырька для предоставления пилоту коллимированного изображения. Быстроразъемный провод питает дисплей и передает сигналы видеопривода на электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) шлема. DASH тесно интегрирован с системой вооружения самолета через шину MIL-STD-1553 B. Последняя модель DASH IV в настоящее время интегрирована в индийский HAL Tejas . [30]
После вывода США из ASRAAM , США преследовали и развернули JHMCS совместно с Raytheon AIM-9X в ноябре 2003 года с 12-й и 19-й истребительными эскадрильями на авиабазе Элмендорф , Аляска. ВМС провели RDT&E на F/A-18 C в качестве ведущей платформы для JHMCS, но впервые развернули ее на самолетах F/A-18 Super Hornet E и F в 2003 году. ВВС США также интегрируют JHMCS в свои самолеты F-15E , F-15C и F-16C .
JHMCS является производной от DASH III и Kaiser Agile Eye HMD и была разработана Vision Systems International (VSI), совместным предприятием, образованным Rockwell Collins и Elbit (Kaiser Electronics теперь принадлежит Rockwell Collins). Boeing интегрировала систему в F/A-18 и начала поставку мелкосерийного начального производства в 2002 финансовом году. JHMCS используется в F/A-18 A++/C/D/E/F, F-15C/D/E/S/K/SG/SA/QA/EX и F-16 Block 40/50/50+/60/70 с конструкцией, которая на 95% является общей для всех платформ. [31]
В отличие от DASH, который встроен в сам шлем, узлы JHMCS крепятся к модифицированным шлемам HGU-55/P, HGU-56/P или HGU-68/P. JHMCS использует более новый, более быстрый пакет цифровой обработки, но сохраняет тот же тип электромагнитного определения положения, что и DASH. Пакет CRT более эффективен, но остается ограниченным монохромным представлением курсивных символов. JHMCS обеспечивает поддержку растровых сканированных изображений для отображения изображений FLIR/ IRST для ночных операций и предоставляет пилоту коллимированную символику и изображения. Интеграция очков ночного видения с JHMCS была ключевым требованием программы.
В сочетании с AIM-9X, усовершенствованным оружием ближнего боя, которое использует искатель Focal Plane Array и пакет управления вектором тяги хвостового оперения, JHMCS позволяет эффективно целеуказывать до 80 градусов по обе стороны от носа самолета. В марте 2009 года успешный запуск ASRAAM с функцией «Захват после запуска» по цели, расположенной за линией крыла самолета-«стрелка», был продемонстрирован самолетом F/A-18 Королевских австралийских ВВС (RAAF) с использованием JHMCS. [32]
Система, разработанная компанией Elbit, используется Катаром и Индией на самолетах Rafale F3R [33] [34]
Gentex / Raytheon представили на рынке военной авиации систему отображения информации Scorpion® Head/Helmet-Mounted в 2008 году. В 2010 году Scorpion стал победителем программы интегрированного наведения на шлем (HMIT) ВВС США/ANG/AFRes. [35] Подразделение Gentex по нашлемным дисплеям и отслеживанию движения впоследствии было приобретено Thales в 2012 году. Система HMIT была квалифицирована и развернута на платформах A-10 [36] и F-16 в 2012 году. [37] Начиная с 2018 года, установленная база систем HMIT прошла модернизацию нашлемного трекера. Первоначальный датчик магнитного слежения переменного тока был заменен инерциально-оптическим гибридным трекером, называемым Hybrid Optical Based Inertial Tracker (HObIT). [38] [39] HObIT был разработан InterSense [40] и испытан Thales в 2014 году. [41]
Scorpion отличается тем, что является первым представленным и развернутым HMD, который может отображать полноцветную конформную символику. [42] Он используется вместе с системой управления полетом самолета для управления модулями наведения самолета, датчиками на шарнирах и ракетами с высоким отклонением от линии визирования. Scorpion обеспечивает возможность «глаз наружу»: даже когда объекты могут быть скрыты от обзора, Scorpion может предоставлять визуальные графические подсказки на дисплей ближнего поля. [43] В отличие от большинства HMD, которым требуются специальные шлемы, Scorpion был разработан для установки на стандартные шлемы HGU-55/P и HGU-68/P и полностью совместим со стандартным оборудованием для пилотов США без специальной подгонки. Он также полностью совместим со стандартными немодифицированными очками ночного видения (NVG) AN/AVS-9 и панорамными очками ночного видения (PNVG). Пилоты, использующие Scorpion, могут видеть как изображение ночного видения, так и символы на дисплее. [44] [45]
Scorpion использует новую оптическую систему, включающую оптический элемент световода (LOE), который обеспечивает пилоту компактное цветное коллимированное изображение. Дисплей может быть установлен каждым пилотом, что устраняет необходимость в точном положении шлема на голове пользователя или специальной установке шлема. Программная коррекция адаптирует положение дисплея, обеспечивая пилоту точное изображение и позволяя устанавливать Scorpion HMCS на существующий шлем пилота. Козырек может быть развернут перед дисплеем, обеспечивая защиту во время катапультирования. Козырек может быть прозрачным, бликующим, высококонтрастным, градиентным или лазерно-защитным. Для ночных операций вместо козырька во время полета можно установить крепление NVG. После установки NVG можно разместить перед дисплеем, что позволит пилоту одновременно видеть как символы дисплея, так и изображение NVG.
Scorpion также используется Tactical Air Support Inc. на F-5AT, [46] французскими ВВС на Rafale F4, [47] испанскими ВВС на EF-18, [48] AC -130W Stinger II Gunship, [49] F -22 Raptor , [50] а также бельгийскими ВВС F-16AM/BM и ВВС Национальной гвардии США F-16C. [51] [52]
Турецкая компания Aselsan работает над разработкой системы, аналогичной французскому шлему TopOwl, которая называется AVCI Helmet Integrated Cueing System. Система также будет использоваться в турецком ударном вертолете T-129 . [53]
Французская система управления вектором тяги Matra MICA (ракета) для истребителей Dassault Rafale и последней модели Mirage 2000 сопровождалась Topsight HMD от Sextant Avionique. TopSight обеспечивает 20-градусное поле зрения для правого глаза пилота и курсивную символику, генерируемую на основе параметров цели и самолета. Используется электромагнитное определение положения. Шлем Topsight использует интегральную встроенную конструкцию, а его контурная форма разработана для предоставления пилоту совершенно беспрепятственного поля зрения.
TopNight, производная от Topsight, разработана специально для неблагоприятных погодных условий и ночных операций «воздух-земля», используя более сложную оптику для проецирования инфракрасных изображений, наложенных на символы. Самая последняя версия Topsight получила обозначение TopOwl-F и квалифицирована на Mirage-2000-5 Mk2 и Mig-29K.
Eurofighter Typhoon использует систему Helmet-Mounted Symbology System (HMSS), разработанную BAE Systems и Pilkington Optronics . Названная Striker и более поздняя версия Striker II, она способна отображать как растровые изображения, так и курсивные символы, с возможностью установки встроенных ПНВ . Как и в шлеме DASH, система использует интегрированное определение положения , чтобы гарантировать, что символы, представляющие объекты внешнего мира, движутся в соответствии с движениями головы пилота.
Vision Systems International (VSI; совместное предприятие Elbit Systems / Rockwell Collins ) совместно с Helmet Integrated Systems, Ltd. разработали нашлемную систему отображения (HMDS) для самолета F-35 Joint Strike Fighter. В дополнение к стандартным возможностям HMD, предлагаемым другими системами, HMDS полностью использует передовую архитектуру авионики F-35 и предоставляет пилоту видео с изображениями в дневных и ночных условиях. Следовательно, F-35 является первым тактическим истребителем за 50 лет, который летает без HUD. [54] [55] Шлем BAE Systems рассматривался, когда разработка HMDS столкнулась со значительными проблемами, но эти проблемы в конечном итоге были решены. [56] [57] Нашлемная система отображения была полностью работоспособна и готова к поставке в июле 2014 года. [58]
Jedeye — это новая система, недавно представленная Elbit Systems, специально для Apache и других вертолетных платформ. Система разработана для дневных, ночных и аварийных полетов. Jedeye имеет поле зрения 70 x 40 градусов и разрешение 2250 x 1200 пикселей.
Шведский истребитель JAS 39C/D Gripen использует Cobra HMD. Шлем является дальнейшей разработкой и усовершенствованием шлема Striker, разработанного для Eurofighter компанией BAE Systems. Усовершенствование выполнено BAE в партнерстве с Denel Cumulus. [59] [60]