Нашлемный дисплей ( HMD ) — это головное устройство, которое использует дисплеи и оптику для проецирования изображений и/или символов в глаза. [1] [2] [3] Он предоставляет пользователю визуальную информацию о том, где требуется защита головы – особенно в военных самолетах. Блок дисплея-оптики может быть прикреплен к шлему или интегрирован в конструкцию шлема. HMD обеспечивает пилоту осведомленность о ситуации , улучшенное изображение сцены, а в военных приложениях сигнализирует системам вооружения о направлении, в котором указывает его голова. Приложения, которые позволяют управлять системами вооружения, называются нашлемными прицелами и дисплеями (HMSD) или нашлемными прицелами (HMS).
Конструкции авиационных HMD служат следующим целям:
Системы HMD в сочетании с вооружением с большим радиусом действия ( HOBS) позволяют летному экипажу атаковать и уничтожать практически любую цель, видимую пилотом. Эти системы позволяют назначать цели с минимальным маневрированием самолета, сводя к минимуму время, проведенное в опасной среде, и обеспечивая большую смертоносность, живучесть и ситуационную осведомленность пилотов .
В 1962 году компания Hughes Aircraft Company представила Electrocular, компактный ЭЛТ -монокуляр, крепящийся на голову, который отражал телевизионный сигнал на прозрачный окуляр. [4] [5] [6] [7]
С 1966 года по начало 1970-х годов Mirage 3CZ и Mirage F1AZ SAAF ( ВВС Южной Африки ) были первыми, кто использовал нашлемный прицел местной разработки. Южная Африка была первой страной, разработавшей и применившей в бою HMS — нашлемный прицел местной разработки, интегрированный с ракетой с тепловым наведением Armscor V3A. [8] [9] Это позволяет пилоту совершать атаки вне ствола без необходимости маневрирования на оптимальной огневой позиции. После того , как южноафриканская система доказала свою эффективность в бою, сыграв свою роль в сбитии советских самолетов над Анголой, Советы приступили к реализации аварийной программы по противодействию этой технологии . В результате в 1985 году МиГ-29 были приняты на вооружение с HMD и орудием с большой дальностью прицеливания ( Р-73 ), что давало им преимущество в ближнем маневренном бою.
Несколько наций [ какие? ] ответил программами противодействия комбинации МиГ-29/HMD/R-73 (а позже Су-27 ), как только стала известна ее эффективность, главным образом через доступ к бывшим восточногерманским МиГ-29, которые эксплуатировались объединенными ВВС Германии.
Один из первых самолетов с простыми устройствами HMD появился в экспериментальных целях в середине 1970-х годов для помощи в наведении на ракеты с тепловым наведением . Эти элементарные устройства лучше было бы назвать прицелами, монтируемыми на шлеме. Система визуального обнаружения целей (VTAS) ВМС США , созданная Honeywell Corporation, представляла собой простой механический прицел в виде кольца и бусинки, прикрепленный к передней части шлема пилота, который летал на самолетах ACEVAL/AIMVAL в США в 1974–78 годах. Истребители F-14 и F-15 . VTAS получил похвалу [ от кого? ] из-за его эффективности в наведении на ракеты вне зоны прицеливания, но США не стали использовать его, за исключением интеграции в последние модели ВМС F-4 Phantom, оснащенные AIM-9 Sidewinder с 1969 года. [10] HMD были также установлены на вертолетах . за это время - примеры включают Boeing AH-64 Apache с интегрированной системой прицеливания на шлеме и дисплее (IHADSiSy), продемонстрированный в 1985 году. [11]
Одним из успешных HMD была серия Elbit DASH ВВС Израиля , использовавшаяся совместно с Python 4 в начале 1990-х годов. США, Великобритания и Германия разработали HMD в сочетании с системами ASRAAM . Технические трудности привели к тому, что США отказались от ASRAAM и вместо этого в 1990 году профинансировали разработку AIM-9X и совместной системы сигнализации на шлеме. Американские и европейские истребители HMD стали широко использоваться в конце 1990-х - начале 2000-х годов.
Первым гражданским применением HMD на самолете стал HMD Elbit SkyLens на самолете ATR 72/42.[12]
Несмотря на концептуальную простоту, реализация авиационных HMD довольно сложна. Есть много переменных: [13]
Конструкции HMD должны определять ориентацию (возвышение, азимут и крен), а в некоторых случаях и положение (x, y и z) головы пилота относительно корпуса самолета с достаточной точностью даже при высоких перегрузках , вибрации и во время быстрого движения. движение головой. В современной технологии HMD используются пять основных методов: инерционный, оптический, электромагнитный, звуковой и гибридный. [13] Гибридные трекеры используют комбинацию датчиков, таких как инерционные и оптические, для повышения точности отслеживания, скорости обновления и задержки. [14]
Гибридные системы инерциального слежения используют чувствительный блок инерциальных измерений (IMU) и оптический датчик для определения местоположения самолета. IMU на основе MEMS выигрывают от высокой частоты обновления, например 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 инерциально-оптические трекеры имеют низкую задержку и высокую точность. В шлемах Thales Scorpion® HMCS [15] и HMIT используется трекер производства InterSense, который называется гибридным инерциальным трекером на оптической основе (HObIT). [16]
В оптических системах используются инфракрасные излучатели на шлеме (или кабине экипажа ) и инфракрасные детекторы в кабине экипажа (или шлеме) для измерения положения головы пилота. Основными ограничениями являются ограниченные поля обзора и чувствительность к солнечному свету или другим источникам тепла. Эту технологию использует комплекс МиГ-29/АА-11 «Арчер». [13] Шлем Cobra, используемый как на Eurofighter Typhoon [17], так и на JAS39 Gripen [18], использует оптическое устройство слежения за шлемом, разработанное Denel Optronics (теперь часть Zeiss Optronics [19] ).
В конструкциях электромагнитных датчиков используются катушки (в шлеме), помещенные в переменное поле (генерируемое в кабине экипажа) для создания переменного электрического напряжения , основанного на движении шлема по нескольким осям. Этот метод требует точного магнитного картирования кабины экипажа для учета черных и проводящих материалов в сиденьях, порогах кабины экипажа и фонаре, чтобы уменьшить угловые ошибки в измерениях. [20]
В конструкциях акустических датчиков используются ультразвуковые датчики для контроля положения головы пилота, которые обновляются компьютерным программным обеспечением по нескольким осям. Типичные рабочие частоты находятся в диапазоне от 50 до 100 кГц и могут использоваться для передачи звуковой информации непосредственно в уши пилота посредством модуляции поднесущей сигналов ультразвукового зондирования. [20] [ не удалось проверить ]
В более старых HMD обычно используется компактный ЭЛТ, встроенный в шлем, и подходящая оптика для отображения символов на козырьке или сетке пилота, сфокусированной на бесконечности . Современные шлемы виртуальной реальности отказались от ЭЛТ в пользу микродисплеев, таких как жидкокристаллический на кремнии (LCOS) или жидкокристаллический дисплей (ЖКД) вместе со светодиодной подсветкой для генерации отображаемого изображения. Усовершенствованные шлемы виртуальной реальности также могут проецировать изображения FLIR или ночного видения . Недавним улучшением является возможность отображения цветных символов и видео.
Системы представлены в приблизительном хронологическом порядке начальной работоспособности .
В 1985 году [21] армия США представила 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, чтобы обеспечить визуально связанный интерфейс между летчик и самолет. Honeywell M142 IHADSS оснащен монокулярным дисплеем с полем обзора 40 °х30°. ИК-излучатели позволяют поворотному датчику термографической камеры , установленному на носовой части самолета, отслеживать движения головы летчика. Дисплей также обеспечивает ночную навигацию по принципу «сумки земли» . IHADSS также используется на итальянском Agusta A129 Mangusta . [22]
Разработанная в России конструкция шлема Щель-3УМ была установлена на шлеме серии ЗШ-5 (а позже и на шлемах ЗШ-7) и использовалась на МиГ-29 и Су-27 в сочетании с ракетой Р-73 ( НАТО) . отчетное имя : AA-11 Archer). Комбинация HMD/Archer дала МиГ-29 и Су-27 значительно улучшенные возможности ближнего боя. [23] [24]
Elbit Systems DASH III был первым современным западным HMD, дошедшим до эксплуатации. Разработка DASH началась в середине 1980-х годов, когда ВВС США предъявили требования к самолетам F-15 и F-16. Первая модель была запущена в производство примерно в 1986 году, а нынешний шлем GEN III был запущен в производство в начале-середине 1990-х годов. Текущий серийный вариант используется на самолетах ЦАХАЛа F-15 и F-16 . Кроме того, он сертифицирован для самолетов F/A-18 и F-5 . DASH III экспортировался и интегрировался в различные устаревшие самолеты, включая МиГ-21 . [25] [ ненадежный источник? ] Он также является базовой технологией для JHMCS США. [26]
DASH GEN III представляет собой полностью встроенную конструкцию, в которой полный комплект оптических катушек и катушек определения положения встроен в шлем (либо стандарт ВВС США HGU-55/P, либо стандарт Израиля HGU-22/P) с использованием сферического козырька для обеспечения коллимированное изображение пилоту. Быстроразъемный провод питает дисплей и передает сигналы видеосигнала 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 . [27]
После выхода США из ASRAAM , США преследовали и выставили JHMCS совместно с Raytheon AIM-9X в ноябре 2003 года в составе 12-й и 19-й истребительных эскадрилий на авиабазе Эльмендорф на Аляске. Военно-морской флот провел испытания и испытания на F/A-18 C в качестве ведущей платформы для JHMCS, но сначала применил их на самолетах F/A-18 Super Hornet E и F в 2003 году. ВВС США также интегрируют JHMCS в свои F-15E . Самолеты F-15C и F-16C .
JHMCS является производной от DASH III и Kaiser Agile Eye HMD и был разработан Vision Systems International (VSI), совместным предприятием, созданным Rockwell Collins и Elbit (сейчас Kaiser Electronics принадлежит Rockwell Collins). Компания Boeing интегрировала эту систему в F/A-18 и начала начальную поставку мелкосерийного производства в 2002 финансовом году. JHMCS используется в F/A-18 A++/C/D/E/F, F-15C/D/. E/SA/QA/EX и F-16 Block 40/50 с конструкцией, на 95% общей для всех платформ. [28]
В отличие от DASH, который интегрирован 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 функционален, но остается ограниченным монохромным представлением рукописных символов. JHMCS обеспечивает поддержку растровых изображений для отображения изображений FLIR/ IRST для ночных операций и предоставляет пилоту коллимированные символы и изображения. Интеграция очков ночного видения с JHMCS была ключевым требованием программы.
В сочетании с AIM-9X, передовым оружием ближнего боя, в котором используется ГСН с решеткой фокальной плоскости и пакет управления хвостовым оперением с вектором тяги, JHMCS обеспечивает эффективное целеуказание под углом до 80 градусов по обе стороны от носа самолета. В марте 2009 года F/A-18 Королевских ВВС Австралии (RAAF) продемонстрировал успешную стрельбу ASRAAM по цели, расположенной за линией крыла самолета-стрелка, с использованием JHMCS. . [29]
Система, разработанная Elbit , используется Катаром и Индией на Rafale F3R [30] [31]
В 2008 году компания Thales представила на рынке военной авиации систему индикации, монтируемую на голове/шлеме. В 2010 году компания Scorpion стала победителем программы интегрированного наведения на шлеме (HMIT) USAF/ANG/AFRes. [32] Система HMIT прошла квалификацию и была развернута на платформах A-10 [33] и F-16 в 2012 году. [34] Начиная с 2018 года, установленная база систем HMIT прошла модернизацию системы отслеживания шлемов. Первоначальный магнитный датчик слежения переменного тока был заменен инерционно-оптическим гибридным трекером под названием Hybrid Optical Inertial Tracker (HObIT). [35] [36] HObIT был разработан InterSense [37] и протестирован Thales в 2014 году. [38]
Скорпион отличается тем, что является первым представленным и развернутым HMD, который может отображать полноцветную конформную символику. [39] Он используется вместе с системой управления полетом самолета для подачи сигналов на блоки наведения самолета, подвесные датчики и ракеты с большим отклонением от цели прицеливания. Скорпион обеспечивает возможность «выглядывания наружу»: даже когда объекты могут быть скрыты от поля зрения, Скорпион может подавать визуальные графические подсказки на дисплей ближнего поля. [40] В отличие от большинства шлемов HMD, для которых требуются специальные шлемы, «Скорпион» был разработан для установки на стандартные шлемы HGU-55/P и HGU-68/P и полностью совместим со стандартным летным оборудованием пилотов США без специальной установки. Он также полностью совместим со стандартными немодифицированными очками ночного видения AN/AVS-9 (NVG) и панорамными очками ночного видения (PNVG). Пилоты, используя «Скорпион», могут просматривать как изображение ночного видения, так и символы на дисплее. [41] [42]
В «Скорпионе» используется новая оптическая система со световодным оптическим элементом (LOE), который обеспечивает пилоту компактное цветное коллимированное изображение. Дисплей может позиционироваться каждым пилотом, что исключает необходимость точного расположения шлема на голове пользователя или специальной подгонки шлема. Программная коррекция учитывает положение дисплея, предоставляя пилоту точное изображение и позволяя установить Scorpion HMCS на существующий шлем пилота. Перед дисплеем может быть развернут козырек, обеспечивающий защиту при катапультировании. Визор может быть прозрачным, бликующим, высококонтрастным, градиентным или защитным от лазера. Для работы в ночное время вместо козырька во время полета можно установить крепление ПНВ. После установки ПНВ можно разместить перед дисплеем, что позволяет пилоту одновременно видеть как символы дисплея, так и изображение ПНВ.
«Скорпион» также используется Tactical Air Support Inc. на F-5AT, [43] французскими ВВС на Rafale F4, [44] ВВС Испании на EF-18, [45] боевом корабле AC -130W Stinger II, [44 ] 46] и Lockheed Martin F-22 Raptor . [47]
Турецкая компания Aselsan работает над разработкой системы, аналогичной французскому шлему TopOwl, под названием AVCI Helmet Integrated Cueing System. Система также будет использоваться на турецком ударном вертолете Т-129 . [48]
Французская разработка вектора тяги Matra MICA (ракета) для истребителей Dassault Rafale и последней модели Mirage 2000 сопровождалась шлемом управления Topsight от Sextant Avionique. TopSight обеспечивает поле зрения 20 градусов для правого глаза пилота и курсивные символы, генерируемые на основе параметров цели и самолета. Используется электромагнитное определение положения. Шлем Topsight имеет встроенную конструкцию, а его контурная форма обеспечивает пилоту полностью беспрепятственный обзор.
TopNight, производная от Topsight, разработана специально для неблагоприятных погодных условий и ночных операций «воздух-земля» и использует более сложную оптику для проецирования инфракрасных изображений, наложенных на символы. Самая последняя версия Topsight получила обозначение TopOwl-F и подходит для установки на Мираж-2000-5 Mk2 и МиГ-29К.
В истребителе Eurofighter Typhoon используется система символики, монтируемая на шлеме (HMSS), разработанная компаниями BAE Systems и Pilkington Optronics . Названный Striker и более поздняя версия Striker II, он способен отображать как растровые изображения, так и рукописные символы, а также поддерживает встроенные ПНВ . Как и в случае со шлемом DASH, система использует встроенное определение положения , чтобы гарантировать, что символы, представляющие объекты внешнего мира, перемещаются в соответствии с движениями головы пилота.
Vision Systems International (VSI; совместное предприятие Elbit Systems / Rockwell Collins ) вместе с Helmet Integrated Systems, Ltd. разработала систему отображения на шлеме (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. [49] [50] Шлем BAE Systems рассматривался, когда при разработке HMDS возникли серьезные проблемы, но в конечном итоге эти проблемы были решены. [51] [52] Система отображения на шлеме была полностью работоспособна и готова к доставке в июле 2014 года. [53]
Jedeye — это новая система, недавно представленная компанией Elbit Systems специально для удовлетворения требований Apache и других вертолетных платформ. Система предназначена для дневных, ночных полетов и в условиях отсутствия освещения . Jedeye имеет угол обзора 70 x 40 градусов и разрешение 2250 x 1200 пикселей.
Шведский истребитель JAS 39C/D Gripen использует HMD Cobra. Шлем представляет собой дальнейшее развитие и усовершенствование шлема Striker, разработанного для Eurofighter компанией BAE Systems. Доработка выполняется BAE в сотрудничестве с Denel Cumulus. [54] [55]
{{cite web}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)