F-35战机头盔：揭密世界最先进的显示系统(HMDS）

传感器技术 2022-12-27 07:00 2928浏览 0评论 0点赞

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F-35战斗机头盔显示系统（HMDS）

F-35战斗机的第三代头盔是世界上最先进的头盔显示系统(HMDS)，首次使用了虚拟成像技术，可以直接将画面投射到驾驶员的面罩之上，配以计算机的处理运算技术，真正实现了“实时呈现”的能力。

F-35战斗机头盔

HMD技术的发展

在航空领域，“情景感知”对于飞机驾驶员来说是非常关键的，一般情况下，飞行员必须不断监测和评估飞机舷窗外部情况、各种仪器仪表数据、声音等多方面信息，综合处理后完成精确、安全的驾驶、导航和对飞行不同状况作出相应的操作，如果是战斗机驾驶员，与任务相关的战术信息也必须被考虑进去，这就需要一个综合的数据显示工具来整合这些信息，将它们准确、快速的展示在驾驶员眼前。

HUD

抬头显示器(HUD)首先被应用在战斗机上，它在紧凑的屏幕上整合飞行数据信息，飞行员据此可以快速掌握他们所需要的数据，而无需向下低头查看仪表板了，但也仅限于显示设备数据而已。

1961年，第一批军用作战HUD被用于向战斗机驾驶员提供关键的飞机运行和目标信息，最早使用的HUD系统为阴极射线管屏幕技术（CRT），CRT屏幕由于成本相对较低和寿命较长，目前仍在一些飞机上使用。

HUD、HMD

随着导弹技术的出现，战斗机飞行员需要能够“看到更远”的目标，第一批作战HMD出现在20世纪70年代，它主要为满足空空导弹的大离轴角瞄准发射需要而开发，在21世纪初，工程师们将HUD技术集成到HMD中，并从那时起两项技术合并开发，这也就是我们现在常见飞行员头盔。

战斗机头盔的设计及要求

第三代战斗机驾驶员头盔关键部件包括头盔本身(保护飞行员的头部)、主动降噪耳机、夜视摄像机、显示面罩、显示单元、将图像和符号投影到显示面罩上的电子组件，以及显示管理计算机(DMC)等。

驾驶员佩戴的头盔

它有着一套独特的设计要求：

必须有承受飞机机动时的过载的能力，最低标准为8个G。
显示面罩必须要“绝对”清楚，以便于飞行员准确判读。

显示性能的设计要求包括：

具备双目、高亮度、宽视场的“显示器”；
显示的图像必须是全方位、高精度的；
低延迟；
具备360°夜视能力。

同时，除上述几点之外，还必须要求飞行员佩戴时有舒适的感觉，这也就要求：

头盔重量必须要轻，以尽量减少驾驶员疲劳感觉；
一旦发射意外，弹射时速度达到550节时，必须能够保证飞行员头部安全。
具有一定的防弹能力。

F-35战斗机的HMDS

F-35头盔显示系统(HMDS)是世界上最先进的双目HMDS，它的综合头部显示器是第一个向飞行员提供他们需要的所有关键信息的头盔，由罗克韦尔·柯林斯公司开发研制，造价高达30-40万美元左右。

造型相当“科幻”

碳纤维的使用

为了制造出最先进的F-35头盔，柯林斯公司的研究人员不得不应对许多挑战。

首先，他们需要将相当于两个重约13公斤的HUD安装到头盔上，在头盔重量方面，系统的总重量需要小于2.2千克，为了做到这一点，头盔内使用的光学和电子学元件被小型化，同时大量使用新型复合材料碳纤维，在最小的厚度和重量的前提下，碳纤维可以提供给头盔足够的强度和韧性。

F-35内驾驶员

F-35头盔设计者们需要将完整的HUD系统完整的“塞入”到头盔和面罩之间狭小的区域内，为了做到这一点，他们开发了一个非常复杂的带有多个传感器的头部跟踪系统，使用了最为尖端光学技术，完美的将头部显示器(HUD)、头盔显示器和遮阳投影夜视系统集成在一个小小的头盔内。

安全性能

安全性能同样是一个硬指标，F-35头盔设计团队在研发时，除了需在可视技术上有所突破之外，还必须满足所有的头盔安全性能和重量要求，以保证驾驶员的生命安全。

头盔结构

为了支持头盔及其所有部件的设计和制造，罗克韦尔·柯林斯公司开发了一个全球性的专业供应商网络，并使用复杂的测试设备来验证质量和性能。

HMDS不是一个独立的设备，它只是F-35战斗机的一部分，HMDS与头盔跟踪/发射单元(HTU)集成在一起，该单元跟踪飞行员的头部运动，以确保所显示的摄像机图像和其他数据可以准确呈现在飞行员的视线之内。

适合任何驾驶员的头盔自定义系统

F-35的头盔佩戴也有一定的讲究，并非是很多人共用一个头盔，而是每一位驾驶员都有自己的专属头盔（或者说是专属内衬），这完全是根据驾驶员的生理特点而量身打造的。

每一位驾驶员都有自己的专属头盔

在制作过程中，头盔的基线设计必须适用于所有飞行员，显示单元必须是可调整的，能够适应多个光学传感器的安装，保证对齐飞行员的眼睛，同时在头盔内部加装内衬垫自定义系统，让飞行员的头部与头盔紧密结合。

头盔内衬垫的自定义系统是一款适应飞行员头部不同生理特点的头盔修正装备，它需要根据驾驶员头部的特点进行测量和调整，包括激光扫描飞行员的头部，以确定瞳孔位置、确定头盔的大小，然后，定制模具垫被碾磨到头盔内，确保头盔与飞行员头骨的紧密契合，然后所有的显示单元位置被调整到与驾驶员的瞳孔相匹配的位置。

夜间起降

最后，所有单独的组件被组装，HMD经过功能测试，进一步调整显示器与飞行员眼睛之间的最佳距离，例如，关键符号必须投影在显示器相对于飞行员的视野内的最佳位置。

F-35 HMDS的投影显示器具有以下功能：

30°×40°宽视场，重叠100%；
在夜间情况下，图像由hmd直接投影，无需单独使用夜视镜；
飞机性能数据和所需的任务符号是结合在一起的；
视距跟踪，它使飞行员能够通过观察和指定目标来瞄准；
头盔跟踪系统与飞行员的视线相对应，采用基于自动协调和自动对准算法的复杂输入输出的磁跟踪和惯性跟踪方式；
还包括具备用于视频汇报的记录能力。

飞行员的视野

一旦飞行员戴上头盔进入F-35战斗机的驾驶舱，所有的飞机数据和影像资料全部实时传送至驾驶员眼前，从飞行员的角度来看，整个世界将以他为中心，正前方为“视觉中枢”，头转至两侧为“离轴”范围。

F-35的相机系统所覆盖的范围数据将在头盔显示器上完整呈现，这大大超出了驾驶舱窗外视野的范围，例如，飞机侧面和下面的摄像机提供的实时视频可以显示整个飞机360度的视角，这使得飞行员能够实时地看到飞机下面和周围的情况。

俯视F-35驾驶舱

同时，红外(IR)相机捕获补充的外部图像，用于夜视和其他低能见度情况，所有这些可视数据都可以显示在头盔视盘的显示屏幕上，并与标准符号一起显示，以供飞行员参考。

出击

数据延迟“不存在”

延迟问题表现在显示图像对飞行员头部运动反应的轻微延迟，很可能导致飞行员晕厥并阻碍他们对周围环境的感知，因此确保头盔显示的低延迟是至关重要的，不过在美国空军看来，这在F-35飞机头盔上根本不存在这个问题，因为在夜间飞行时，飞行员几乎完全依赖于HMD的夜视功能，很少或者根本不需要使用外部视觉系统辅助，显示图像无数据“竞争”，自然延迟问题就不存在了。

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