浅谈四代战斗机的座舱布局

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导读:战斗机座舱是飞行员操纵飞机执行作战任务的工作环境,是飞行员与载机交换信息唯一的界面和手段。飞行员在座舱里,用眼睛观察显示器来获取信息,用手操纵开关、旋钮、手柄或者用话音来发出指令。座舱设计体现了战斗机的综合技术水平,也在一定程度上反映出它的作战能力;合理的座舱布局和显控配置是充分发挥战斗机性能的关键因素之一。   本文将简要介绍第二、三代战斗机的座舱布局,并详细分析第四代战斗机的座舱布局。      第二、三代战斗机的座舱布局      第二代战斗机的座舱布局   第一代战斗机座

战斗机座舱是飞行员操纵飞机执行作战任务的工作环境,是飞行员与载机交换信息唯一的界面和手段。飞行员在座舱里,用眼睛观察显示器来获取信息,用手操纵开关、旋钮、手柄或者用话音来发出指令。座舱设计体现了战斗机的综合技术水平,也在一定程度上反映出它的作战能力;合理的座舱布局和显控配置是充分发挥战斗机性能的关键因素之一。


本文将简要介绍第二、三代战斗机的座舱布局,并详细分析第四代战斗机的座舱布局。


第二、三代战斗机的座舱布局


第二代战斗机的座舱布局

第一代战斗机座舱主要用于目视飞行和简单仪表飞行,这里不详细叙述。第二代战斗机(如F-4、“米格-21”)的座舱使用单一功能的部件,它们被独立地连接到专用的控制板上;但是可以通过广播式数据总线连接几个部件并用1块多功能控制板来控制,初步实现了部件之间的信息共享、初现综合航空电子系统的思想。二代及二代半战斗机的座舱仍采用传统的显示与控制方式;显示设备以常规仪表为主,仪表采用T形布局,部分机种采用平视显示器;控制设备为专用的分立式控制器,座舱显示控制技术水平较低。




第三代战斗机的座舱布局

由于航空电子技术的快速发展第三代战斗机广泛装备了电子显示器,座舱显示也完成了从空分制向时分制的转变。座舱运用计算机控制、电子显示和数据总线传输技术按功能横向组合或综合,把机载航空电子设备的显示器和控制器综合成一个系统。目前国外第三代战斗机(如“幻影-2000”、F-16)的座舱一般采用平视显示器和2~3个多功能显示器。平视显示器作为主飞行仪表;多功能显示器通常用以显示垂直情况、水平情况、武器管理及系统监视等信息,最初用单色阴极射线管,后改用彩色阴极射线管,现在正逐步使用有源矩阵液晶显示器。综合控制系统主要由握杆操纵控制器、显示器周边键和正前方控制板等构成。



战斗机座舱布局的人机工效考虑


第三代战斗机座舱布局的不足主要体现在人机工效方面:一是信息量极大地增加,飞行员必须处理大量的输入、输出信息任何的信息漏失或错误感知都可能导致决策上的失误。二是飞行员要快速、准确地做出反应,任何的处理延误同样会引起严重的后果。三是飞行员高度紧张、工作负荷过大,不利于快速、准确地做出反应。可见,第三代战斗机座舱的人机工效设计还有许多缺陷。


人机工效设计是一种以飞行员为中心的设计思想,在座舱设计中的作用至关重要在开始新的座舱设计时,需要根据过去的使用经验、未来的使用目标来确定人机工效的设计要求:然后通过模拟仿真和样机分析,评估各种设计方案是否满足要求。


人机功能分配是座舱总体设计中的基本问题之一,应该根据人、机各自的特点,进行合理的功能分配,实现座舱设计中人机的辩证统一。把什么任务分配给飞行员、什么任务分配给自动驾驶系统、什么任务由人和机器来共同完成,直接影响到座舱的人机界面设计,并在很大程度上决定着战斗机的作战效能。


飞机座舱是飞行员的工作场所,合理的布局设计可以提高飞行员的工作效率、确保系统的安全可靠。座舱布局的人机工效学主要针对飞行条件下人的特点和任务要求,确定座舱内显示器、控制器的位置、尺寸、颜色、亮度等要素的设计原则,使之适合飞行员的工作特点和能力。战斗机座舱空间小、设备多,在非常有限的空间内布置诸多设备,既要从座舱基本结构和尺寸方面考虑功效学问题,又要考虑人接收信息的规律、飞行环境对人的影响等因素;要从总体上对座舱的几何设计、信息设计、显控设计等提出要求,并对系统进行工程管理。



国外第四代战斗机的座舱布局


F-22战斗机座舱布局

F-22战斗机的座舱包含有1个平视显示器和6个下视显示器。平视显示器是视场20°×30°的广角全息平视显示器。6个下视显示器均为多功能显示器,一般设置成态势显示器、攻击显示器、防御显示器、外挂物管理显示器、通信导航和识别显示器以及备份信息显示器,飞行员可根据自己的习惯设置不同的显示格式。各显示器之间的信息十分容易互换,某个显示器出现故障后可用另一个显示器来代替,从而大大提高了战斗机的生存力和任务有效性。


(1)态势显示器位于仪表板中央,面积8×8英寸,可向飞行员提供战场的整体态势情况。它通常用于显示本机的航向、机载传感器的作用范围、僚机和友机的相对位置及航向等有关数据。当F-22探测到敌机或不明飞机时,在态势显示器中分别用红色和黄色的图符标出位置:在获得其类型、高度、速度、距离和航向的信息后以红色文本方式显示在态势显示器的左下角。F-22既可利用本机的传感器获取数据,也可通过联合战术信息分发系统提取其他飞机平台的数据。其航电系统能够与僚机实现信息共享,了解僚机射击清单上的选定目标以及现有武器的配置情况。敌方威胁飞机在射击清单中由相应的图符来表示,攻击优先级可由系统自动设定、也可由飞行员自行设定。列入射击清单的目标的图符,用一个白色的圆环套住,最先攻击的目标的图符,由一个白色的实心圆表示;已被摧毁的目标的图符则自动从态势显示器的屏幕上消失。


(2)攻击显示器位于态势显示器右边,面积6×6英寸。它除了采用与态势显示器相同的基本图符外,还增加了导弹控制提示符、敌我导弹的射距包线以及相对高度信息,并以文本方式列出本机武器的状况。当武器的所有攻击参数均已满足时,在平视显示器和攻击显示器的屏幕上会闪烁白色的“SHOOT”(发射)指令,射出导弹的飞行轨迹也显示在攻击显示器上。


(3)防御显示器位于态势显示器左边,面积6×6英寸。它显示对可能威胁本机的敌机的防御行动,显示和跟踪空空、地空导弹并列出本机红外曳光弹和箔条弹的现存数量。

(4)外挂物管理显示器位于态势显示器下方,面积也是6×6英寸。通常用于显示整个战场的侧视图,使飞行员通过比较敌我飞机的态势,更好地规划进攻。飞行员也可调用其他10种显示模式,显示燃油状况、发动机参数、悬挂物数据、自检测清单和测试系统的报告等信息。


(5)通信、导航和识别显示器,位于仪表板左下角面积为3×4英寸。

(6)备份信息显示器,位于仪表板右下角,面积也是3×4英寸,作为备用地平仪和燃油油量表。

F-22的控制系统由握杆操纵控制器、显示器周边键以及正前方控制板组成。握杆操纵控制器简化了传感器、武器和各系统的控制。无论在超视距攻击或近距格斗情况下,驾驶员都能通过握杆操纵控制器选择实施攻击所需的各种工作状态。正前方控制板用来显示并选择通信、导航、识别系统的工作状态、 输入数据,并显示告警信息。


F-35战斗机座舱布局

F-35型战斗机是美国波音公司和洛克希德马丁公司正在研制的新一代多用途隐身攻击机。其座舱采用一个大屏幕液晶显示器作为多功能主显示器,具备全屏和分屏的不同显示方式,显示格式有较大的灵活性。由于F-35战斗机采用话音识别技术控制非关键性的飞机功能,如控制显示格式和通信频率,设置敌我识别器的信号编码等,因此,发一个简单的话音指令就可以把四分屏变为全屏显示。


全屏工作状态可将本机位置、航线叠加显示在活动地图上,并以圆环表示地空导弹的探测范围,从而帮助驾驶员回避敌方威胁并进行导航。在处于分屏工作状态时,左上屏幕显示合成孔径雷达图像及其他探测器的信息,帮助飞行员在各种气象条件下了解远距离目标区的情况;左下屏幕显示前视红外系统的图像并叠加跟踪轨迹和其他信息(如活动护航航迹),适用于夜间和低能见度情况;右下屏幕显示飞机悬挂物的位置和状态,右上屏幕显示攻击信息。


F-35战斗机最引人瞩目的,是首次用头盔显示器取代现代战斗机已应用了40年之久的平视显示器。头盔显示器是英国马可尼公司按波音公司技术规范设计的,类似于“台风”欧洲战斗机的头盔显示器。它不仅可以全部显示基本的飞行、威胁和瞄准攻击信息,而且可以显示机载红外探测器的全景夜视图像。驾驶员在平视或抬头时,可从头盔显示器护目镜上看到通常在平视显示器上看到的飞行信息;侧视或下视时则可看到被机翼和机身遮挡住的部分地形和红外图像。



国外第四代战斗机座舱布局的特点


(1)座舱布局综合化。采用大屏幕显示器替代复杂且数量众多的常规仪表、综合各种控制板,构成显示控制高度综合化的座舱,即所谓的“玻璃座舱”(Glass

Cockpit)。这种座舱具有良好的人机工效,节省了空间,减轻了飞行员的负担。

(2)显示控制智能化。话音合成/识别系统实现了人机直接对话。话音合成系统把计算机输出的数字信息变换成人能听懂的声音,使话音告警成为视觉告警的重要补充,已在很多飞机上广泛应用,话音识别系统则是把人的话音变换成计算机能接受的数字信息,为飞行员提供新的控制方式,一定程度上减轻了飞行员的工作负担。而飞行员助手系统,则将来自多种信息源的同一类信息加以处理,综合后显示给飞行员,并协助飞行员进行威胁评估决策,实施战斗任务的动态规划、火力分配、武器管理和火力控制等。


(3)显示器宽视场化。采用全息平显(也称衍射平显)技术,将折射光学准直系统改为衍射光学准直系统,总视场扩大为30°×20°;采用了头盔显示器包括平显和头跟踪器,总视场进一步扩大为40°×40°。宽大的视场使飞行员更适应夜间恶劣天气飞行作战、低空突防,对地精确攻击等任务,对提高整体作战效能具有重要作用。


(4)战况显示器大型化。四代机增大了主下显即态势显示器的尺寸。仿真实验表明,从一个大显示器上了解情况的速度,比起从几个小显示器上了解情况的速度要提高1倍。

随着航空技术的飞速发展,“虚拟座舱”等将成为未来战斗机座舱的发展方向。战斗机座舱设计将更加智能化和综合化飞行员的负担会进一步减轻、任务的完成率还会提高座舱布局设计在整个战斗机设计中的地位将更加重要。


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