台湾想买F35B的联合战术头盔瞄准器对抗歼10

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导读: [img]http://pic.tiexue.net/pics/2008_1_21_94782_6794782.jpg[/img] 頭盔瞄準器或頭盔顯示器(Helmet-Mounted-Displays)的問世及加入服役會使整個作戰環境有極大的改變,而日前於AIM-9X飛彈的實彈射擊測試中已成功的於67度方位角約3.2公里情況下鎖定攔截並予以擊落一高速運動的靶機。此角度早已超出了雷達或是抬頭顯示器所能提示的範圍之外,也只有利用上述系統才能達到此項攔截的成就。雖然一次的成功並不足以證明此項裝備一定可靠,


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頭盔瞄準器或頭盔顯示器(Helmet-Mounted-Displays)的問世及加入服役會使整個作戰環境有極大的改變,而日前於AIM-9X飛彈的實彈射擊測試中已成功的於67度方位角約3.2公里情況下鎖定攔截並予以擊落一高速運動的靶機。此角度早已超出了雷達或是抬頭顯示器所能提示的範圍之外,也只有利用上述系統才能達到此項攔截的成就。雖然一次的成功並不足以證明此項裝備一定可靠,但是已顯示了此項概念正持續的朝其原先起始預期方向前進,只待技術成熟後,新的作戰環境即將出現在世人的面前。而以本軍先天的作戰態勢大部分要面對數量龐大的接戰目標,如何能運用我購買之F-16MLU戰機已有之頭盔顯示器(HMD)佈線條件,裝配置頭盔顯示器系統以達能首擊鎖定first-pass-lock on或將能有效的提高戰機的作戰能力而面對新的空戰環境。

台灣由於空域狹小且各航空器日漸增多,訓練環境及品質每況愈下而使潛在的飛安因素提高況且國防的預算將有可能逐年降低,類似於X-31戰機的敏捷戰士計畫正也提供了一種新的思考方向及訓練模式,或可值得詳加參考評估及引用發展。 Jh?癰??

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頭盔顯示器為世界制空裝備趨勢 v坳8P?窰

德人奧斯華布爾克(Oswald Boelcke)於第一次世界大戰期間為空對空戰鬥留下其著名的口喻後,飛行員們一直在尋求各種方法以擴大其於座艙內的情況認知能力(situational awareness)。而頭盔顯示器不論飛機機頭指向所在為何或是任何其所看見位置為何都可提供飛行員有關空速,航向以及方向的尋標重要資料,真是達到具有「全然頭看外面」(Head out)飛行的保證。隨著其他較為?#125雜顯示器頭盔幾達量產之際,當前已經有許多簡單的頭盔瞄準系統在各不同國家中使用。早期的頭盔顯示器體型過大,沈重的裝備很有可能毀了飛行員的脖子更別說提供作戰優勢。然而隨著目前影像生成、頭盔、以及光學路徑設計的進步使得真的適合飛行的頭盔顯示器獲得了試飛員認可。 蜣~?8?a3

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南非空軍是最早使用頭盔瞄準具(HMS)(名為Kentron Kukri頭盔瞄準具)於實戰(對付安哥拉)的國家,但是未獲有獵殺成效。俄羅斯以及以色列(將撥交200具Elbit顯示暨瞄準頭盔盔置顯示器(Elbit DASH HMD)也以頭盔瞄準具(HMS)配署前線單位。美國以及西歐國家雙方已經從事發展相似的以及更為先進的頭盔瞄準具(HMS)以及頭盔顯示器之設計。 8b?酯8l4

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西方各國對頭盔顯示器的發展態度 ? ?#125p齊?

西方國家對採用頭盔顯示器的保留態度主要是由於經費、預見的用途以及有關飛安的問?#125。有兩項因素正改變了西方國家對頭盔顯示器工作的節奏。法國、德國、英國及美國的飛測計畫,有的是用自製頭盔瞄準具(HMS)或是源於俄羅斯系統,已發現透過運用頭盔指向系統役使飛彈可獲得相當的戰鬥優勢。其次是這類可配有高偏向尋標器(HOBS)空對空飛彈(諸如Vympel R-73飛彈)的頭盔將進軍投入全球市場。而十分令人可信的是北約聯軍將在日後面對裝配這類系統的敵對空軍。 搠u?8PP(?

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俄羅斯的MiG-29所裝配的頭盔瞄準具(HMS)雖然十分簡單但是據判是非常有效的作戰裝備。其使用一具發光二極體(LED)光網作為瞄準之用,其叉髮(Crosshair)影像視覺校準至無限遠處,但是其並不被認為包括有諸如空速及航向的飛行資料。雖然在對顧客的簡報中指出其頭盔瞄準具為選配裝備,但是米高揚及蘇霍公司(Mikoyan and Sukhoi)方面堅稱國外買家均未將頭盔瞄準具包括至其戰機合約之中。有關俄羅斯的頭盔瞄準具以及更為?#125雜的頭盔顯示器技術細節仍處於保密中。 8卅K媒誙

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頭盔顯示器的技術瓶頸 >蒃萬,差鍦

頭盔顯示器設計的主要需求著重於四大分類:影像生成及處理、光學、頭盔追蹤系統、頭盔人類工程學(ergonomics)。在過去數年間每項分類都有長足的進步,而使得此兩種簡單的單眼純晝間適用的行程符號(Stroke- symbology)系統以及具有40度視界較為?#125雜的雙眼行程/光柵(stroke/raster)系統的許多原型裝備得以試飛。然而工業界以及諸如英國國防研究局(DRA)的政府機構對這項技術是否足夠成熟到足以引入至作戰階段產生有些爭論。一般而言電力供應,影像來源以及光學裝備增加了頭盔的重量至飛行員脖子上使得在高G力動作及彈射時具有危險。根據位於英國法茵堡(Farnborough)國防研究局的葛翰祿德(Graham Rood)所說,雖然可透過較小影像來源及較佳的內在頭盔平衡來解決有些問?#125,但是在符合嚴峻的美國空軍以及英國空軍飛安需求上仍存在著嚴重的重心問?#125。其他需要注意的方面是人類工程學:選擇最佳的方法以顯示符號以及光柵影像以使之不會使飛行員迷向或是侷限其自然視覺能力。根據祿德所說,到目前為止頭盔顯示器的人/機介面實際環境測試仍不足。國防研究局所爭議的是至少頭盔顯示器能力要在飛安及作戰上有所折衝。 9?#125PX犆纀

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有些製造商並不同意上述所說。根據GEC-Marconi航電公司製造商(GMAv)西舒樂(Cid Sowler)說目前的技術足以擔付任務經費才是主要的障礙而非是安全問?#125。單眼晝間用頭盔重量已降至安全彈射限制之內〔蝮蛇頭盔顯示器重量在沒有氧氣面罩時為1.72公斤而且GEC-Marconi航電公司預期使蝮蛇2型雙眼達40度視界(FOV)〕,頭盔顯示器(HMD)系統於1994年結束前完全飛試完畢。在法國,聯合技術公司(IN)負責六分儀航電公司(Sextant Avionique)有關颶風戰機(Rafale)Topsight頭盔顯示器頭盔的設計,並已減輕了相當的重量。聯合技術公司的一位技術主管,米契爾巴德說Topsight頭盔目前包括氧氣面罩為1.6公斤,較目前幻象機頭盔不含面罩還輕0.2公斤。舒樂說量產頭盔顯示器的屬性將視顧客所給付多寡而定。夜視鏡及抬頭顯示器前視紅外線(HUD FLIR)已足以擔當夜間任務;目前最急切需要的是純晝間用瞄準系統。 靼?鼊RQf

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在美國,空軍及海軍針對F-15以及F/A-18的頭盔顯示器簽署了一項共同需求並且成立聯合頭盔顯示器辦公室以管理此計畫。長久企盼的發展計畫是隨著為人詬病的頭盔顯示器工作步?#123過慢而來:美國戰機飛行員甚麼都沒有,就算是F-22也沒有頭盔顯示器。 п櫊齖NI

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在與工程師以及飛行員的討論中得出兩項缺乏進展的原因。其一是因發展服役需求的組織單位堅持頭盔顯示器要能具有準確並且顯示空間穩定飛行參考以及目標資料的能力--這較裝配在俄製戰機上的光網型式尋標器役使操縱頭盔顯示器困難許多。另一項延遲的理由是因工程障礙導致。比如說,生產可靠的微型陰極射線管(CRT)較預期為難。 ?埄zX-K

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如果減重為重要目標,則縮小體積就是使?#125雜的頭盔顯示器成真的關鍵。就中程發展而言,影像生成仍有賴微型陰極射線管以提高行程/光柵(stroke/raster)顯示的清晰度。這些裝備目前已變的較小: 目前已獲致12微米(mm)直徑的陰極射線管而且甚至可藉由增加一具RGB順序濾光鏡於前方而使色彩成真。陰極射線管的缺點計包括有需要高額電力以及重量過大。但是在主動矩陣液晶顯示器(AMLCD)以及主動矩陣電光顯示器(AMEL)已有飛躍的進步。這些平板源提供了高亮度,高清晰度色彩及低電力運作的能力並且毫無疑問的將成為頭盔顯示器影像生成的未來。但目前仍須解決經費以及系統強健度問?#125。將主動矩陣液晶顯示器以及主動矩陣電光顯示器發電機與小型影像強化器,低亮度CCD攝影機或是非盔式前視紅外線(off- helmet FLIR)感測器整合在一起將可提供一種可與真實環境同步進行之具有夜間及地面攻擊能力的頭盔顯示器。但這些能力則會增加額外的重量。在美國工業界及政府階層正持續進行此項工作,其主要是透過ARPA公司、懷特實驗室、Planar系統公司以及Honeywell公司來進行。 潄 W?WX

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不管是否顯示影像於窺視孔鏡或是護目鏡上,因為頭盔顯示器使用?#125雜的光學組所以需要高亮度。介於起源及投影之間的路徑通路將減弱亮度及清晰度:一般大家都不知即使最好的40度視界(FOV)頭盔顯示器祇能僅提供40%-50%人類眼睛的解晰度。祇有限定在大約20度視界時可獲得較佳的敏銳度(接近 100%),但是所受侷限的視界則需飛行員以更大的轉頭動作來彌補。 凃6踵a=?

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頭盔顯示器係光學整合製品 蕲"?泎??

更甚如此,一旦符號或是前視紅外線影像投影至護目鏡上,則對真實外界的穿透度也就成了問?#125,這是因為受了兩種為了影像投射以及雷射防護所需的雙色覆膜所影響。大部分目前的頭盔顯示器提供大約70%的穿透度。甚麼樣的穿透度是飛行員最感舒適仍需進一步評估,因為簡化的光學組致使蝮蛇頭盔顯示器有88%的穿透度。最後,光學設計決定了出口瞳孔(exitpupil)的大小,這就是飛行員看顯示器所透過的眼窗尺寸。愈大的出口瞳孔則其光學組愈?#125雜,所以大部分的頭盔顯示器設定出口瞳孔為15微米(mm)。因為飛行員的瞳孔必須在此視窗內以無間斷方式看著顯示器,所以諸如頭盔是否合適以及於劇烈動作期間的抗拒力因素都將有所影響。透過較佳的設計以及個人穿戴適應方式以達頭盔能穩定將無可避免的更形重要。 貝傅厾婢U?

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提供空用飛彈正確追蹤訊號 Y?椙?蓗?

頭盔顯示器以及頭盔瞄準具如果沒有頭盔追蹤系統來決定飛行員頭部相對於座艙的位置的話則是一點都沒用。少許的不準確在簡單型的頭盔瞄準具系統上是能被容忍的(因為其主要是提示飛彈尋標器至目標的一般方向),但是前視紅外線(FLIR)投影於真環境上則需準確度達微弧(milliradian)之內以避免目視標示記錄錯誤。追蹤技術包括從電磁以及光學至聲學的方式,但是大部分目前使用的頭盔顯示器是以電磁方式為基礎的系統。雖然此種方法可以獲得相當高的量測準確度,但是必須先小心翼翼的勘測座艙以規畫出磁場。目前在這類系統方面的改進已提供了一具大型頭箱(head box)使飛行員在沒有影像凍結的情況下可大範圍的頭部轉動。GEC-Marconi Crz??¦

航電公司(GMAv)已開發了新方法以準確的繪製座艙,此包括了一個置於飛機上的自動化錘鉤(jig)。因為這種方法可以快速及準確的繪製座艙,所以可以節省有關將頭盔顯示器整合於不同機身的花費。 麫礦矟

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Kentron公司已經為其非洲豹(Altas cheetah)戰機上的Hermes頭盔顯示器發展適飛的光學追蹤器。兩具攝影機置於飛行員的上方以及後方,而小的液晶攝影機置於座艙四周以及飛行員的頭盔上。雖然不受電磁干擾,但是光學系統容易受周遭,諸如日盲(sun blinding)的燈光變化所產生的噪音影響。Kentron公司已發展了兩種方法來解決這個問?#125:一是藉由在陽光眩目時暫時關掉一具攝影機,另一個是包含了使用推測演算處理方式以濾除噪音。 rjP釙朊[?

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至於其他的頭盔顯示器一般問?#125,是追蹤器的延時性(Latency),此為追蹤系統及頭盔顯示器系統處理能力的函數。延遲率因系統相異而大大不同,但是高的延遲率將使飛行員轉頭時使顯示產生延遲或跳躍現象,而造成許多的飛安問?#125。大部分的製造商則藉由增加頭盔顯示器的更新速率(有一種200Hz的系統僅有5微秒的延遲)以及引用預測演算組的方式來減低此種情況。 嗓V毬GuS?

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新一代頭盔顯示器的發展 ?#123)??Y

未來的頭盔顯示器將利用眼睛定向系統(EPS)而非頭部追蹤方式來提供儘可能最高的準確度。眼睛定向系統的提供加倍了原先以頭盔追蹤方式的邊界範圍況且人類眼睛,不像是頭上的頭盔一樣,本身就具有阻滯外界震動及反彈的本能。目前眼睛定向系統(EPS)需要額外的光學組置於眼前以為量測之用,但是終究會被整合至光學系列之內。英國國防研究局及GEC-Marconi航電公司與負責演算部分的倫敦皇家學院合作已經發展了適飛的眼睛定向系統。除了試飛外,英國國防研究局希望利用GEC- Marconi航電公司的頭盔顯示器以及一部離心機以模擬高G動作,此稱為作戰中的眼睛定向(EPIC)計畫。英國國防研究局以及阿姆斯壯實驗室(Armstrong laboratory)已在美國相互簽署眼睛定向系統的瞭解備忘錄。 &?颈冕>h?

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運用三維掃瞄器以製造出人類頭部的數位模型的方式,萊特實驗室的研究員最新找出更進一步的問?#125:美國空軍研究員評論到,有關於1800年代發展用以比較當今人類以及史前人類頭骨特性的傳統法蘭克福平面量測頭部方法與人們穿戴頭盔並沒有關聯。相對於瞳孔位置,這種方式誤導了我們放錯了光學鏡片位置幾達吋之譜。除了可使光學鏡片放置至其應在位置外,較佳的頭盔設計可使頭盔更輕更舒適以及於G負荷之下更不會位移。 刭#燰??

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在法國,聯合科技公司(IN)以利用電腦繪圖(CAD/CAM)技術來解決人類工程學的挑戰、降低頭盔重量以及確保飛安。目前已經發展了一套提供祇有1 微米(mm)誤差容忍度的訂作安裝系統。像是用在Topsight頭盔上具有整合氧氣系統的新型頭盔盔殼符合了與較老式,較重頭盔相同的氣動力以及震動性能。值得一提的是有關Topsight頭盔最大上限重量的量產目標為1.5公斤。 ,缠|6璄

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雖然頭盔瞄準具以及晝間用頭盔顯示器的時代已來臨,美國及歐洲許多的研究計畫也正朝向具24小時用的頭盔顯示器挑戰以使其達到足以適合飛行的擬像真實系統(virtual-reality system)。英國國防研究局的陸德(Rood)先生指出,最終的目標是要能以一種頭盔來執行所有的任務。目前的頭盔顯示器不容許於黃昏及黎明情況下使用:飛行員無法於飛行過程中轉換為晝間式以及夜間式頭盔或是模組。 糛O2L弄鉜

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長期致力於頭盔顯示器發展的英國國防研究局正以TIARA旋風式以及美洲虎戰機為主要試床並且將收到來自GEC-Marconi航電公司以騎士護盔(Knighthelm)為基礎所製的雙眼頭盔顯示器以用作飛試之用。英國國防研究局的研究包含了頭盔顯示器所有方面的問?#125,尤其特別是強?#123於人/機界面並且包含諸如APHID和Farnborough整合式頭盔示範計畫以及支援有關美英合作的神鷹案計畫的問?#125。英國國防研究局已與美國空軍及陸軍的研究機構間建立了緊密的研究聯繫。 7#囇韙

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在美國至少有4項頭盔顯示器飛行驗證計畫以及相當基本的科技研究正在進行中。根據美國空軍阿姆斯壯實驗室負責頭盔系統技術的首席工程師狄恩柯希亞(Dean Kocian)指出,美國空軍正進行一連串被視為是針對頭盔顯示器基本安全、可用度以及成本問?#125的計畫。實驗室進行最為長期的計畫是擬像全景顯示器(Virtual Panoramic Display,VPD)。這種雙眼、大角度全色彩顯示器正被發展用以支援美國陸軍卡曼其(Comanche)直升機計畫,但也開展了一些將可被用於未來戰機頭盔上的特性。例如擬像全景顯示器(VPD)使用的是23微米(mm)的陰極射線管(CRT)為其影相來源而非以較早期的19微米的裝置。經由使用球形單元方式的光學鏈,一種較亮及較清晰的顯示結果會被傳送至頭盔的前方:這些使用球形原理方式的成本較許多頭盔顯示器所使用的非球形原理方式來的便宜許多。 摷?洨侰?

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六年的工作造就了能運用於擬像全景顯示器磁性頭部追蹤器的新式演繹學(algorithm)。柯希亞(Kocian)說這是可以實際涵蓋頭部可能位置範圍的第一種追蹤器演繹學。英國國防研究局也已為TIARA旋風式戰機發展一種擴展箱式(expanded-box)的頭部追蹤系統。 鈔 h?馹?

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美國軍方發展頭盔顯示器的實例 uS*同@g<^?

另一個美國空軍的計畫是視幻軍刀2型(Vista Saber Ⅱ)計畫。因為關切有關俄國戰機的全向飛彈能力所以由國會所授權進行,視幻軍刀2型計畫是對現有的頭盔以及追蹤器技術進行評估,所使用的是一具凱撒電子公司捷眼加強型(Kaiser Electronics Agile Eye Plus)頭盔以及一具Polhemus磁性追蹤器並且與海軍於中國湖所發展的高偏向尋標器(HOBS)相搭配使用。高偏向尋標器被裝接於一具典型的繫留式飛彈彈身上。已有兩架F-15C戰機已進行了視幻軍刀2型計畫試驗正好超過一年而且海軍目前正在為了一個稱為視幻軍刀N型(Vista Saber N)的平行計畫修改一架F/A-18以及一架F-14戰機。 r+5-磬旃L

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這個計畫的主要目標是評估頭盔顯示器對紅外線飛彈尋標器的高偏向提示的潛能。這與AIM-9X空對空飛彈有相當的關係,但AIM-9X空對空飛彈不是此計畫的一部分。在視幻軍刀2型計畫之下,美國空軍也已經檢視諸如是否要將光學合併器自護目鏡上分開或是成為護目鏡的一部分以及是否要將顯示系統植入頭盔內還是裝接在頭盔上就好的問?#125。 専噬?烟<

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下一步則是目視尋獲暨目標瞄準合一系統(Visually Coupled Acquisition and targeting system,VCATS),不管其一般稱號頭銜為何,此一項驗證/評估計畫的目的是要為首批美國量產的頭盔顯示器奠定基礎。美國空軍及海軍最近為了目視尋獲暨目標瞄準合一系統簽署了一項聯合任務單位需求宣言(JMENS),這很可能是這個聯合辦公室的首項企劃。身為美國空軍主要空優戰機的F-15戰機將是第一個運用此項系統;而F/A-18將是海軍首架運用此系統的載台。不足為奇的,一個由波音麥道/凱撒/史密司(Mcdonnel Douglas/Ksiser/Smiths)公司所組成的工業界小組被選擇來負責目視尋獲暨目標瞄準合一系統的驗證工作。波音麥道公司負責整合工作,凱撒公司負責提供頭盔顯示器以及由史密司公司修改抬頭顯示器上的電子系統以支援頭盔顯示器。



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