說說那些革命性的戰鬥機座艙航電（上）

　　在20世紀40年代第一代噴氣式戰鬥機剛問世時，座艙內只有簡單、耐用、廉價的航電設備。當飛行員執行低空高速任務時，完全依賴這些設備提供飛行和導航信息，但它們的表現卻相當不稱職。50年代第二代噴氣式戰鬥機問世後，這些缺點就更加突出了，隨著機載系統和儀錶日益複雜，迫使飛行員得花較多的時間低頭查看，不僅對他掌握戰術態勢的能力造成負面影響，更會危及低空飛行的安全性。

第二代噴氣式戰鬥機F-86的座艙里塞滿了各種儀錶

　　解決這些問題的方案就是平顯（Head Up Display，也叫抬頭顯示器），不過現代化戰鬥機座艙內除了平顯外，還有夜視系統、先進綜合頭盔系統、戰術態勢顯示器，建構出現代化的「玻璃座艙」（Glass cockpit）。讓飛行員無需環顧座艙四周的儀錶，消化各儀錶的片斷信息，就能獲知周圍空域敵情以及機載感測器和武器的重要信息，提供完整的態勢感知（situational awareness）。

玻璃座艙

　　玻璃座艙已是現代化戰鬥機的標準設備，作為一種現代化的顯示系統，使用多功能顯示器取代了幾乎所有的傳統儀錶。老式座艙里繁多的樣式不同、功能各異的機電指針儀錶大多被取消，僅留下少數幾個（如：羅盤）供緊急備用。玻璃座艙儀錶板上的大型計算機顯示器不僅能顯示虛擬儀錶，還能根據飛行員的需要顯示其它功能，如飛行規劃、武器控制等，能大大減輕飛行員的工作負荷，因此玻璃座艙也被譽為戰鬥機座艙的革命性發展。

　　座艙革命始於20世紀70年代，當時陰極射線管（Cathode Ray Tube-CRT）開始取代某些機電儀錶，雖然當時這種新裝置還很原始，卻給座艙帶來特殊且全然不同的外觀，因此獲得「玻璃座艙」的稱號。到70年代中期，戰鬥機座艙內的儀錶和開關已經超過上百個，飛行員需要隨時注意一大堆指針、符號，手忙腳亂的情況讓人擔心。美國主要的航空企業和國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration）因而共同啟動了座艙多功能顯示器研究計劃，把基本的飛機系統、飛行和戰鬥數據綜合成顯示器上的清晰易懂的圖形和符號，最後出現了完整的玻璃座艙概念。

NASA研究玻璃座艙的主要驅動力還是太空項目，上圖是「發現」號太空梭的玻璃駕駛艙

　　從航空業界全盤接受多功能顯示器來看，就能知道此項研究有多成功。這是因為飛行員對飛機和戰術態勢越了解，飛行就越安全，也越有效率。以圖形方式顯示的關鍵儀錶，如高度計、姿態儀、速度表，不但容易閱讀，維護成本也不像傳統儀錶那樣昂貴。玻璃座艙的緊急備用和保障性能佳、重量輕、電力需求也比機電儀錶少。

　　玻璃座艙的優點不勝枚舉：取代繁多的開關、儀錶（gauge）、傳統指示器（indicator）；萬一失效，備用和保障性能佳；戰術及導航的選項較有彈性，且較準確；畫面清晰、整潔；顯示內容可程序化。

　　事實上，由於指針儀錶的讀值一目了然，所以玻璃座艙顯示器大多忠實還原了它們的外觀。所以就人機工程（ergoncmic）而言，玻璃座艙的主要優點不在於顯示方式的改變，而在於在需要時才顯示飛行和戰鬥信息。顯示系統在飛行員要求時才會提供警告或警告信息，讓飛行員的信息負荷大幅降低，飛行員僅需注意最重要的信息就行了。

簡潔高效的「陣風」戰鬥機的玻璃座艙，居中尺寸最大的就是戰術態勢顯示器

戰術態勢顯示器

　　在現代化玻璃座艙里，稍低于飛行員頭部高度、尺寸最大的居中顯示器就是最重要的戰術態勢顯示器（Tactical Situation Display）了。戰術態勢顯示器一般顯示以下數據和畫面：雷達目標、電子干擾源、移動地圖、飛行計劃、情報信息（危險區域、威脅）。為了顯示出能讓飛行員做出正確評估和態勢感知的清晰戰術態勢畫面，戰術態勢顯示器必須先綜合戰術信息，由計算機解讀並做威脅評估。事實上，飛行員任務數據和態勢感知信息的主要來源，就是戰術態勢顯示器。

　　戰術態勢顯示器四周圍繞著多個功能按鈕，不過最先進的系統已用觸控顯示器取代了按鈕。顯示器上除了戰術信息外，還會顯示飛向目標的規劃航線，當飛行員準備攻擊時，顯示器上會顯示目標區特寫，系統也會顯示飛機本身的航線，還有可能探測到飛機的距離最近的敵方防空系統。此時飛行員就可使用任務規劃（Mission Planner）功能，規劃另一條使飛機暴露於敵方雷達時間最少的新航線。

　　現代化高性能戰鬥機的飛行和戰術動作，都要通過座艙內的計算機顯示器控制，所以戰術態勢顯示器上戰術數據的類型和格式，以及顯示器的設計彈性就很重要。顯示器的基本設計重點是信息、地貌數據、地形透明圖、文字窗口……等的顯示模式。新一代多功能顯示器大多採用有源矩陣液晶顯示器（Active-Matrix Liquid-Crystal Displays），它的價格、尺寸、功能、以及技術成熟度，都比被取代的CRT好很多。

　　由於計算機繪圖技術一日千里，今日的機載顯示器已能顯示多種格式的三維飛行動畫。戰術態勢顯示器上顯示給飛行員的畫面已融合導航和戰術信息數據，加上綜合運用圖形和三維動畫，可以降低飛行員信息過載（information overload）的風險，幫助他做出正確的決策。

F-22的玻璃座艙

　　戰術態勢顯示器上所顯示的戰術信息都被色彩賦予了特別意義，地面是綠色，「空中走廊」與其它同色的物體重迭時顏色會改變，防空導彈或雷達制導防空火炮這些地面威脅以黃、紅色代表其實時威脅等級，正在跟蹤飛機的地面雷達則以一個連到我機的箭頭代表，箭頭閃爍就表示它已向我機發射防空導彈，而戰術態勢顯示器也會同時顯示機載電子對抗設備是否在有效對抗來襲導彈。舉個簡單的例子：F-22「猛禽」（Raptor）的先進玻璃座艙沒有任何傳統儀錶，只有六部即使陽光直射下也能清晰閱讀的彩色液晶顯示器，提供飛機上下前後左右的環境全覽，讓飛行員具備完全的態勢感知。艙內的戰術態勢顯示器以全彩標誌來顯示戰術態勢：敵機是紅色三角形、友機是綠色三角形、不明機是黃色正方形、僚機是藍色正方形、地對空導彈是五角形，旁邊標註著由雷達警告接收機（Radar Warning Receiver）資料庫傳來的導彈型號及攻擊距離。

F-22的戰術態勢畫面

　　F-35戰鬥機座艙里沒有傳統的平顯，取而代之的是全景式座艙顯示器（Panoramic Cockpit Display）和頭盔顯示器。這個橫置式顯示器由兩部寬10英寸高8英寸的高亮度觸控式（touch screen）液晶顯示器組成，白天也可清晰閱讀，夜間作戰時還能與夜視鏡兼容。全景式座艙顯示器讓飛行員擁有更大的顯示畫面，整個畫面劃分成戰術、感測器、系統、武器信息四區，由飛行員依照個人喜好選定各區的畫面大小及種類。畫面最上方1英寸用來顯示功能控制按鈕，最大的單一顯示畫面是10英寸×7英寸，佔了全部顯示畫面的一半，通常會用來顯示周圍空域的戰術態勢，顯示距離由18.5公里到1,185公里可自由調整。

F-35的座艙比F-22又有所發展，甚至取消了平顯

　　在畫面上以藍色符號代表飛機本身及僚機，空中及地面的目標以不同的顏色分辨敵我：友軍是綠色，敵軍是紅色，不明者白色。空中目標在畫面上是個棒棒糖符號，當圓形部分為中空時，表示是自己飛機探測到的目標；為實心圓時表示是其它飛機探測到，並從數據鏈傳來的目標；為半滿圓形時，表示自己和其它飛機都已探測到此目標。棒棒糖的棍子部分，一開始是一條不與圓形接觸的垂直直線，當感測器開始鎖定目標時，直線會拉長向圓形靠近，但還是保持未接觸的狀態，一旦直線碰到圓形就表示目標已被鎖定，最佳的攻擊時機已經來到。

F-35的戰術態勢畫面採用了棒棒糖符號

平顯

　　平顯一般由以下子系統組成：

　　．一部CRT

　　．一台數字計算機

　　．一片複合玻璃，稱為飛行員顯示單元（Pilot Display Unit）

　　．一組平行透鏡

　　．一片控制面板，置於顯示單元的下方

　　．其它子系統；如：發電機、接收感測器數據的介面單元、根據外界明暗自動調整圖像亮度的計算機系統…等。

很簡單的平顯原理

　　計算機的主要功能是顯示圖像、數據處理以及控制CRT，計算機接收介面單元送來的數據，處理後產生信號，控制CRT內的電子束產生圖像，再通過一組平行透鏡和一片半透明鏡在顯示單元上投射出圖像。外界光線可以透過顯示單元，但僅有來自CRT的光線會被部分反射進入飛行員的眼中。

　　複合玻璃的下方有許多按鍵，用來選擇各種不同的顯示模式、調整影像、更換圖像（導航、空對面、空對空）、調整亮度和對比。如果平顯融入綜合式航電系統內，則按鍵還會賦予控制的功能。

由於GRT的緣故，所以平顯組件比較長，這是印度LCA戰鬥機的平顯

平顯的CRT就長這樣，左邊是模擬式，右邊是數字式

　　平顯最重要的指撥之一就是顯示數據的刷新率和清晰度。平顯顯示是否精確、準確取決於三個基本要素：顯示單元在座艙內的確切擺設位置、數據和圖像的計算和投影定位、由透鏡造成的光學扭曲。這三個要素可能的誤差總和不能超過0.050°~0.060°。亮度調整也很重要，圖像太亮會分散飛行員對外界的注意力，太暗又會看不清楚。現在的平顯都可由手動或自動方式來控制亮度，以在飛行員的眼睛靈敏度和整體可見度下取得最佳亮度。

實時視場與衍射平顯

　　夜間低空飛行作戰時，平顯必須綜合飛行/導航參數與火控數據，並能顯示前視紅外（Forward Looking Infra Red）感測器獲得夜視影像。馬可尼航電公司（Marconi Avionics）為A-7E「海盜II」（Corsair II）攻擊機研製了第一套具備這種功能的平顯，並於1978年開始交付。這套平顯的一大進步是具備了有限但精確的夜間攻擊能力，不過它的視場（Field Of View）不寬，帶來了很大局限。早期平顯在飛行員頭部不動的情況下瞬時視場（Instantaneous FOV）大概是水平方向15°，垂直方向13°，顯示範圍非常小。

A-7E的TRAM平顯，可顯示來自前視紅外吊艙的夜視影像

　　瞬時視場的大小取決於光學組件中的透鏡直徑和複合玻璃到飛行員眼睛的距離，一些現役戰鬥機（如：F-16）的飛行座椅向後傾斜，飛行員眼睛到複合玻璃的距離又遠了一些，讓這個問題更加難解。有人試圖用較大透鏡來改善瞬時視場，卻未能成功，因為如此一來平顯也需等比放大，為了避開彈射椅又要放得更遠一些。

　　無論製造工藝和設計多麼精巧，傳統光學技術在平顯視場和圖像明亮度上還是受到複合玻璃和光學系統的限制。要讓飛行員看到既清晰又明亮的圖像，CRT的就需要足夠亮，但若反射圖像的複合玻璃又降低了CRT的亮度。這個問題的癥結在於複合玻璃除要反射光線外還需有良好的透光性，讓飛行員能看清楚外界，反射性和透光性雖然不見得互相排斥，但卻是屬於截然不同的性質，所以只能折中，限制了平顯的顯示亮度。

　　這個問題的解決方案就是光線衍射技術，休斯公司（Hughes）率先研製出了實用化的衍射平顯，其它一些光學顯示系統製造廠商，如：凱撒航天電子（Kaiser Aerospace Electronics Corp.）、飛行動力（Flight Dynamics）、史密斯（Smiths）、馬可尼航電、泰雷茲航電（Thales Avionics）…等也相繼研製生產了新型衍射光學平顯。這種平顯亮度極佳，水平視場約在30°左右，重量及體積也比較小。

　　與傳統的準直平顯不同的是，廣角衍射平顯需要設計製造不同的光學系統。這種採用全息攝影原理製成的平視顯示器，是20世紀70年代中後期平視顯示系統技術的新突破。由這種原理製成的平視顯示器稱為全息平顯，又稱衍射平顯。它採用曲面玻璃代替常規的平面玻璃，陰極射線管產生的字元或圖像經玻璃的半鍍銀面反射，疊加到外景圖像上。字元或圖像由玻璃顯示屏下的透鏡聚焦於無窮遠處，有效地呈現在飛行員前面。理論上可以實現180°的總現場，而實際顯示圖像的大小由準直透鏡確定。

衍射平顯基本原理

　　以美國休斯飛機公司在20世紀70年代研製的第一種廣角全息平顯為例，該平顯用全息圖記錄構成薄膜透鏡，覆蓋整個曲面玻璃顯示屏。採用這種方法，複合玻璃本身就變成了光學系統的最後一級透鏡，其大小實際上佔據了整個顯示屏。這種薄膜透鏡是用激光攝影法在塗到曲面玻璃顯示屏上的明膠層記錄下衍射光柵（亦稱全息板）的形狀而構成的。經過處理後，在薄膜透鏡上方蓋上第二層玻璃，形成夾層。「透鏡」由明膠層折射係數的變化形成，併產生衍射光柵效應。

衍射平顯的複合玻璃本身就是最後一級透鏡，圖為「陣風」的平顯

　　在白天，外景經過衍射平置至飛行員的透光率通常高於85%，與之相比，傳統平顯為70%。同樣，陰極射線產生的信息從發光面到飛行員眼睛的反光率亦高達80%，而傳統平顯僅約為25%了。然而，這兩種平顯的最主要的差別還在於瞬時視場的擴大上，新型平顯的瞬時視場由以往的窄視場（如F-16A裝備的平顯為13.5°×9°，F-15C裝備的平顯為12°×17°）提高到30°×20°。因為衍射光學系統對振動不敏感，大多數廣角平顯複合玻璃的支架大大減小，這對改善飛行員向艙外觀察的視野非常有利。

這是「颱風」后座的平顯，只有兩個小支架

　　由此可見，廣角全息平顯最突出的特點是：在夜間或低能見度下，可以顯示用於此種情況下的微光電視和前視紅外圖像，真正達到寬視場、全天候、全天時使用的目的，可以顯著提高載機的作戰性能。

　　新一代戰鬥機幾乎都採用衍射平顯，JAS-39「鷹獅」（Gripen）使用的是凱撒公司的產品，視場為20°×28°；F-16C上的衍射平顯視場達18°×30°，是GEC航電公司（GEC Avionics）為LANTIRN吊艙研製的；「陣風」（Rafale）戰鬥機上所使用的衍射平顯由泰雷茲航電研製，該公司所發展的平顯系統與眾不同，結合了抬頭、平視、俯視的功能，一些有用但不太重要的任務數據不顯示在飛行員的前方視角內，而是在稍微低頭的視角處。

LANTIRN吊艙的紅外影像在衍射平顯上能獲得更大的視場

F-15E的衍射平顯顯示紅外影像效果

　　衍射平顯日益普及，歐洲戰鬥機（Eurofighter）上的系統由馬可尼公司研製，僅有一片複合玻璃，即使在最強烈的陽光下也有很好的顯示效果。F-22「猛禽」（Raptor）戰鬥機上的平顯由美國空軍儀器飛行中心（US Air Force Instrument Flight Center）研製，由GEC航電公司製造，視場達25°×30°。

由於鍍膜的關係，衍射平顯的複合玻璃總是綠油油的。圖為F-22的平顯
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