Дисплеи шлема HMD
Дисплеи HMD должны быть спроектированы таким образом, чтобы их было легко использовать и обслуживать. Они не требовали регулярного
ремонт или обслуживание. Дополнительно они должны быть оснащены модулем для быстрого монтажа очков ночного видения.
Раньше авиационный шлем был только защитой головы пилота. В настоящее время, благодаря использованию шлемных дисплеев, современных технологий слежения за движениями головы и миниатюризации электронных компонентов, шлем стал незаменимым помощником пилота во время воздушных боев и атаки наземных объектов. Нашлемные дисплеи способствовали повышению эффективности действий пилотов, как и в прошлом HUD-дисплеи.
Нашлемные дисплеи (HMD), используемые в самолетах и боевых вертолетах, являются логическим развитием концепции рефлекторно-гироскопического прицела, а позже и HUD-прицела.
Первые примитивные прицелы HUD (Head-Up Display) появились на боевых самолетах (например, бомбардировщиках Blackburn Buccaneer или истребителях BAC Lightning) в конце 50-х годов. Они еще не отображали такие параметры полета, как высота, скорость, направление или угол атаки. Скорее, это были усовершенствованные прицелы, соединенные с бортовыми радиолокационными станциями, которые помогали отслеживать цель и показывать ее прогнозируемое положение. В начале 70-х годов на вооружение истребительной авиации были введены ИЛС, отображающие полный спектр параметров полета (включая положение самолета в пространстве и степень перегрузки), а также информацию о типах и составе вооружения.
Благодаря ИЛС летчику теоретически больше не приходилось периодически переводить взгляд с наблюдения за окружающей обстановкой на бортовой приборный щиток, ведь вся важная информация отображалась перед его глазами. Благодаря ИЛС летчики-истребители могли полностью сосредоточиться на маневренном бою и наблюдении за пространством за бортом самолета. Отныне HUD можно с успехом назвать не столько видоискателем, сколько прозрачным дисплеем данных. Одним из первых истребителей, получивших многофункциональный ИЛС, стал американский Grumman F-14A Tomcat.
Однако ИЛС по-прежнему оставался своего рода «жестко» сцепленным с самолетом прицелом. Летчик должен был маневрировать всем самолетом и держать противника «в поле зрения» до, во время и после стрельбы ракетами «воздух-воздух», особенно управляемыми по радиолокационным данным. Следующим шагом было «отключение» ИЛС от самолета, чтобы летчик все время держал прицел перед глазами, а не смотрел только вдоль продольной оси самолета.
В 1962 году компания Hughes Aircraft Company разработала «Электрокуляр», который представляет собой телевизионную кинескопную систему (электронно-лучевая трубка, ЭЛТ), прикрепленную к авиационному шлему. Система представляла собой довольно массивную руку с размещенным перед глазом пилота коллиматорным моноклем, на который проецировалось телевизионное изображение. В середине 70-х годов Honeywell Corp. развил эту идею, разработав искатель с электронно-лучевой трубкой под названием VTAS (Visual Targeting Acquisition System). Прицел мог устанавливаться на штатный авиационный шлем АРН-6. Изображение «виртуального» прицела проецировалось на тонкий прозрачный коллиматорный монокль (прицел), расположенный перед глазом пилота. Это была гораздо более легкая и удобная конструкция, чем «Электрокуляр».
Дисплеи HMD особенно полезны при сопровождении цели с «выключенной» техникой
прицеливания», когда цель не находится прямо перед самолетом. Информация о цели отображается в визоре шлема в виде символов, которые всегда находятся в поле зрения пилота. Благодаря этому он может легко сконцентрироваться на маневрировании и обращении с оружием.
Системой VTAS заинтересовались ВМС США, которые испытали ее на истребителях F-1974 Phantom II и F-1978A Tomcat в 4-14 годах. VTAS позволял наводить на цель ракеты AIM-9 Sidewinder с инфракрасным наведением. Несмотря на положительную оценку системы, она использовалась только экспериментально на F-4 Phantom II.
Южноафриканский нашлемный прицел стал первым нашлемным прицелом, не только поступившим на вооружение, но и прошедшим боевое крещение. Он был разработан в 70-х годах компанией Denel Optronics и структурно напоминал американскую систему VTAS. HMS должен был работать с ракетами класса “воздух-воздух” Kentron V3B Kukri с инфракрасным наведением. Тандем HMS-Kukri поступил на вооружение истребителей Mirage F1AZ ВВС ЮАР (SAAF). Когда в 1981-1982 годах была т.н. приграничной войны с Анголой, это давало пилотам SAAF преимущество в боестолкновениях с ангольскими истребителями МиГ-21.
Американский опыт с системой VTAS и особенно победы ВВС ЮАР не остались незамеченными по ту сторону «железного занавеса». Новые советские истребители МиГ-29 оснащены интегрированным прицельным комплексом ОЭПС-29, состоящим из термометра с лазерным дальномером и нашлемной системы наведения «Щель-3УМ» с коллиматорным прицелом НВУ-2М. Видоискатель имеет форму монокля, расположенного перед правым глазом летчика. Комплекс «Щель-3УМ» позволяет указывать воздушные цели ракетам класса «воздух-воздух» Р-73 или Р-60. Принятие на вооружение в середине 80-х истребителей МиГ-29 с системой «Щель-3УМ» послужило «ведром с холодной водой» и ускорило развитие систем БГС на Западе.
Несмотря на то, что в то время в оснащение истребителей в США не вводилась нашлемная система прицеливания, для ударных вертолетов такая система была успешно реализована. В середине 80-х годов на вооружение поступили ударные вертолеты AH-64A Apache с нашлемным прицельным комплексом Honeywell M142 IHADSS (Integrated Helmet And Display Sight System). Шлем оснащен моноклем, расположенным перед правым глазом пилота, на который проецируется кинескоп. Монокль имеет поле зрения 40° по горизонтали и 30° по вертикали. IHADS сопряжен с системой TADS/PNVS, т.е. передними головками наведения и навигации вертолета. Изображение с головок ТАДС/ПНВС проецируется на монокль, как днем в монохроме, так и ночью – тепловидение.
Боеголовки TADS/PNVS сцеплены со шлемами IHADS пилота и наводчика AH-64 Apache таким образом, что «следят» за движениями головы. Точно так же шлем наводчика спарен с 230-мм палубной пушкой М30, которая «следит» за движением его головы. Система IHADSS оказалась очень удачной конструкцией и задала высокие стандарты производителям HMD-дисплеев, предназначенных для боевых вертолетов «на ходу».
Эволюция систем HMD
Первые шлемные дисплеи HMD представляли собой нашлемные миниатюрные электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), проецирующие изображение на коллиматорный прицел в форме монокля, который обычно располагался перед правым глазом пилота. В прицеле отображались калибровочные круги или сетка, а также, возможно, информация о захвате цели бортовой РЛС и боеголовками ракет класса “воздух-воздух” с инфракрасным наведением. Проецируемое изображение должно было точно «следить» за движениями головы пилота без задержек.
Для этого были разработаны специальные системы позиционирования, устанавливаемые в кабине и на шлеме пилота, позволяющие точно определять взаимное положение головы пилота по отношению к самолету. Системы обнаружения движения головы пилота могут использовать инфракрасные датчики (оптическое позиционирование), электромагнитные датчики или ультразвуковые датчики. Используются также гибридные системы, например, инерциально-оптические. Датчики положения должны быть установлены в шлеме и в кабине, и их установка часто требует тщательного картирования кабины.
В 90-х годах была разработана система проецирования на монокль всех данных, отображаемых головными прицелами HUD, а также полная тактическая символика, помогающая отслеживать и маркировать как воздушные, так и наземные цели. Пилот, куда бы он ни посмотрел, всегда мог прозрачно видеть полную картину, формируемую HUD. Система, очевидно, выключает изображение при просмотре реального HUD, чтобы избежать наложения изображений.
Одним из основных факторов, ускоривших разработку и внедрение систем HMD, стало принятие на вооружение ВВС многих стран маневрирующих ракет класса «воздух-воздух» малой и средней дальности HOBS (High Off-Boresight). Такие ракеты, как AIM-9X, MICA или ASRAAM, имеют двигатели с регулируемым вектором тяги, которые позволяют резко менять направление полета до 180° после выстрела. Нашлемные дисплеи позволяют пилоту указывать цели по азимуту 80°–90° в обе стороны от продольной оси истребителя, благодаря чему максимально повышают маневренность ракет HOBS.
С развитием жидкокристаллических дисплеев от технологии ЭЛТ отказались в пользу миниатюрных ЖК-дисплеев, LCOS, 3LCD или DLP-дисплеев. Отображаемое изображение генерируется светодиодами или органическими светодиодами – OLED. Эти технологии позволили отображать изображение в высоком разрешении, что открыло путь для соединения прицелов и оптоэлектронных головок с HMD. Затем пилот мог наблюдать на дисплее шлема видеоизображения, предоставленные различными источниками в режиме реального времени. Следующим шагом стало использование технологии отображения «картинка в картинке». Это позволяет открывать окна с увеличенным изображением или предварительно просматривать изображение, полученное из внешних источников.
