头盔显示系统是F-35的新质关键技术之一,也是当年"13大罪状"之一。

图:F-35B的头盔是其高技术集合的核心之一
还在二战时代,英国就发现夜间战斗机飞行员与雷达控制员之间光用口头指令很难协调,开始试验将雷达显像管和轰炸机导航瞄准具相结合的技术,为飞行员指引目标。但平视显示器最终要到60年代英国的"海盗"式轻型轰炸机上才实现,在透明板上投射飞行数据和目标数据。
平显迅速成为战斗机标配,飞行员可以在平视中就获取关键系统信息和得到目标引导,不再需要经常在抬头观察外界和低头读取显示信息之间来回切换,节省了视力调整的时间。
平显那么给力,直接把平显信息投射到头盔显示系统上,飞行员在转动头部中也能随时看到有用信息和获知威胁方向,岂不更加给力?
在60年代,美国海军确实启动了头显的研制,希望用于F-4"鬼怪"式战斗机。但技术太超前,进行不下去,只能回到平显。
苏联没有放弃,而是大大简化了技术,不用头盔上的屏显,而是在头盔的视野边缘处设置一圈LED指示灯,在火控系统的控制下,提示飞行员威胁方向。这个简单的工程实现有奇效,与机动性超强的R-72近程空空导弹相结合,真是指哪打哪。东西德合并后,前东德空军的米格-29在北约空战演习中,屡屡把美国空军的F-16打得找不到北。
西方惯于指责别人抄袭,自己从来不羞于拿来主义,以指示灯为基础的头盔指示系统成为90年代西方战斗机标配。同时,随着计算机、显示尤其是增强现实技术的发展,盔显似乎终于可以成为现实了。F-35采用盔显,并作为主要显示系统,座舱仪表板上的大屏显示只是辅助。
但盔显再次成为巨大的头痛, 首先是重量。显示技术再发达,显示屏再轻巧化,盔显的重量还是对飞行员的脖子造成很大的压力,高g飞行时是不可承受之重,在弹射的时候更是可能造成生命危险。
显示技术本身也有本质滞后。固定位置的飞行数据没问题,随着头部转动而移动的目标指示光标就麻烦了。盔显首先要精确测定头部转动的角度和速度,然后计算光标移动的方向和速度,最后形成可见的光标。测量和计算机速度再快,依然是有限的。人眼和大脑能感知到滞后,很容易产生晕眩感。测量-计算-显示也是一个反馈系统,光标具有一定的本质晃动,就像电梯到了楼层会有一点晃动才停稳一样,这进一步增加了晕眩感。
光标、符号和数据的亮度还需要针对环境迅速调整,但亮度调整速度远远不及人类的肉眼和大脑,再次影响使用。
最初设计是要把雷达、红外夜视、移动地图等统统整合到盔显。在静态下没有问题,但一动起来,问题太大。后来换了简化设计,重量控制住了,显示符号也极大简化,回到传统平显的格局,不玩实景图像了,滞后也降低到可以接受的水平,但维修问题来了。
每个人的脑袋大小、形状、瞳距、视线都是不一样的,所以带盔显的头盔对每一个飞行员都是因人定制的,据说每一个头盔就是40多万美元,顶4辆保时捷911。问题是还需要在日常维修中保持调校准确。F-35没有平显,只有盔显,所以这是事关飞行安全的主要显示系统。在2020年5月19日的F-35A坠机中,盔显问题正是原因之一。
由于调教问题,盔显的地平线与跑道指向错位,地平线标志明显低于实际,跑道中线的指向也歪了。这个问题在起飞前发现不了,但夜间着陆时就要命了。飞行员发现了问题,凭经验补偿,但错误的图标越来越分散注意力。按照设计,图标越接近跑道时越明亮,原意是帮助飞行员,现在弄巧成拙,搞得飞行员心烦意乱,动作变形,最后导向事故。
F-35是飞火推联动的,单大推的转动惯量大,油门反应相对不灵敏,过猛加油容易造成喘振。飞控会把飞行员的"过度"动作过滤一下再传递给发动机。美国海军传统上在着舰时采用"反区操作",在固定的下滑率基础上,不断微调发动机推力来微调下滑航线。海军喜欢双发,也是因为在同样推力下,双中推的推力调节比单大推更加精细,但这是题外话了。因为单大推推力微调不灵敏的原因,F-35C在着舰时改为像空军那样,固定发动机推力,不断微调襟副翼来微调下滑航线。
但在这次需要复飞的时候,冒险牺牲一点喘振裕度、榨出更多推力,或许能把飞机救回来。实在喘振了,反正都是一个坠毁,也谈不上损失。问题是飞控自作主张,不容许牺牲喘振裕度,飞行员就只有弃机跳伞了。










