F-35的新型座舱投影显示器

编译：张洋、洪钟

译自《Avionics Magazine》2004年6月号，原文载于《航空世界》杂志

F-35“联合攻击战斗机”（JSF）的主承包商洛克希德 马丁公司和航空电子系统主要提供者罗克韦尔 柯林斯公司都信誓旦旦的宣称，他们为该机研制的新型座舱投影显示器技术能确保F-35变得更好、更轻和更便宜。
尽管对这种说法的怀疑依然存在【注释1】，五角大楼和英国国防部仍在推进JSF项目“系统发展与验证”（SDD）阶段中一个这样的计划：从2006年夏季开始试飞15架装备这种新型投影显示器的战斗机。按目前计划，F-35应将生产3种不同的型别，即常规起降型（CTOL）、舰载型（CV）和短距起飞/垂直降落型（STOVL）。美国空军（USAF）、海军（USN）和海军陆战队（USMC）以及英国皇家空军（RAF）和皇家海军（RN）将总共购买约2600架【注释2】。
【注释1】投影显示技术发展过程
投影显示器技术兴起的时候，霍尼韦尔公司并没有打盹休息。事实上，这家航空设备的主要供应商很看好这种产品，只不过认为这种产品在可预见的未来商用航运市场上还不看好。该公司空运系统显示器部门的主任凯文 杨（Kevin Young）说：“2000年时我们开始认真的考虑投影显示器，我们确信为了解它是否是有前景的技术已经做了充分的研究。如果它是有前景的技术，那么我们需要推进发展这种显示器的步伐”。
该公司已经进行了一个项目，并评估了投影显示器需要的各种不同技术。18个月后，该公司认为所分类的各种技术都可走向成熟，而如果想解决可能存在的问题，应当制造一台满足市场需求的显示器。
杨宣称：“我们认为，投影显示器目前尚不是一种可行的技术。”最关键的是，其可靠性目前尚无法满足要求，此外就是投影显示系统的维护比较困难。为了说明这个问题，杨引用了一个寿命标准——8000小时。而对于投影显示器系统的光源来说，“在商业市场上根本没有达到这个要求的产品。但是航空公司却希望显示器的平均故障间隔时间能不低于20000小时”。
霍尼韦尔公司还发现估算得到的投影显示器系统成本高于公司正在交付的平板有源矩阵液晶显示器。这项研究也显示了投影显示系统的“复杂性”：它需要透镜和平面镜组，增加了系统的重量。
霍尼韦尔公司的这项研究于2001年结束，杨的结论是：投影显示器技术还没有达到实用阶段。
【注释2】美国空军、美国海军和美国海军陆战队以及英国皇家空军和皇家海军将装备约2600架各型F-35。美国海军陆战队原先计划在2010年前形成JSF的初始作战能力（IOC），美国空军的计划是2011年，美国海军和英国则是2012年。然而，现在可能变为美国海军陆战队在2012年、美国空军和海军在2013年。第一架先导机的试飞日期可能在2005年底到2006年初。
位于德克萨斯州沃斯堡（Wroth Fort）的洛克希德 马丁航空系统公司F-35飞行员系统“综合产品小组”（IPT）组长汤姆 弗雷（Tom Frey）说：“我们在上个世纪90年代后期做出了一个战略性的判断——到2000年年中，投影显示器技术将成为衡量战斗机座舱技术水平的标志”。位于加利福尼亚州圣何塞（San Jose）的罗克韦尔 柯林斯公司旗下的凯撒光电分部（前凯撒航空航天公司，2000年被罗克韦尔 柯林斯收购）则被选中提供F-35使用的多功能显示系统（MFDS）。

汤姆 弗雷
通过从民用电视工业借用所谓的“反射光学”技术，洛克希德 马丁与罗克韦尔 柯林斯的联合小组现在提供了将两个尺寸（高度×宽度，下同）8英寸×10英寸（1英寸=25.4毫米）的显示器表面综合成一个尺寸8英寸×20英寸视区的技术，这是到目前为止战斗机上最大的显示面积。弗雷宣称：“采用这种综合升级至少减轻了100磅（45千克）的重量”。通过采用触摸屏（系这种大尺寸的显示器首次采用）和语音识别技术，联合小组已成功为新型显示器综合大量的典型控制功能。
弗雷也参与了F/A-22“猛禽”战斗机座舱的开发，宣称：“在我们的模拟器上，F-35的这种座舱是第一次没有任何飞行员要求增大显示器面积的。为了确定如何布局才能让飞行员高效率地使用，我们进行了大量的研究工作”。弗雷现在领导的工作组包括9名座舱工程专家，覆盖的专业包括弹射座椅、飞行控制等。投影显示器另外一个性能优势是它的亮度，与其它战斗机上采用的液晶显示器（LCD）相比，它在阳光的直射下更易于阅读。
航空电子系统使用的投影显示器技术始于上个世纪80年代，一些欧洲的飞机采用了这种显示器。现在，欧洲泰勒斯航空电子公司正在为“幻影”系列战斗机和“阵风”战斗机以及“空中客车”系列客机提供基于投影技术的平视显示器（HUD），也为直升机提供基于投影技术的头盔显示器（HMD）。但美国厂商直到最近才开始采用这一技术：罗克韦尔 柯林斯公司于2002年5月在F/A-18E/F“超级大黄蜂”（Super Hornet）上首次试飞了其基于投影技术的“灵巧显示器”——6英寸×6英寸的反射式微型液晶显示器（micro-LCD）。然而，波音公司F/A-18按批次升级的航电系统并没有包括这种显示器。
尽管美国空军的洛克希德 马丁F/A-22空中优势战斗机最初并未计划配备这种显示器，但现在，投影显示器已经取代了该机正中间位置原来一个8英寸×8英寸的战术显示器（原为液晶显示器）。而在F-35上，按弗雷的说法，“将采用更为先进的第四代技术。而且，当你对比投影显示器和液晶显示器时，你会发现，前者走向市场并在战斗机座舱应用中取得成功的时间比后者要短得多”。

FA-22玻璃座舱工作状态图
罗克韦尔 柯林斯的多功能显示系统
罗克韦尔 柯林斯公司将提供给F-35的显示系统包括：两台8英寸×10英寸的多功能显示器、一个飞行员接口模块以及每个显示器一个的低压电源、光源、冷却风扇、激励装置和显示处理机。其中显示处理机用于处理所有的显示管理功能。它由罗克韦尔 柯林斯公司设计并制造。
这些部件被插入到飞机的座舱底板，或者安装到相应的接口位置。最后组成的综合多功能显示系统的前端之一是飞行员接口模块，它有多片式光学表面为投影系统提供反射面。主表面采用化学回火玻璃作为基层，上面有特殊的光学涂层以确保将光线反射到正确的方向——朝着飞行员的眼睛。玻璃和涂层是从其它公司购买的，但触摸屏是罗克韦尔 柯林斯公司制造的。
罗克韦尔 柯林斯公司的JSF多功能显示器系统项目经理特里 哈里斯说：“多功能显示器系统是JSF的主人-机界面，它将与JSF上的头盔显示器和飞行员声控装置等其它机载系统协同工作，对飞机进行管理”。从起动发动机到为飞行员显示传感器数据和系统状态等广泛的任务都由多功能显示器系统进行。
柯林斯公司还为显示系统发展了软件，它们由洛克希德 马丁航空系统公司的沃斯堡工厂进行综合。参与这项工作的联合小组成员还包括位于加利福尼亚州洛杉矶市El Segundo的诺斯罗普 格鲁门公司。罗克韦尔 柯林斯公司的凯撒光电分部（位于加利福尼亚州的Carlsbad）的负责提供关键的投影透镜和显示处理器的电路卡（每个处理器有3块）。
在洛克希德 马丁做出为F-35采用投影显示系统的决策中，罗克韦尔 柯林斯公司扮演了关键角色。哈里斯说：“罗克韦尔 柯林斯公司在圣何塞的工厂可以说是显示器之家。当我们收到一份需求建议书（RFP）时，我们立刻注意到了投影显示器技术——因为它确实是可用的最佳选择，能满足用户的极限要求”。
哈里斯补充说：“我们设法按部就班地实现我们的目标——我们将F/A-18和F/A-22使用的早期投影显示器改进得更先进并用到JSF上。现在，我们希望把它改进到更高的水平”。
2003年7月，罗克韦尔 柯林斯公司赢得了第一份投影显示器的国际合同——日本岛津（Shimadzu）制作所选择该公司联合为航空自卫队的F-15J发展基于投影技术的4.5英寸×4.5英寸反射式微型液晶显示器。该显示器将采用高度抗震的设计和采用商用货架（COTS）部件及技术。
工作方式
投影显示器是会议室投影系统技术延伸发展的结果。罗克韦尔 柯林斯公司多功能显示器系统项目的一位技术主任——蒂姆 爱德华兹说：“投影显示器采用小型的显示装置，例如小型液晶显示器形成图像，然后将图像放大并投射到屏幕上。这种工作方式提供了选择分辨率非常高的图像装置和确定终端输出显示器的灵活性——例如像JSF那样采用两个8英寸×10英寸的显示器”。

F-35先进投影显示器显示状态
按爱德华兹的解释，就像背投电视机和会议室投影机一样，投影显示器的组成包括棱镜、色彩过滤装置、光源和其它一系列光学组件组成。这些光学组件包括用于扩大图像并将它投射到8英寸×10英寸显示屏上的投射透镜。JSF的终端显示器具有1280×1024的像素分辨率，这是高端的膝上型或桌上型计算机监视器典型的水平。多功能显示器系统研制小组的成员们可以通过软件决定F-35的8英寸×10英寸投影显示器能分割成多少个“独立”的显示器——这具体取决于洛克希德 马丁公司的JSF项目组希望以什么方式显示以及显示多少不同的信息。
为了更好地显示多种信息，洛克希德 马丁公司设计了所谓的“窗口”概念，从而允许飞行员很快改变JSF上8英寸×20英寸组合显示器的信息显示格式。飞行员可以观察到各种传感器提供的各种战术和目标威胁信息、机载武器系统状态、飞机飞行和状态数据以及故障告警和雷达告警接收机信息。尽管格式可以多变，但通常采用的是划分为4个窗口显示，并且每个的显示区域大小都可扩充为8英寸×10英寸，而第2个显示器的大小同样可以通过触摸屏、声控或“手不离杆”（HOTAS）控制指令扩大或者缩小。
弗雷介绍说：“飞行员通过轻触一个蓝绿色的三角标志就可以在垂直或者水平方向上扩大窗口为8英寸×10英寸，这也可以通过声控实现——飞行员可以说‘expand one’（扩展一个显示器），这样最左边那个窗口将会扩大；接下来如果你想保持改变后的布局，你可以说‘restore one’”。在“手不离杆”（HOTAS）控制方式下，飞行员可以移动油门杆上的一个用来“点击”触摸屏上特殊图标的光标控制器，从而改变窗口的尺寸。不过在JSF上，声控和触摸屏被设计成飞行员命令的主输入方式，而光标是在它们出现故障时的一种备份控制方式。
然而，弗雷警告说，过高的自动化程度并不总是好事。他说：“典型的例子是，我们发现飞行员并不欣赏显示系统可以自动改变其显示格式的设计——飞行员并不喜欢惊奇的感觉”。他说JSF的这个显示系统允许主要模式的切换，例如从战术显示模式向仪表显示模式转换。在这过程中窗口的格式和尺寸都可以按飞行员的最终偏好改变。但是除此之外，我们没看到增加其它自动化设计的必要，也没发现这样做会有什么优势。
由于F-35的显示区域面积已经达到了令飞行员满意的8英寸×20英寸，所以这个显示系统现在的局限是两个相邻显示器的处理能力。弗雷指出：“我们曾经寻求采用一台9英寸×16英寸的高清晰度电视格式，但是基于座舱显示方面实现多余度方面的考虑，我们认为将两台8英寸×10英寸的显示器综合成一台8英寸×20英寸的设计更好。这样不仅能获得更多的显示面积，而且也能保证显示余度”。该显示器还综合了放大功能，能使细节更加清晰。
余度设计允许当一台显示计算机发生故障时，另一台能代替它继续完成任务。弗雷说：“当采用语音识别技术时，举个例子，主显示计算机获得数字语音序列输入后执行了所有适当的命令，另一台计算机则备份着主显示计算机的工作状态，一旦后者发生故障，它立刻从断点开始接管显示系统，继续完成任务”。（译者注：这就是所谓的双机热备份工作方式，F/A-18的航空电子系统就采用了这种设计）
JSF的多功能显示系统中，每个8英寸×10英寸显示器都有自己的图像处理机和产生符号的投影起动装置。飞机的各种传感器将它们的数据传输到显示系统，后者在处理这些数据后以一定的形式将它投射到屏幕上的正确位置显示。
通过采用商用反射式液晶显示器，回避了许多战斗机上采用直视型液晶显示器时所必须面对的采用独特设计的问题。尽管军用运输机上已经成功采用耐震的商用液晶显示器，但大多数战斗机采用的液晶显示器需要采用特殊的玻璃以抵挡强光和温度的大幅度变化。
弗雷说：“投影显示器技术真正允许我们直接采用商用技术而不需要进行昂贵的军用抗震设计或技术改造，结果呢？它减小了重量和尺寸并降低了成本”。
交付计划
罗克韦尔 柯林斯公司的多功能显示系统预期的交付日期从今年6月开始，但实际上拖到了10月。然而，该系统已经通过了关键设计评审（CDR），而JSF项目的参与公司已经为系统发展与演示（SDD）阶段的生产准备就绪。按照弗雷的说法，首次飞行演示试验将于2005年在洛克希德 马丁公司改装的波音737——联合航电设备测试台上进行。
座舱设备的第一次实际飞行测试安排在2006年8月的A1飞机上进行。在项目的这一节点，3架JSF型别飞机的航电设备通用性将已达到98%。弗雷说：“我们的目标是使座舱的通用性达到100%”。
洛克希德 马丁公司目前在弗吉尼亚州的阿灵顿试验厂和沃斯堡工厂使用的座舱演示器是由军队飞行员“驾驶”的，这是为了让他们参与座舱系统的研制。然而，座舱演示器的系统将使用商用投影显示引擎。哈里斯说：“这个不模仿我们最终在多功能显示系统中使用的投影显示引擎”。
位于英国切尔腾纳姆（Cheltenham）的史密斯航空航天公司将为F-35提供3英寸×3英寸的有源矩阵液晶显示器（AMLCD）飞行显示系统，这一系统可以独立显示姿态、高度、航速、垂直速度和迎角。显示系统位于座舱前部仪表板的中央。罗克韦尔 柯林斯公司和以色列埃尔比特系统公司的合资公司——VSI国际系统公司将负责为JSF提供头盔显示器。
除了JSF，还有投影显示器的市场吗？哈里斯还认为：“我们已经做了很多工作，而且拥有很多潜在的用户，我们的研究成果还有其他的用途，只不过现在JSF是最大的客户。作为商用飞机和公务机航空电子系统的主要供应商——罗克韦尔 柯林斯公司，考虑了投影显示系统的市场了吗？该公司的发言人在位于依阿华州锡德拉彼兹（Cedar Rapids）的公司总部说：“这是可能的。但是目前我们公司还没有任何人具体执行这项工作”。
军事许可
JSF项目办公室同意洛克希德 马丁公司在F-35上 选择投影显示技术的决定。JSF项目办公室负责F-35机载系统“综合产品小组”的美国空军上尉凯思 韦恩伯格（Keith Weyenberg）——说：“这种投影显示系统使用商用货架部件可以让我们灵活地适应F-35座舱内的空间约束。另外，我们感到这种技术提供了更节省费用的升级方法，因为随着这些技术的改进，我们可以不替换这个显示器就升级投影引擎等部件。”他还说：“投影系统关键的优点是：它可以马上预热，尤其在寒冷的冬天警戒的战斗机需要尽快起飞的时候。”在显示系统的清晰度方面，他的观点也和弗雷不谋而合：“它比液晶显示器具有更好的对比度，在明亮阳光的照射下，依然容易辨认清楚。”韦恩伯格还认为，它最重要的突破在于将使F-35“是首架满足显示器既是仪表板又是显示界面的理想服役飞机。他解释说：“‘窗口’方案可以通过触摸或声音命令，为变换显示方式和选择武器或不同系统的不同方式提供灵活性。飞行员没有必要象在以前的飞机上那样，在阴极射线管显示器（CRT）上选择不同的模式或者进一步操纵座舱内不同的开关。”
保障性
韦恩伯格认为，新显示系统的可靠性有希望会更好。需要拆卸和替换模块时，模块化的方式可为检修人员提供更容易的方法。尽管在这一点上还不能满足平均故障时间（MTBF）要求，但是，“我们已经向洛克希德公司提出了高水平的可靠性要求，他们也为飞机上不同部件分配了指标来完成这个要求。现在，基于我们的设计分析，他们的显示系统已经满足了所有的可靠性规定。”
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