Wyświetlacze naheł­mowe HMD

Wyświetlacze HMD powinny być tak zaprojektowane, aby były łatwe w użyciu i utrzymaniu. Nie wymagały regularnych napraw czy konserwacji. Dodatkowo powinny być wyposażone w moduł szybkiego montażu gogli noktowizyjnych.

Wyświetlacze HMD powinny być tak zapro­jek­to­wane, aby były łatwe w uży­ciu i utrzy­ma­niu. Nie wyma­gały regu­lar­nych
napraw czy kon­ser­wa­cji. Dodatkowo powinny być wypo­sa­żone w moduł szyb­kiego mon­tażu gogli nok­to­wi­zyj­nych.

Hełm lot­ni­czy sta­no­wił nie­gdyś jedy­nie ochronę dla głowy pilota. Obecnie dzięki zasto­so­wa­niu wyświe­tla­czy naheł­mo­wych, nowo­cze­snych tech­no­lo­gii śle­dze­nia ruchów głowy oraz minia­tu­ry­za­cji pod­ze­spo­łów elek­tro­nicz­nych hełm stał się nie­odzow­nym narzę­dziem wspo­ma­ga­ją­cym pilota pod­czas walk powietrz­nych oraz ata­ko­wa­nia obiek­tów naziem­nych. Wyświetlacze naheł­mowe przy­czy­niły się do zwięk­sze­nia efek­tyw­no­ści dzia­łań pilo­tów podob­nie jak kie­dyś wyświe­tla­cze prze­zierne HUD.

Wyświetlacze naheł­mowe (Helmet Mounted Display, HMD) wyko­rzy­sty­wane w samo­lo­tach oraz śmi­głow­cach bojo­wych sta­no­wią logiczne roz­wi­nię­cie kon­cep­cji celow­nika reflek­syj­nego oraz żyro­sko­po­wego, a póź­niej celow­nika prze­zier­nego HUD.
Pierwsze, pry­mi­tywne celow­niki HUD (Head-Up Display) poja­wiły się w samo­lo­tach bojo­wych (np. bom­bo­wych Blackburn Buccaneer czy myśliw­skich BAC Lightning) pod koniec lat 50. XX wieku. Nie wyświe­tlały one jesz­cze para­me­trów lotu takich jak wyso­kość, pręd­kość, kie­ru­nek czy kąt natar­cia. Były raczej zaawan­so­wa­nymi celow­ni­kami sprzę­żo­nymi z pokła­do­wymi sta­cjami radio­lo­ka­cyj­nymi, poma­ga­ją­cymi śle­dzić cel i poka­zy­wać jego prze­wi­dy­waną pozy­cję. Na początku lat 70. wpro­wa­dzono na wypo­sa­że­nie samo­lo­tów myśliw­skich celow­niki HUD wyświe­tla­jące pełne spek­trum para­me­trów lotu (wraz z poło­że­niem samo­lotu w prze­strzeni i stop­niem prze­cią­że­nia) oraz infor­ma­cje o rodza­jach i zapa­sie uzbro­je­nia.
Dzięki HUD pilot teo­re­tycz­nie nie musiał już okre­sowo prze­no­sić wzroku z obser­wa­cji oto­cze­nia na tablicę przy­rzą­dów pokła­do­wych, gdyż wszyst­kie istotne infor­ma­cje miał wyświe­tlane przed oczami. Dzięki HUD piloci myśliw­ców mogli w pełni sku­pić się na walce manew­ro­wej oraz obser­wa­cji prze­strzeni na zewnątrz samo­lotu. Od tej pory HUD można z powo­dze­niem nazy­wać nie tyle celow­ni­kiem, co prze­zier­nym wyświe­tla­czem danych. Jednym z pierw­szych myśliw­ców, który otrzy­mał wie­lo­funk­cyjny HUD był ame­ry­kań­ski myśli­wiec pod­kła­dowy Grumman F‑14A Tomcat.
Jednakże HUD był nadal rodza­jem celow­nika „na sztywno” sprzę­żo­nym z samo­lo­tem. Pilot musiał manew­ro­wać całym stat­kiem powietrz­nym i utrzy­my­wać prze­ciw­nika „w celow­niku” przed, w trak­cie i po odpa­le­niu poci­sków „powie­trze-powie­trze” – szcze­gól­nie tych napro­wa­dza­nych radio­lo­ka­cyj­nie. Kolejnym kro­kiem było więc „odłą­cze­nie” celow­nika HUD od samo­lotu, tak aby pilot miał celow­nik cały czas przed oczami, nie musząc patrzeć wyłącz­nie wzdłuż osi podłuż­nej samo­lotu.
W 1962 r. firma Hughes Aircraft Company opra­co­wała „Electrocular”, czyli mon­to­wany do hełmu lot­ni­czego tele­wi­zyjny sys­tem kine­sko­powy (Cathode Ray Tube, CRT). System miał postać dość masyw­nego ramie­nia zakoń­czo­nego usta­wia­nym przed okiem pilota mono­klem koli­ma­to­ro­wym, na który był rzu­to­wany obraz tele­wi­zyjny. W poło­wie lat 70. XX wieku firma Honeywell Corp. roz­wi­nęła ten pomysł opra­co­wu­jąc celow­nik kine­sko­powy nazwany VTAS (Visual Targeting Acquisition System). Celownik mógł być mon­to­wany na stan­dar­do­wym heł­mie lot­ni­czym typu APH‑6. Obraz „wir­tu­al­nego” celow­nika był rzu­to­wany na cienki, prze­zro­czy­sty monokl koli­ma­to­rowy (celow­nik) usta­wiany przed okiem pilota. Była to znacz­nie lżej­sza i wygod­niej­sza kon­struk­cja niż „Electrocular”.

Wyświetlacze HMD są szczególnie przydatne podczas śledzenia celu techniką „off boresight”, gdy cel nie znajduje się bezpośrednio przed samolotem. Informacje o celu są wyświetlane na wizjerze hełmu w postaci symboli, które zawsze znajdują się w polu widzenia pilota. Dzięki temu może on bez przeszkód skoncentrować się na manewrowaniu i obsłudze uzbrojenia

Wyświetlacze HMD są szcze­gól­nie przy­datne pod­czas śle­dze­nia celu tech­niką „off
bore­si­ght”, gdy cel nie znaj­duje się bez­po­śred­nio przed samo­lo­tem. Informacje o celu są wyświe­tlane na wizje­rze hełmu w postaci sym­boli, które zawsze znaj­dują się w polu widze­nia pilota. Dzięki temu może on bez prze­szkód skon­cen­tro­wać się na manew­ro­wa­niu i obsłu­dze uzbro­je­nia

Systemem VTAS zain­te­re­so­wała się Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych, która w latach 1974 – 1978 testo­wała go w myśliw­cach F‑4 Phantom II oraz F‑14A Tomcat. VTAS pozwa­lał na wska­zy­wa­nie celów napro­wa­dza­nym na pod­czer­wień poci­skom „powie­trze-powie­trze” AIM‑9 Sidewinder. Pomimo pozy­tyw­nej oceny sys­temu, był on jedy­nie eks­pe­ry­men­tal­nie wyko­rzy­sty­wany w F‑4 Phantom II.
Pierwszym celow­ni­kiem naheł­mo­wym, który nie tylko wszedł do służby ope­ra­cyj­nej, ale w dodatku prze­szedł chrzest bojowy, był połu­dnio­wo­afry­kań­ski celow­nik HMS (Helmet Mounted Sight). Został on opra­co­wany w latach 70. przez firmę Denel Optronics i kon­struk­cyj­nie przy­po­mi­nał ame­ry­kań­ski sys­tem VTAS. HMS miał współ­dzia­łać z napro­wa­dza­nymi na pod­czer­wień połu­dnio­wo­afry­kań­skimi poci­skami „powie­trze-powie­trze” Kentron V3B Kukri. Tandem HMS-Kukri wszedł na wypo­sa­że­nie samo­lo­tów myśliw­skich Mirage F1AZ połu­dnio­wo­afry­kań­skich sił powietrz­nych (SAAF). Gdy w latach 1981 – 1982 doszło do tzw. wojny gra­nicz­nej z Angolą, dał on prze­wagę pilo­tom SAAF w star­ciach z ango­lań­skimi myśliw­cami MiG-21.
Amerykańskie doświad­cze­nia z sys­te­mem VTAS, a szcze­gól­nie zwy­cię­stwa połu­dnio­wo­afry­kań­skich sił powietrz­nych, nie prze­szły bez echa po dru­giej stro­nie żela­znej kur­tyny. Nowe radziec­kie myśliwce MiG-29 wypo­sa­żono w zin­te­gro­wany sys­tem celow­ni­czy OEPS-29 skła­da­jący się z ter­mo­na­mier­nika z dal­mie­rzem lase­ro­wym oraz naheł­mo­wego sys­temu wska­zy­wa­nia celów Szczel-3UM z wizje­rem koli­ma­to­ro­wym NWU-2M. Wizjer ma kształt mono­kla usy­tu­owa­nego przed pra­wym okiem pilota. System Szczel-3UM pozwala na wska­zy­wa­nia celów powietrz­nych napro­wa­dza­nym na pod­czer­wień poci­skom „powie­trze-powie­trze” R‑73 lub R‑60. Wprowadzenie do służby w poło­wie lat 80. myśliw­ców MiG-29 z sys­te­mem Szczel-3UM podzia­łało niczym „kubeł zim­nej wody” i przy­spie­szyło na Zachodzie roz­wój sys­te­mów HMD.
Pomimo, że w Stanach Zjednoczonych nie wpro­wa­dzono w tam­tym okre­sie na wypo­sa­że­nie myśliw­ców żad­nego naheł­mo­wego sys­temu celo­wa­nia, z powo­dze­niem wdro­żono taki sys­tem dla śmi­głow­ców sztur­mo­wych. W poło­wie lat 80. do służby weszły śmi­głowce sztur­mowe AH-64A Apache na któ­rych wypo­sa­że­niu zna­lazł się zin­te­gro­wany naheł­mowy sys­tem celow­ni­czy Honeywell M142 IHADSS (Integrated Helmet And Display Sight System). Hełm wypo­sa­żono w monokl usy­tu­owany przed pra­wym okiem pilota na który jest rzu­to­wany obraz kine­sko­powy. Monokl posiada pole widze­nia o kącie 40° w pozio­mie i 30° w pio­nie. IHADS jest sprzę­żony z sys­te­mem TADS/PNVS, czyli dzio­bo­wymi celow­ni­czo-nawi­ga­cyj­nymi gło­wi­cami śmi­głowca. Na monokl jest rzu­to­wany obraz z gło­wic TADS/PNVS, zarówno dzienny w postaci mono­chro­ma­tycz­nej jak i nocny – ter­mo­wi­zyjny.
Głowice TADS/PNVS są sprzę­żone z heł­mami IHADS pilota oraz strzelca pokła­do­wego AH-64 Apache w ten spo­sób, że „podą­żają” za ruchami głowy. Na tej samej zasa­dzie z heł­mem strzelca sprzę­żone jest działko pokła­dowe M230 kal. 30 mm, które „podąża” za ruchem jego głowy. System IHADSS oka­zał się bar­dzo udaną kon­struk­cją i „z mar­szu” wyzna­czył wyso­kie stan­dardy pro­du­cen­tom wyświe­tla­czy HMD prze­zna­czo­nych dla śmi­głow­ców bojo­wych.

Ewolucja sys­te­mów HMD

Pierwsze wyświe­tla­cze naheł­mowe HMD miały postać zamon­to­wa­nych na heł­mie zmi­nia­tu­ry­zo­wa­nych wyświe­tla­czy kine­sko­po­wych (CRT) rzu­tu­ją­cych obraz na koli­ma­to­rowy celow­nik prze­zierny w kształ­cie mono­kla, który był usy­tu­owany, z reguły, przed pra­wym okiem pilota. Celownik wyświe­tlał okręgi kali­bra­cyjne lub siatkę celow­ni­czą oraz ewen­tu­al­nie infor­ma­cje o namie­rze­niu celu przez radar pokła­dowy oraz gło­wice poci­sków „powie­trze-powie­trze” napro­wa­dza­nych na pod­czer­wień. Wyświetlany obraz musiał pre­cy­zyj­nie „podą­żać” za ruchami głowy pilota bez dez­orien­tu­ją­cych opóź­nień.
Żeby było to moż­liwe opra­co­wano spe­cjalne sys­temy pozy­cjo­nu­jące insta­lo­wane w kok­pi­cie i na heł­mie pilota pozwa­la­jące na pre­cy­zyjne okre­śla­nie rela­tyw­nego poło­że­nia głowy pilota wzglę­dem samo­lotu. Systemy wykry­wa­nia ruchów głowy pilota mogą wyko­rzy­sty­wać czuj­niki pod­czer­wieni (pozy­cjo­no­wa­nie optyczne), czuj­niki elek­tro­ma­gne­tyczne lub czuj­niki ultra­dź­wię­kowe. Stosuje się też sys­temy hybry­dowe np. iner­cyjno-optyczne. Czujniki pozy­cjo­nu­jące muszą być zain­sta­lo­wane w heł­mie oraz w kok­pi­cie, a ich insta­la­cja wymaga czę­sto dokład­nego „mapo­wa­nia” kok­pitu.
W latach 90. XX wieku opra­co­wano sys­tem rzu­to­wa­nia na monokl cało­ści danych wyświe­tla­nych przez celow­niki prze­zierne HUD razem z pełną sym­bo­lo­gią tak­tyczną poma­ga­jącą w śle­dze­niu i ozna­cza­niu celów zarówno powietrz­nych jak i naziem­nych. Pilot, gdzie­kol­wiek by nie spoj­rzał, mógł więc cały czas widzieć prze­zier­nie pełny obraz gene­ro­wany przez HUD. System oczy­wi­ście wyłą­cza obraz w chwili patrze­nia na praw­dziwy HUD, żeby unik­nąć nakła­da­nia się obra­zów.
Jednym z głów­nych czyn­ni­ków, które przy­spie­szyły roz­wój i wdro­że­nie sys­te­mów HMD było wpro­wa­dze­nie do służby w siłach powietrz­nych wielu państw manew­ro­wych poci­sków „powie­trze-powie­trze” małego lub śred­niego zasięgu typu HOBS (High Off-Boresight). Pociski takie jak AIM-9X, MICA czy ASRAAM posia­dają sil­niki z funk­cją wek­to­ro­wa­nia ciągu pozwa­la­jące na gwał­towną zmianę kie­runku lotu nawet o 180° po odpa­le­niu. Wyświetlacze naheł­mowe pozwa­lają pilo­towi wska­zy­wać cele w azy­mu­cie 80° – 90° po obu stro­nach osi podłuż­nej myśliwca dzięki czemu mak­sy­mal­nie wyko­rzy­stują moż­li­wo­ści manew­rowe poci­sków HOBS.
Wraz z roz­wo­jem wyświe­tla­czy cie­kło­kry­sta­licz­nych zre­zy­gno­wano z tech­no­lo­gii kine­sko­po­wej na rzecz zmi­nia­tu­ry­zo­wa­nych wyświe­tla­czy LCD, LCOS, 3LCD lub DLP. Wyświetlany obraz jest gene­ro­wany przez diody LED lub orga­niczne diody elek­tro­lu­mi­ne­scen­cyjne – OLED. Technologie te pozwo­liły na wyświe­tla­nie obrazu w dużej roz­dziel­czo­ści, co otwo­rzyło drogę do sprzę­że­nia z HMD zasob­ni­ków celow­ni­czych oraz gło­wic opto­elek­tro­nicz­nych. Pilot mógł więc oglą­dać na wyświe­tla­czu naheł­mo­wym obrazy video dostar­czane przez różne źró­dła w cza­sie rze­czy­wi­stym. Kolejnym kro­kiem było zasto­so­wa­nie tech­no­lo­gii wyświe­tla­nia „obrazu w obra­zie”. Daje to moż­li­wość otwie­ra­nia okien z powięk­szo­nym obra­zem, czy pro­wa­dze­nia pod­glądu obrazu dostar­cza­nego ze źró­deł zewnętrz­nych.

  • Paweł Henski

To jest skrócona wersja artykułu.

CZYTAJ E-WYDANIE KUP WYDANIE PAPIEROWE