Бортовые устройства отображения информации и управления самолётов тактической авиации

О. Аксенов

Повышение боевых возможностей тактической авиации в странах НАТО связывается в первую очередь с улучшением летно-технических характеристик состоящих на ее вооружении самолетов. Это достигается как за счет совершенствования аэродинамических характеристик плане.
ров, силовых установок и оружия, так и благодаря применению дополнительных, более сложных бортовых систем. Использование последних требует установки в кабинах все возрастающего количества устройств отображения информации и управления.

Рис 1 Устройства отображения информации истребителя F-16C

Рис. 2. Многофункциональный индикатор на цветной ЭЛТ с теневой маской типа 2100 (применяется на самолетах F/A-18, AV-8B и «Xappиep-GR.7» для отображения картографической информации)

Рис. 3. Отображение на картографическом индикаторе панорамы местности, синтезированной ЭВМ

Рис. 4. Нашлемный индикатор с очками ночного видения «Найт хелм»

Рис. 5. Синтезированное отображение картографической, пилотажно-навигационной и тактической информации в нашлемном индикаторе «Найт хелм»

Рис. 6. Представление информации на большом экране с сенсорным покрытием и на электронно-оптическом индикаторе с отображением данных на лобовом стекле при нанесении удара по наземной цели

Рис. 7. Картинное представление информации с помощью трех отдельных индикаторов в центре приборной доски, способных отображать один общий формат

Рис. 8. Нашлемная УОИ (концепция «кабина в шлеме»

Рис. 9. Панорамное изображение пилотажно-навигационной, картографической и тактической информации в рамках концепции «кабина в шлеме»

Как отмечалось в зарубежной печати, существенным недостатком традиционных устройств отображения информации (УОИ) являлось то, что на каждом приборе мог быть представлен, как правило, только один параметр. Интеграция всех данных возлагалась на интеллект самого летчика. Поэтому при ведении боя внимание летчика отвлекалось на восприятие и запоминание огромного объема информации, что снижало эффективность его действий. Проблема обострилась с появлением современных боевых самолетов и вертолетов, их кабины оказались весьма перегруженными приборами и органами управления. Это привело к существенному ухудшению эргономических характеристик информационно-управляющего поля кабин и, как следствие, к резкому увеличению рабочей нагрузки на летчика, которая достигла уровня, превышающего возможности человека. Несмотря на повышение качества подготовки, летчики в ряде случаев не обеспечивали безопасного пилотирования, не в полной мере использовали потенциальные возможности самолетов, не могли эффективно действовать в боевых условиях. В 50-70-х годах решение проблемы искали в создании двухместных боевых самолетов. В этот период появились тактические истребители F-4, F-111, «Торнадо» и другие. В 80-х годах внедрение в авиацию компьютерной техники позволило шире автоматизировать управление самолетом и реализовать новые технические решения в области устройств отображения информации и управления. По сообщениям иностранной прессы, в настоящее время УОИ проходят модернизацию, в результате которой электромеханические приборы заменяются электронными индикаторами, сопрягаемыми с органами управления различными' бортовыми системами. Так, кабины современных истребителей, как правило, оборудуются двумя-тремя унифицированными многофункциональными индикаторами на электронно-лучевых трубках (ЭЛТ) с расположенными по периферии экранов переключателями для ручного управления режимами дисплеев. Управление режимами работы всех электронных индикаторов на борту осуществляется от блока дисплейного процессора, состоящего из вычислителей и генераторов символов. Повышение их надежности достигается в основном за счет резервирования функций: на истребителе F-15C имеются два вычислителя и три генераторе символов, а на истребителе-штурмовике F/A-18C - два и четыре соответственно. Связь вычислителей с системами самолета осуществляется посредством основной и резервной мультиплексных шин. В состав современных устройств отображения информации и управления входят также электронно-оптический индикатор с отображением обстановки на фоне лобового стекла, нашлемный прицел, очки ночного видения, многофункциональный пульт управления систем связи, навигации и опознавания. Органы управления бортовых систем, используемых в бою, вынесены на ручку управления самолетом и рычаг управления двигателем. Это позволяет летчику вести бой, почти не снимая с них рук и не отрывая взгляда от обстановки вне кабины (рис. 1).

Так, на самолете F/A-18 ручка управления самолетом оборудована кнопкой триммеров руля высоты и элеронов, четырехпозиционным переключателем управления РЛС в режиме автоматического захвата, гашеткой пуска УР и стрельбы из пушки, трехпозиционным переключателем выбора УР класса «воздух - воздух», кнопкой отключения лазерного целеуказателя и управления носовым колесом, кнопкой управления автопилотом и отключения управления носовым колесом. На рычаге управления двигателем имеются следующие органы: кнопка управления автоматом сброса дипольных отражателей и тепловых ловушек, кнопка управления приводом антенны РЛС по углу места, выключатель бортовых сигнальных огней, кнопка управления радиолокационным режимом опознавания воздушных целей, кнопка управления автоматом регулирования тяги для выдерживания скорости при заходе на посадку, кнопка управления форсажем, кнопка управления лазерным целеуказателем, трехпозиционный переключатель управления воздушными тормозами, переключатель УКВ радиостанций, выключатель нашлемного прицепа.

В настоящее время в УОИ широко используются индикаторы на цветных ЭЛТ, так как цвет обеспечивает представление информации в более удобном для восприятия виде, что позволяет летчику быстрее и эффективнее принимать решение. На серийных машинах устанавливаются индикаторы на цветных ЭЛТ двух типов - пенетрон и с теневой маской, каждый из которых имеет достоинства и недостатки. ЭЛТ типа пенетрон отличается относительно простой конструкцией и высокой прочностью, допускающей нормальное функционирование при больших перегрузках и вибрациях, характерных для истребителей. Она обеспечивает высокую яркость при воспроизведении штрихового изображения, достаточную для наблюдения экрана при прямом солнечном свете. Однако применение этих ЭЛТ ограничено, так как они обладают недостаточной яркостью растрового изображения и не могут отображать синий цвет.

ЭЛТ второго типа конструктивно напоминают трубки бытовых телевизоров. Они обеспечивают воспроизведение всех цветов и оттенков, у них высокая разрешающая способность и большая яркость штрихового изображения. Однако в режиме растрового сканирования при солнечной засветке яркость недостаточна. Другим недостатком является хрупкость теневой маски, которая крепится к внутренней поверхности экрана ЭЛТ: при сильной вибрации и ударных нагрузках она подвержена смещению, что может привести к искажению цвета (рис. 2).

Разрабатываемые в настоящее время индикаторы на ЭЛТ с индексацией положения луча объединяют в себе достоинства рассмотренных трубок. Они менее подвержены механическим повреждениям, могут воспроизводить всевозможные цвета и оттенки, имеют большую яркость, контрастность и разрешающую способность и обеспечивают хорошую насыщенность цвета. К недостаткам ЭЛТ относят возможность работы только в режиме растрового сканирования и сложную электронную схему.

Достижения в области совершенствования индикаторов на ЭЛТ сделали возможным отображение на их экране картографической информации. Электронные устройства картографирования обладают высокой точностью и вместе с точными автономными навигационными средствами позволяют летчику уверенно выполнять полет на малых и предельно малых высотах в режиме следования рельефу местности и облета препятствий. Принцип действия картографических индикаторов первых выпусков основан на оптическом совмещении карты местности, отснятой на кинопленке и перематываемой в соответствии со скоростью и высотой полета, с символьной информацией, формируемой на экране ЭЛТ. В современных устройствах карта местности преобразуется в телевизионный видеосигнал, отображаемый на индикатор.

Перспективным направлением в области индикации картографической информации является создание полностью электронных средств формирования цифровой карты маетности. Так, фирма «Хьюз» по заказу ВВС США разрабатывает аппаратуру ITARS, с помощью которой картографическая информация отображается в виде трехмерной карты с цветовым кодированием особенностей рельефа местности, сооружений и деревьев. Информация представляется летчику в виде карты местности или синтезированного ЭВМ схематического изображения лежащей впереди местности, как бы видимой с самолета. Воспроизведение осуществляется на индикаторах горизонтальной или вертикальной обстановки или на электронно-оптическом индикаторе с отображением на фоне лобового стекла. На карту могут быть наложены символы, полученные от РЛС, ИК станции и других датчиков.

Кроме того, картографическая информация передается на другие системы самолета для обеспечения автоматического полета в режиме следования рельефу местности, навигации и применения оружия. Аппаратура ITARS является пассивной (для получения изображения не требуется никаких датчиков), что обеспечивает скрытное выполнение полета. Она будет иметь модульную конструкцию, благодаря чему ее можно будет использовать на стратегических и тактических самолетах, а также на вертолетах. В зависимости от назначения в ITARS могут храниться картографические данные о земной поверхности площадью 25 900-856 000 км2, поступающие из картографического управления министерства обороны США. Аппаратура позволит летному составу при подготовке к вылету на наземном тренажере познакомиться с местностью и вероятными зонами ПВО противника и спланировать маршрут для скрытного выхода к цели (рис. 3).
Электронно-оптический индикатор с отображением на фоне лобового стекла - неотъемлемая часть современных УОИ. С его помощью отображается пилотажно-навигационная и тактическая информация. Поскольку изображение на индикаторе проецируется в бесконечность, летчик может воспринимать эту информацию, не отрывая взгляда от обстановки вне кабины. Современные самолеты оснащаются в основном индикаторами, выполненными по оптической схеме рефракционного типа с использованием коллимирующего объектива, полупрозрачного лобового экрана и проекционной малогабаритной монохроматической ЭЛТ. Их поле зрения составляет 13-17° по азимуту и 9-12° по углу места, что .считается недостаточным для полета на предельно малых высотах с большой скоростью.

Другим недостатком считается то, что полупрозрачный экран индикатора отражает в глаза летчика только до 20 проц. света от ЭЛТ (ведет к снижению яркости символики) и пропускает лишь 70 проц. света от внешней среды (затрудняет обнаружение малоразмерных наземных целей). Развитие индикаторов идет в основном в направлении увеличения поля зрения, за счет этого улучшается ориентация летчика в полете на предельно малых высотах. Так, при увеличении поля зрения по азимуту до 20° летчик сможет выполнять полет на высотах меньше 50 м и со скоростью до 850 км/ч. Одновременно возрастет точность самолетовождения и надежность обнаружения цели при меньшем числе коррекций курса.

В настоящее время уже начался серийный выпуск новых широкоугольных индикаторов, они отличаются увеличенным полем зрения и более яркой символикой, достигнутыми благодаря применению дифракционного элемента в виде тонкой пленки желатина с записанной в ней интерферограммой. Этот элемент заменил полупрозрачный экран, в результате чего отражается до 80 проц. света от ЭЛТ и пропускается около 90 проц. света от внешней среды. Поле зрения индикаторов возросло до 30" по азимуту и 20° по углу места. Новыми индикаторами с 1988 года оснащаются истребители F-16C (заказано 450 комплектов). Ведутся летные испытания широкоугольных индикаторов для тактических истребителей F-15E,. «Торнадо», «Ягуар», штурмовиков А-7, А-10, AV-8B. Такие индикаторы разрабатываются также для перспективных истребителей ATF, EFA, «Рафаль» и палубного штурмовика А-12.

Кабины многих современных самолетов оборудуются нашлемными прицелами, которые позволяют осуществлять более быстрый захват цели головкой самонаведения УР по сравнению с другими прицельными средствами. Летчику достаточно поворотом головы совместить метку прицела с целью и нажать кнопку согласования. После этого ЭВМ ориентирует головку ракеты и антенну РЛС в направлении цели до обеспечения ее захвата, а летчик производит пуск УР. На современных машинах нашлемные прицелы совмещают с очками ночного видения. Так, в 1989 году ВМС США заказали 83 таких прибора (типа «Кэтс айз») для оснащения истребителей - штурмовиков F/A-18D, предназначенных для ночных и всепогодных действий. Намечается дополнительно закупить 162 прибора для усовершенствованных самолетов F/A-18C, развертывание которых в войсках планировалось на 1989 год.

Как сообщалось в зарубежной печати, развитие нашлемных прицелов привело к появлению нашлемных индикаторов. С их помощью летчик может не только осуществлять целеуказание при ведении огня, но и контролировать скорость и высоту полета, получать данные о состоянии бортовых систем и одновременно наблюдать за тактической обстановкой. В нашлемном индикаторе изображение создается находящейся в шлеме миниатюрной ЭЛТ и проецируется на его смотровой щиток. В этом приборе совмещаются качества нашлемного прицела и электронно-оптического индикатора с отображением данных на лобовом стекле. По сравнению с последним нашлемный индикатор имеет более широкое поле зрения, ограниченное только углом поворота головы летчика, но пока уступает по точности прицеливания при стрельбе из пушки и бомбометании. По мнению иностранных специалистов, со временем нашлемные индикаторы вытеснят из состава УОИ индикаторы с отображением данных на фоне лобового стекла, хотя последние будут еще применяться на самолетах ATF, А-12, EFA и других перспективных машинах. Первый нашлемный индикатор «Эджайл ай», предназначенный для ведения воздушного боя в дневных условиях, в 1989 году поступил на вооружение самолета F/A-18 ВМС США. Ведется разработка нашлемных индикаторов с очками ночного видения для оснащения различных боевых самолетов и вертолетов. Один из них, «Найт хелм», и отображаемое им изображение показаны на рис. 4 и рис. 5.

По мнению зарубежных экспертов, внедрение новых элементов существенно изменяет облик информационно-управляющего поля кабины самолетов. Современные УОИ дают летчику больше полезной информации и снимают с него часть рутинных операций, а это влечет за собой изменение характера деятельности летчика и повышает эффективность его действий. Дальнейшее развитие УОИ приведет к радикальному изменению роли летчика: из «водителя» самолета, занимающегося интегральной обработкой всей поступающей информации, он превратится в руководителя полета, который будет принимать решение на основе обобщенной информации от ЭВМ, обеспечивающей автоматическое выполнение всех элементарных операций и промежуточных расчетов. Считается, что для этого потребуются принципиально новые УОИ, хотя их фрагменты уже созданы и применяются в современных системах индикации.

Перспективные УОИ создаются в США в рамках технологии так называемой «суперкабины». Эта технология включена в долгосрочный проект «Форкаст-2», принятый командованием ВВС в 1986 году, и представляет собой одно из 70 наиболее приоритетных направлений развития авиационной техники. Программа разработки «суперкабины» рассчитана на 10-12 лет и оценивается в 120 млн. долларов. В ней принимают участие все виды вооруженных сил и НАСА. В наибольшей степени результаты программы будут реализованы при создании истребителя ATF, палубного штурмовика А-12, боевого вертолета LHX, но могут использоваться и при модернизации существующих машин. В рамках технологий «суперкабины» разрабатываются несколько концепций УОИ. Основными являются две: картинное представление информации (концепция «большая картина») и отображение информации внутри шлема летчика (концепция «кабина в шлеме»).

В области картинного представления информации фирма «Макдоннелл Дуглас» предлагает проект УОИ, в соответствии с которым предусматривается отказ от отдельных индикаторов в пользу одного дисплея с большим экраном, занимающего всю приборную доску. На самолете ATF площадь экрана превысит 2000 см2. Кроме того, кабина оборудуется широкоугольным индикатором с отображением данных на лобовом стекле, изображение на нем может быть продолжением изображения большого экрана (рис. 6). Перспективная УОИ сможет дать картинное изображение различных форматов: карту местности с данными о тактической обстановке (метками целей, зонами ПВО противника, траекториями полета самолетов ДРЛО и топливозаправщиков), панораму местности перед самолетом, траекторию полета в режиме следования рельефу местности и при обходе зон ПВО. Возможно отображение комбинации этих форматов.

При отображении любого формата в углах экрана предусмотрены зоны, в которых представляются данные систем связи, навигации, опознавания, управления оружием и контроля работы бортовых систем. Информация об остатке топлива в баках имеет вид двух концентрических кругов; круг большего диаметра указывает на максимальную дальность полета с имеющимся запасом топлива, а меньшего - дальность полета при данном положении рычага управления двигателем, На экране можно будет наблюдать за 50 целями в радиусе 90- 185 км. Перспективная УОИ по сравнению с устройствами отображения информации самолета F/A-18 будет иметь в 10 раз большую площадь информационного поля, вдвое меньшую массу (45 против 90 кг) и вдвое меньшую стоимость.

По «нению иностранных специалистов, для перспективных УОИ потребуются новые индикаторы, так как современные ЭЛТ характеризуются большими размерами, повышенной потребляемой мощностью на единицу поверхности экрана, недостаточной надежностью. К таким индикаторам относятся плоскопанельные цветные дисплеи: электролюминесцентные, жидкокристаллические, светодиодные, плазменные. Два первых типа считаются наиболее перспективными. У электролюминесцентных индикаторов меньшая масса по сравнению с другими плоскими дисплеями, большая яркость при небольшой потребляемой мощности, но они располагают ограниченным количеством цветов и имеют высокую стоимость. Жидкокристаллические индикаторы не излучают, а отражают падающий на них свет. Поэтому качество изображения улучшается с усилением внешней освещенности. Западными фирмами уже созданы такие индикаторы, хотя диапазон цветов у них пока ограничен. В частности, жидкокристаллический цветной индикатор размером 16х16 см разработан для экспериментального истребителя YF-22, прототипа самолета ATF.

В перспективной кабине часть информации летчик будет воспринимать с помощью системы речевого оповещения. Такая система представляет собой синтезатор человеческого голоса и предназначена для обеспечения летчика рекомендациями по действиям в различной обстановке, что освобождает его от необходимости непрерывно наблюдать за световыми сигнализаторами и показаниями на экране индикатора. Система речевого оповещения будет иметь женский голос, интонации и тембр которого воспринимаются лучше мужского. Использование стереофонических наушников позволит летчику воспринимать синтезированный голос, который как бы приходит из определенного места. Так, взволнованный женский голос из-за левого плеча означает, что с этого направления самолет облучается РЛС противника и следует ожидать атаки.

Вся информация, представляемая летчику на экране индикатора и с помощью синтезатора речи, будет поступать от бортовой экспертной системы (ЭС). На нее будут возлагаться следующие основные функции: опознавание цели за пределами дальности визуального обнаружения; оценка тактической обстановки, определение степени угрозы и последовательности действий с последующим информированием летчика; выдерживание запланированного маршрута полета и его изменение в зависимости от обстановки, например, для облета внезапно выявленной позиции средств ПВО; обеспечение летчика рекомендациями по отражению угрозы и выполнение по его команде оборонительных и наступательных действий; контроль бортовых систем.

Эти функции ЭС будет выполнять как за счет использования базы знаний, так и путем обработки большого массива данных. Огромные вычислительные мощности позволят ЭС практически мгновенно принимать наилучшие решения в сложных условиях обстановки. Это даст возможность распределить функции между ЭС и летчиком - летчик ставит задачу и осуществляет общее руководство по ее решению, а на ЭС возлагается выполнение различных тактических приемов. Например, летчик сообщает ЭС о необходимости поразить конкретную цель. ЭС самостоятельно выбирает наилучшую траекторию полета с учетом средства ПВО, рельефа местности, расхода топлива, осуществляет маневры уклонения от огня противника, применяет средства РЭБ, производит оптимальный выбор оружия для поражения цели и определяет параметры для его применения, а после выполнения задания рассчитывает маневры ухода от цели и возвращения на свой аэродром. ЭС создается в США по программе «Электронный помощник летчика» (Pilot's Associate)*; она предназначена для оснащения истребителя ATF.

Иностранные специалисты полагают, что для повышения эффективности действий летчика должен быть реализован принцип избыточности органов управления. В соответствии с этим принципом в дополнение к традиционным будут созданы новые средства: система управления с помощью речевых команд, система тактильного управления, программируемый пульт управления. Выбор летчиком того или иного органа управления будет зависеть от обстановки и удобств в работе. Так, для обеспечения вывода самолета на рубеж применения оружия он может использовать тактильную систему (коснуться пальцем сенсорного покрытия экрана в месте расположения цели), или ввести речевую команду (произнести название цели, например «мост»), или поставить курсор в нужное место экрана с помощью переключателя на ручке управления самолетом, или навести на цель прицельную метку нашлемного индикатора.

В рамках концепции картинного представления информации фирмы предлагают различные проекты применительно к истребителю ATF, который должен поступить на вооружение в 1995 году. Фирма «Макдоннелл Дуглас» представила проект использования большого экрана с сенсорным покрытием и нашлемного прицела. Проектом фирмы «Локхид» (рис. 7) предусматривается задействовать шесть цветных плоскопанельных индикаторов с кнопочным управлением. Три из них в центре приборной панели благодаря «бесшовному» расположению могут не только отображать отдельные форматы, но и действовать совместно как один экран.

Реализация концепции отображения информации внутри шлема летчика представляет собой дальнейший уход от традиционного облика кабин. По этой концепции, разрабатываемой ВВС США, отпадает необходимость в приборной панели, так как она полностью заменяется изображением в шлеме (рис. 8). Шлем оборудуется двумя миниатюрными ЭЛТ диаметром около 2,5 см с высокими разрешением и контрастностью и большой яркостью, которые проецируют в переднюю часть шлема реальную картину внешней обстановки, полученную с помощью оптической системы и генераторов изображения, сопряженных с экспертной системой. На рис. 9 показаны панорамное изображение местности в ночном полете, схема подвески оружия, след запущенной УР класса «воздух - земля» (в центре), зона действия средств ПВО противника (белый участок справа), пилотажно-навигационная информация, а также переключатели. Для управления бортовыми системами летчику достаточно прикоснуться пальцем к изображению переключателя, задержать взгляд на переключателе, подать команду голосом. С целью стабилизации изображения используется электромагнитная система, посылающая сигналы о положении головы летчика в ЭВМ. При повороте головы ЭВМ синтезирует изображение в новом ракурсе, под которым летчик мог бы наблюдать его при данном положении головы. Одновременно производится правильная ориентация звуковых сигналов, в частности, предупреждающих о направлении атаки противника. По сравнению с аппаратурой картинного отображения информации нашлемная система будет иметь меньшие массу и объем, лучшие надежность и ремонтопригодность. Требуемый уровень надежности соответствует средней наработке на отказ 5000 ч. Достоинством нашлемной системы является также то, что летчик, получая реальное изображение обстановки непосредственно в шлеме, может принять положение полулежа, обеспечивающее лучшую переносимость перегрузок. «Кабина в шлеме» может поступить на вооружение в конце 90-х годов. Ее планируется использовать для модернизации истребителя ATF и истребителей предыдущих выпусков.

По сообщениям зарубежной печати, в США ведутся исследования, направленные на создание так называемой биоэлектронной кабины, под которой понимают систему, объединяющую биологический организм (летчика) и ЭС в единое целое. Особенность кабины - наличие биокибернетической системы контроля психофизиологических параметров летчика, которая по давлению крови, графику дыхания, положению головы и рук на органах управления, по интонации голоса определяет, насколько тяжело ему переносить перегрузку, находится ли он в стрессовом состоянии и не потерял ли сознание. С помощью этой системы осуществляется динамическое распределение функций между летчиком и ЭС. Например, в случае возникновения стресса ЭС автоматически возьмет часть задач на себя, снижая информационную нагрузку летчика. При потере летчиком сознания ЭС выполнит соответствующий маневр выхода из боя, выведет самолет в безопасную зону и переведет его в горизонтальный полет. Если же произойдет отказ ЭС, то летчик получит сообщение об этом одновременно с перечнем задач, которые остались невыполненными. В целях создания системы контроля состояния летчика уже разработаны биокибернетические методы, основанные на применении устройств наблюдения за электрическими и магнитными проявлениями деятельности мозга. Создано встроенное в шлем летчика устройство для снятия электроэнцефалограмм, разрабатывается устройство для записи магнитоэнцефалограмм. В биоэлектронной кабине наряду с использованием прикосновения, голоса и взгляда для управления бортовым оборудованием предусматривается применять средства «чтения мыслей» на основе контроля волн мозга. Однако современный уровень развития науки и техники пока не обеспечивает создание такой системы. Полномасштабную разработку биоэлектронной кабины намечается начать в 1996 году. Проводимые за рубежом исследования свидетельствуют о том, что совершенствование УОИ является одним из приоритетных направлений развития авиационной техники. Внедрение принципиально новых средств позволит качественно изменить роль летчика и внести заметный вклад в повышение эффективности и боевого применения самолетов тактической авиации.

* Подробнее см.: Зарубежное военное обозрение. - 1990. № 2. - С. 58-60. - Ред.

Зарубежное военное обозрение №9 1990 С.37-44