战斗机驾驶舱显示控制技术的历史和发展

浅析战斗机驾驶舱显示/控制技术的历史和发展 摘 要：在综合化航空电子系统总体设计中，座舱显控系统历来是最受关注的设计技术之一。在“需求牵引、技术推动”下，其发展极其迅速。在此介绍了现代飞机座舱显控系统的基本要求，发展历史，未来发展趋势。

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自莱特兄弟1903年发明飞机一百年来，座舱人机接口经历了由机电到电子、由硬线连接到总线多路传输、由空分制到时分制、由专用到多功能，由分立到系统的漫长发展过程。显示器（人的信息输入接口）经历了简单机电仪表、机电伺服仪表、综合指引仪表、阴极射线管电子显示仪表、综合电子显示系统的发展阶段，目前已进入液晶（平板显示器）综合电子显示系统时代。而控制器（人的信息输出接口）则经历了机电控制器、可编程控制器、多功能键盘控制器、触敏控制显示屏，正向话音识别控制系统发展。

1. 基本概述

飞机座舱（更确切地说驾驶舱）是飞行员（驾驶员）等空勤组成员在飞机上容身护体和操纵飞机及其系统的专用舱。除了生命保障和环境控制设备以外，座舱主要由显示器和控制器--人机接口（驾驶员与系统界面）组成。由此看来，飞机座舱人机接口自然是典型的重要飞机电子信息系统--综合航空电子系统--的组成之一。

战斗机的座舱显示与控制(显控)系统是飞行员和飞机之间传递信息的界面,由显示和控制两部分组成。显示部分是飞行员获得信息的界面，而控制是飞行员发布指令的界面。飞行员从座舱显示系统中获取飞行时的必要信息，如飞机姿态、飞行高度等飞行参数，以及敌方飞机的战斗状态和地面防空火力分布等信息。飞行员还需要通过控制系统操纵飞机完成正常飞行、战斗空中集结、加油等任务。在战斗机上安装的航空仪表是飞行员操纵飞机执行作战任务的核心部件，飞机航空仪表的显示和控制不仅反映飞机的综合设计制造水平，更是飞机战斗力的集中反映。对飞行任务、作战使命的完成起到至关重要的作用，战斗机座舱显控系统的先进程度直接影响飞行任务完成的质量。因此，座舱显控系统一直以来也是各航空大国战斗机研制水平的重要标志之一。

在20世纪70年代，美国空军就开始制定数字航空电子信息系统（DAIS）计划，在系

统结构、功能分配、信息处理、总线传输、电子显示和键盘控制等领域开发了很多先进技术。其后美国海军的先进综合显示系统（AIDS）计划又进一步加强座舱显示控制系统技术研究。它们为现代综合航空电子系统--局域军用电子信息系统--奠定了基础。

2.座舱显控系统的发展历史

飞机座舱显控系统的发展与飞机仪表的发展有着密切的联系，伴随着飞机仪表的种类越来越多，飞机的显控系统也越来跃复杂。二十世纪50年代后，随着计算机的发展，航空电子在飞机上的应用越来越广泛。目前军用飞机仅仅是作为装载高科技航空电子设备、仪表、计算机和武器系统的一种平台，其整个机身的造价已越来越低，而机载电子仪表设备的费用则越来越高，如“台风”战斗机上的电子设备超过整个飞机机身造价的60%，而飞机机身的费用不超过整机的20%。仪表设备的发展要求，座舱显示的数据越来越多，对显控系统的发展提出了更高的要求。座舱显控系统是现代战斗机研制水平的重要标志。

2.1 机械式仪表阶段

飞机在引入仪表之前，仅仅是在白天进行目视飞行，后来引入了简单的机械膜盒式仪表，高度、速度仪表为飞行提供了一定的安全保障，机械膜盒式仪表利用膜盒感受外界的气压，将压力值转化为高度、速度数值再通过机械连杆带动仪表指针在刻度盘上显示数值。它具有感受、传送和指示环节，作为最早期的仪表开始应用，同时这种仪表是最简单耐用的仪表，虽然误差较大，但很少出现故障，甚至在部分第三代战机上仍然作为备分仪表存在。早期因为仪表种类少，仅需在座舱上显示高度、速度等简单的参数，不需要复杂的显示系统，容错性和放错性功能很小，这时还没有提出显控系统的概念。

2.2 机电式仪表阶段

在20世纪20一30年代在简单机械膜盒式仪表后，其它机载仪表设备相继出现，特别是以经典力学为基础的航空陀螺仪表的应用在飞机上，飞行员开始根据地平仪等机电式仪表飞行。这是航空仪表发展具有里程碑式的第一次变革，标志着飞机的机电仪表时代。机电仪表和简单仪表指示一样既利用显示元件的相对位移来显示信息。例如利用指针和刻度盘、游标与标记符等。航空仪表普遍具有感受、转换、传送、放大、指示等环节，而且普遍特点将受感信号转换成电信号进行传送，在指示部分应用电机带动指示部分。电信号主要以模拟量和离散量的形式在仪表中传送、放大工作，这是第二代飞机仪表的主要形式。

此时的航空仪表往往很单一，自身完全是独立的系统，机载仪表具有单独的传感器和传

送机构，在机身占有一定的体积，在仪表板上拥有自己的独立显示控制的空间，对某种单一的航空参数进行显示控制，例如姿态仪表地平仪、航向仪表陀螺航向位置指示器、油量表等都独立存在。因而在座舱设计中往往把座舱划分为若千个区域，来显示不同的信息，此种座舱布局称为“空分制”。“空分制”的座舱仪表分布的优点是：便于飞行员同时掌握多种信息，简单明了；缺点是信息显示分散、数量种类繁多，整个座舱显示复杂，仪表排布很拥挤，飞行中要求飞行员要合理分配注意力，对飞行员身体和心理都有很大的压力。随着飞机科研水平的提高，飞行信息量的极大增加，仪表的拥挤、杂乱的现象更加突出了，后来设计人员根据仪表的重要性和使用频率以及相互之间的联系重新排布，对仪表重新合理的排列，形成了“T”行排列等布局，广泛应用在第二代战斗机上。

在机电仪表广泛应用在飞机之后，随着数字电子技术的发展，机电仪表向集中测量、处理、显示为一体的数字式信号航空仪表发展，例如大气数据计算机系统，系统通过对测量的信号集中处理处理，通过数字传送、计算分别给多个系统和仪表应用、显示。结果使航空仪表的指示更加准确，减轻了飞机的重量和减少了飞机体积，仪表也通过综合指引显示，机电仪表的加工工艺得到改进，仪表经过小型化、组合化处理，仪表的性能大大的提高。但此时仪表的排布仍然采用是“空分制”，仪表拥挤、杂乱，分散飞行员注意力的现象，无法克服解决。这种仪表分布是第二代战斗机的标志，同时也是二代战机难以改变和克服的缺点。2.3电子仪表阶段

60一70年代飞机性能大幅的提供，飞机要求在高空、高速、作战环境复杂的条件下工作，原有的航空仪表处于离散控制的空分制座舱，使飞行员的工作压力日益繁重，即原来的仪表形式已经难以满足当时的工作需要，这时产生了以平视显示器和多功能下视显示器等为代表的电子飞行仪表。它采用电子发光来显示信息，它通过执行不同的控制指令就可以改变显示的参数和数值格式。这种电子仪表具有分别测量、传送、集中处理，整体显示，通过电子仪表的周边按键控制仪表的指示，使其在同一显示区间，在不同时间显示不同的信息。仪表的形式己经变革为屏显的形式，这是航空仪表发展具有里程碑式的第二次变革，仪表的显示进入“时分制”时代。电子仪表开始应用是第三代战斗机的航空仪表的主要形式，而此时机电仪表则被取代消失或者某些重要的机电仪表作为备分系统存在。电子仪表主要有以下几种优点：1.电子仪表可以一表多用；2.电子仪表由计算机控制可以实现按需显示；3.电子仪表显示的形式多种多样。