Индикаторы на лобовом стекле (ИЛС), ставшие привычным элементом современной военной и отчасти гражданской авионики и даже применяющиеся в некоторых автомобилях, обязаны своим появлением двум изобретениям, сделанным более столетия назад. На рубеже 1860−1870-х годов английский физик Уильям Крукс создал первый прототип электронно-лучевой трубки, а в 1901 году там же, в Англии, был запатентован оптический прицел для корабельных пушек.
Потребовалось немалое время, прежде чем прицел превратился в полноценный индикатор на лобовом стекле, а электронно-лучевая трубка стала экраном многофункционального кабинного индикатора. Сегодня ЭЛТ теряют свои позиции, и их век в авиации завершается. Им на смену приходят плоскопанельные матричные индикаторы с безусловным фаворитом — ЖК-индикатором на активных цветных матрицах.
Современные самолеты оборудованы ИЛС только на проекционных «зеленых» трубках. Однако в последнее время рассматривается возможность использования комплексной нашлемной системы JSF HMDS. В чем-то она удобнее ИЛС, но уступает по точности в 4−5 раз, к тому же шлем проскальзывает по голове летчика, отчего объект трудно удерживать в прицеле. Поэтому для ведения прицельной стрельбы из пушки и неуправляемыми ракетами существующие ныне нашлемные системы неоптимальны.
Все началось в середине 1930-х, когда к прицелу приспособили гироскоп, тем самым решив проблему угла упреждения стрельбы, которую начали вести в синхронном режиме: управляя самолетом, летчик должен был синхронизировать движение прицельной марки с движением визуально наблюдаемой цели. Такой режим получил название синхронного. Эпоха авиационных синхронных прицелов (АСП) длилась в авиации почти 40 лет, пока все возможности синхронного визуально-оптического прицеливания и ведения стрельбы не были исчерпаны полностью: в условиях скоростного маневренного боя, причем с обеих сторон, просто перестало хватать «динамики» синхронного метода. От АСП вместе с синхронным методом отказались, появилась система «Прогноз-дорожка», которая была введена в качестве штатного режима прицельно-пилотажного индикатора на лобовом стекле. Для этого на экране в едином формате была объединена прицельная и пилотажная информация.
А первая удачная попытка объединения на общем экране информации различного рода относится к началу 1950-х годов, когда в СССР (кстати, на пять-шесть лет раньше, чем за рубежом) на экран АСП перехватчика МИГ-15Пбис с помощью оптической проекции была выведена отметка цели с экрана бортового локатора. Теперь летчик мог заранее при минимальных ошибках выходить на линию стрельбы. Это можно считать первым шагом в создании индикаторов по типу ИЛС.
ИЛС находит применение преимущественно в военной авиации, однако в наши дни эта система опционно устанавливается также на гражданские самолеты типа Boeing-737 и др.
Серьезные перемены начались с эпохи активного внедрения бортовых цифровых систем, дающих возможность гибкого управления потоками информации и создания высокоэффективных средств ее отображения. На этом подъеме в начале 1960-х был разработан первый настоящий так называемый штриховой ИЛС.
В нем вроде бы было все как в АСП: те же преломляющая оптическая система, коллимирующая выходная линза, полупрозрачный лобовой экран, малогабаритная очень яркая проекционная трубка. Но это была уже иная трубка, и, в отличие от трубки АСП, она могла работать в режиме дисплея и индицировать на экране подвижную прицельно-пилотажную информацию в символьном, знако-графическом и буквенно-цифровом виде, составленную из векторов, геометрических фигур, шкал, символов, букв, цифр и знаков. Их формировал специальный генератор символов (знаков) в составе ИЛС по заложенным в нем программам росписи и по командам бортового компьютера.
Так трубка стала самым настоящим алфавитно-цифровым дисплеем, что придало ей принципиально иное качество. В середине 1970-х такому ИЛС добавили функцию — теперь система могла функционировать еще и в телевизионном формате и отображать видеоинформацию от бортовых оптико-электронных систем, например от ИК-системы FLIR, и в режиме NAVFLIR для совершения ночных полетов и ведения боевых действий. Это был так называемый растровый ИЛС.
Имея подобные индикаторы, теперь можно было работать с большими объемами информации на едином общем информационном поле и не отвлекаться от экрана «по пустякам». Все необходимое было всегда прямо перед глазами, да еще и в мнимой бесконечности, на едином яркостном фоне. Зрению теперь не требовалось перестраиваться на новые освещенности и дистанции наблюдения. Конечно, «математика» ИЛС была куда мощнее и содержала алгоритмы решения задач стрельбы практически для любого набора начальных условий воздушного боя.
Первые отечественные ИЛС стояли в кабинах самолетов МИГ-27К, которые выпускались серийно в 1976—1982 годах. А первым ИЛС был все же ИЛС… без трубки. Французы разработали индикатор электромеханического типа и даже успели немного с ним полетать. В нем информационный кадр на фоне наблюдаемого через лобовой экран внешнего пространства создавался с помощью набора различных по размеру, форме и цвету масок, которые в нужное время вводились в поле зрения с помощью электромеханического привода. Он был ненадежным и капризным в работе и в авиации продолжения не имел.
К началу 1980-х ИЛС на традиционной стеклянной оптике исчерпали все возможности, и их прогресс остановился. Во-первых, посеребренный лобовой полупрозрачный экран плохо пропускал свет и плохо отражал проецируемую на него символику. Во-вторых, размер его поля зрения достиг конструктивного предела, и его увеличение просто за счет увеличения апертуры выходного коллимирующего объектива стало невозможным: габариты прибора уже мешали нормальному катапультированию, да и вес начал переваливать за 20 кг.
А поле зрения всегда хотелось иметь побольше. Его удалось несколько увеличить, установив один за другим два лобовых экрана: они позволили сделать суммарное поле зрения больше по вертикали. Двухэкранные ИЛС имеют многие современные боевые самолеты. Максимум, что удалось обеспечить, — это круговое поле зрения размером 22−24°. ИЛС с таким полем получил с точки зрения нормального катапультирования предельный габарит, но такого поля зрения едва хватало, чтобы можно было без опаски «работать» в режиме маловысотного полета с огибанием рельефа на высоте 50−100 м и на околозвуковой скорости.
В конце 1970-х было выработано решение, которое закрыло многие проблемы ИЛС: тогда появились ИЛС на дифракционных оптических элементах (ДОЭ). ДОЭ стали использовать в качестве полупрозрачных лобовых экранов увеличенных размеров, дающих более широкое поле зрения. Кроме того, ДОЭ были способны очень хорошо отражать проецируемую символику одновременно с высоким пропусканием света из закабинного пространства. Они также выполняли роль коллиматора.
Дифракционные ИЛС у нас принято называть ШКАИ — широкоугольные коллиматорные авиационные индикаторы. Для ШКАИ типичным является размер поля зрения 35х24° с перспективой удвоения, отражение до 85−92% падающего света и пропускание 80−85%. При этом вес прибора составляет всего 10−12 кг. Через экран индикатора летчик теперь мог наблюдать очень «ясную» внешнюю картину, а на экране видеть яркую символику даже при сильных солнечных засветках. Таким великолепным характеристикам мы обязаны избирательности ДОЭ к длине волны падающего света, в силу которой ДОЭ отражает почти полностью свет на длине своей рабочей волны и пропускает весь остальной.
Однако другая избирательность ДОЭ — угловая — не совсем удобна для наблюдателя: чтобы изображение для него не теряло своей яркости, ему необходимо выдерживать положение головы строго в пределах «коробочки» наилучшего наблюдения.
ДОЭ — это голограмма с записанными специальными оптическими свойствами. Запись производится при полном исключении вибраций двумя когерентными лазерными пучками -как правило, зеленой области спектра. При восстановлении ДОЭ подвергается воздействию излучения строго на длине его рабочей волны от проекционной трубки, и на лобовом экране формируется образ с заданными при записи оптическими свойствами.
В настоящее время ведутся работы по замене проекционной трубки на проекционную ЖК-матрицу, которая будет подсвечиваться монохроматическим светом на длине рабочей волны ДОЭ. Проходят испытания и дифракционные индикаторы со встроенной в лобовой экран ЖК-матрицей, формирующей изображения.
В современных самолетах используются ШКАИ на одном ДОЭ (Eurofighter 2000) и на трех ДОЭ с так называемой Z-схемой прохождения лучей (F-16, A-10).
Элт — цветные и монохромные — сыграли важную роль в авиасистемах индикации, в том числе и в ИЛС
На сегодня ИЛС остаются «последним бастионом» применения ЭЛТ в авионике, но и там они вскоре могут быть заменены ЖК-матрицами. И по сей день нет индикаторного устройства, превосходящего ЭЛТ по параметрам светового выхода. Но трубка требует источника питания, выдающего несколько десятков киловольт, имеет большой габарит в глубину, что мешает компоновке, и возможность полной потери изображения даже в случае небольшого повреждения. Специфические условия эксплуатации трубок во время полета заставили инженеров сконструировать несколько видов ЭЛТ, имеющих разные функции. Например, цветные трубки в кабинах начались вовсе не с привычных по домашним телевизорам ЭЛТ с теневой маской, а с трубок специальных конструкций — безмасочных. Например, в трубке системы «пенетрон» цветное изображение формировалось попаданием электронного луча в нужный слой многослойного прозрачного люминофора. Глубина проникновения луча регулировалась.
Индикатор на лобовом стекле предназначается для формирования на фоне впереди лежащего закабинного пространства коллимированного (то есть состоящего из параллельных лучей и как бы сфокусированного на бесконечность) светящегося изображения символьной прицельно-пилотажной и специальной информации в зеленом, наиболее удобном для глаза, цвете. Она воспринимается пилотом одновременно с внешней реальной обстановкой — без необходимости перефокусировать взгляд. Кроме того, ИЛС обеспечивает телевизионный режим отображения информации от РЛ, ТВ и ИК — обзорно-прицельных бортовых систем, в том числе в совмещенном с символьной информацией формате.
На случай отказа бортовой авионики в ИЛС имеется режим резервной прицельной сетки, позволяющий вести огонь «прямой наводкой» в так называемом режиме φ0, направляя самолет точно на цель.
Основные элементы ИЛС — коллиматорная оптическая проекционная система, лобовой полупрозрачный экран, проекционная трубка очень яркого зеленого свечения, вычислитель и блок формирования символьных изображений в виде подвижных символов, цифр, букв, векторов, геометрических фигур, шкал и др. На лобовом экране происходит оптическое совмещение реальных наблюдаемых сквозь него внешних сцен и проецируемых на него коллимированных символьных изображений, причем все наблюдаемое на экране представляется в «правильной перспективе» без проявления эффекта параллакса.
Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№78, апрель 2009).
