Pantalla montada en el casco
Dispositivo que se lleva en la cabeza y proyecta imágenes a los ojos
Sistema integrado de visualización y casco (IHADSS)
Torreta de cañón de cadena M230 de 30 mm en un Boeing AH-64 Apache apuntada con una mira montada en el casco.

Una pantalla montada en el casco ( HMD ) es un dispositivo que se lleva en la cabeza y que utiliza pantallas y ópticas para proyectar imágenes o simbología a los ojos. [1] [2] [3] Proporciona información visual al usuario cuando se requiere protección para la cabeza, especialmente en aeronaves militares. El conjunto de pantalla y óptica se puede conectar a un casco o integrar en el diseño del casco. Un HMD proporciona al piloto conocimiento de la situación , una imagen mejorada de la escena y, en aplicaciones militares, indica a los sistemas de armas la dirección en la que apunta su cabeza. Las aplicaciones que permiten indicar a los sistemas de armas la dirección en la que apunta su cabeza se denominan mira y pantalla montadas en el casco (HMSD) o miras montadas en el casco (HMS).

Requisito

Los diseños de HMD de aviación sirven para estos propósitos:

  • utilizando el ángulo de la cabeza como un puntero para dirigir los buscadores de armas aire-aire y aire-tierra u otros sensores (por ejemplo, radar , FLIR ) a un objetivo mediante el piloto simplemente girando el casco hacia el objetivo y operando un interruptor a través de HOTAS . En combate cuerpo a cuerpo , sin HMD, los pilotos tienen que alinear la aeronave para disparar a un objetivo. Los HMD permiten a los pilotos simplemente apuntar sus cabezas a un objetivo, designar un arma y disparar.
  • mostrando información sobre el objetivo y el rendimiento de la aeronave (como velocidad aerodinámica , altitud , alcance del objetivo, estado del buscador de armas, "g" , etc.) al piloto mientras está "con la cabeza en alto", eliminando la necesidad de mirar dentro de la cabina.
  • Visualización de vídeo del sensor con el propósito de:
    • Verificación de que el sensor elegido ha sido apuntado al objetivo o ubicación correctos sin necesidad de que el piloto mire dentro de la cabina.
    • visualización del terreno exterior mediante vídeo del sensor en condiciones visuales degradadas.

Los sistemas HMD, combinados con armas de alta precisión (HOBS), permiten a la tripulación atacar y destruir casi cualquier objetivo que vea el piloto. Estos sistemas permiten designar objetivos con una mínima maniobra de la aeronave, lo que minimiza el tiempo que pasa en el entorno de amenaza y permite una mayor letalidad, capacidad de supervivencia y conocimiento de la situación por parte del piloto .

Historia

En 1962, Hughes Aircraft Company presentó el Electrocular, una pantalla monocular compacta CRT montada en la cabeza que reflejaba una señal de televisión en un ocular transparente. [4] [5] [6] [7]

Uno de los primeros aviones con dispositivos HMD simples apareció con fines experimentales a mediados de la década de 1960 para ayudar a apuntar a misiles buscadores de calor . El Sistema de Adquisición de Objetivos Visuales (VTAS) de la Armada de los EE. UU. , fabricado por Honeywell Corporation, que voló a principios de la década de 1970 en el F-4J y el ACEVAL/AIMVAL 1974-78 en los cazas estadounidenses F-14 y F-15 . El VTAS recibió elogios [8] por su eficacia para apuntar a misiles fuera del eje de mira, pero los EE. UU. no continuaron con su uso excepto para su integración en los últimos modelos de los F-4 Phantom de la Armada equipados con el AIM-9 Sidewinder a partir de 1969. [9] Los HMD también se introdujeron en helicópteros durante esta época; los ejemplos incluyen el Boeing AH-64 Apache con el Sistema Integrado de Avistamiento de Casco y Pantalla (IHADSiSy) demostrado en 1985. [10]

Al mismo tiempo (1975) el Mirage 3CZ y el Mirage F1AZ de la Fuerza Aérea Sudafricana (SAAF) utilizaron una mira montada en el casco desarrollada localmente integrada con el misil termobuscador Armscor V3A. [11] [12] [13] [14] Esto permite al piloto realizar ataques fuera del cañón, sin tener que maniobrar hasta la posición de disparo óptima. Después de que el sistema sudafricano se probara en combate, desempeñando un papel en el derribo de aviones soviéticos sobre Angola, se afirma popularmente que los soviéticos se embarcaron en un programa de choque para contrarrestar la tecnología [ cita requerida ] . Como resultado, el MiG-29 se desplegó en 1985 con un HMD y un arma de alta distancia de mira ( R-73 ), lo que les dio una ventaja en enfrentamientos de maniobras cercanas.

Varias naciones [ ¿cuáles? ] respondieron con programas para contrarrestar la combinación MiG-29/HMD/R-73 (y más tarde Su-27 ) una vez que se conoció su eficacia, principalmente a través del acceso a los antiguos MiG-29 de Alemania del Este que eran operados por la Fuerza Aérea Alemana unificada.

Un HMD exitoso fue la serie Elbit DASH de la Fuerza Aérea israelí , utilizada en conjunto con el Python 4 , a principios de la década de 1990. Estados Unidos, el Reino Unido y Alemania buscaron un HMD combinado con sistemas ASRAAM . Las dificultades técnicas llevaron a Estados Unidos a abandonar el ASRAAM y, en su lugar, financiar el desarrollo del AIM-9X y el sistema de señalización montado en el casco conjunto en 1990. Los HMD de combate estadounidenses y europeos se empezaron a utilizar ampliamente a fines de la década de 1990 y principios de la de 2000.

El primer uso civil del HMD en aviones fue el Elbit SkyLens HMD en el avión ATR 72/42. [15]

Tecnología

Si bien es conceptualmente simple, la implementación de los HMD para aeronaves es bastante compleja. Hay muchas variables: [16]

  • Precisión: el error angular entre la línea de visión y la señal derivada. La posición del casco es lo que se utiliza para apuntar el misil; por lo tanto, debe estar calibrado y ajustarse de forma segura a la cabeza del piloto. La línea entre el ojo del piloto y la retícula del visor se conoce como línea de visión (LOS) entre la aeronave y el objetivo previsto. El ojo del usuario debe permanecer alineado con la mira; en otras palabras, los HMD actuales no pueden detectar hacia dónde mira el ojo, pero pueden colocar un marcador de punto de impacto previsto entre el ojo y el objetivo.
  • latencia o velocidad de respuesta: cuánto retraso hay entre el casco y la señal.
  • campo de visión: rango angular en el que la mira todavía puede producir una medición suficientemente precisa.
  • Peso y equilibrio: peso total del casco y su centro de gravedad , que son particularmente importantes en maniobras con fuerzas " g " elevadas. El peso es el mayor problema al que se enfrentan los diseñadores de HMD para aviones de combate. Esto es mucho menos preocupante para las aplicaciones de helicópteros, lo que hace que los HMD para helicópteros sean comunes.
  • seguridad y compatibilidad con la cabina de vuelo, incluida la compatibilidad con asientos eyectables .
  • características ópticas: calibración, nitidez, enfoque distante (o colimación , una técnica utilizada para presentar las imágenes en un enfoque distante, lo que mejora la legibilidad de las imágenes), imágenes monoculares vs. binoculares , dominio del ojo y rivalidad binocular.
  • Durabilidad y capacidad para soportar el desgaste diario.
  • Coste, incluida la integración y la formación.
  • Ajuste y conexión de la cabeza del aviador con la aeronave: la antropometría de la cabeza y la anatomía facial hacen que el ajuste del casco sea un factor crucial en la capacidad del aviador para interactuar con los sistemas de la aeronave. La desalineación o el desplazamiento del casco pueden provocar una imagen inexacta.

Seguimiento de la cabeza

Los diseños de HMD deben detectar la orientación (elevación, acimut y balanceo) y, en algunos casos, la posición (x, y, z) de la cabeza del piloto en relación con la estructura del avión con suficiente precisión incluso en condiciones de alta " g ", vibración y durante movimientos rápidos de la cabeza. En la tecnología actual de HMD se utilizan cinco métodos básicos: inercial, óptico, electromagnético, sónico e híbrido. [16] Los rastreadores híbridos utilizan una combinación de sensores, como inerciales y ópticos, para mejorar la precisión del seguimiento, la tasa de actualización y la latencia. [17]

Óptica inercial híbrida

Los sistemas de seguimiento inercial híbridos emplean una unidad de medición inercial (IMU) sensible y un sensor óptico para proporcionar una referencia a la aeronave. Las IMU basadas en MEMS se benefician de altas tasas de actualización, como 1000 Hz, pero sufren precesión y deriva con el tiempo, por lo que no se pueden utilizar solas. En esta clase de rastreador, el sensor óptico se utiliza para limitar la deriva de la IMU. Como resultado, los rastreadores inerciales/ópticos híbridos presentan baja latencia y alta precisión. Los HMD Thales Scorpion® HMCS [18] y HMIT HMD utilizan un rastreador fabricado por InterSense llamado Hybrid Optical-based Inertial Tracker (HObIT). [19]

Óptico

Los sistemas ópticos emplean emisores infrarrojos en el casco (o cabina de vuelo ) y detectores infrarrojos en la cabina de vuelo (o casco) para medir la posición de la cabeza del piloto. Las principales limitaciones son los campos de visión restringidos y la sensibilidad a la luz solar u otras fuentes de calor. El sistema Archer del MiG-29/AA-11 utiliza esta tecnología. [16] El HMD Cobra utilizado tanto en el Eurofighter Typhoon [20] como en el JAS39 Gripen [21] emplean el rastreador óptico del casco desarrollado por Denel Optronics (ahora parte de Zeiss Optronics [22] ).

Electromagnético

Los diseños de detección electromagnética utilizan bobinas (en el casco) colocadas en un campo alterno (generado en la cabina de vuelo) para producir voltajes eléctricos alternos basados ​​en el movimiento del casco en múltiples ejes. Esta técnica requiere un mapeo magnético preciso de la cabina de vuelo para tener en cuenta los materiales ferrosos y conductores en el asiento, los umbrales de la cabina de vuelo y la cubierta para reducir los errores angulares en la medición. [23]

Sónico

Los diseños de detección acústica utilizan sensores ultrasónicos para monitorear la posición de la cabeza del piloto mientras se actualizan mediante software de computadora en múltiples ejes. Las frecuencias de operación típicas están en el rango de 50 a 100  kHz y se pueden configurar para llevar información de sonido de audio directamente a los oídos del piloto a través de la modulación de subportadora de las señales de detección ultrasónica. [23] [ verificación fallida ]

Óptica

Los HMD más antiguos suelen emplear un CRT compacto integrado en el casco y una óptica adecuada para mostrar la simbología en el visor o retícula del piloto, enfocada al infinito . Los HMD modernos han prescindido del CRT en favor de micropantallas como el cristal líquido sobre silicio (LCOS) o la pantalla de cristal líquido (LCD) junto con un iluminador LED para generar la imagen mostrada. Los HMD avanzados también pueden proyectar imágenes FLIR o de visión nocturna . Una mejora reciente es la capacidad de mostrar símbolos de color y vídeo.

Sistemas principales

Los sistemas se presentan en orden cronológico aproximado de capacidad operativa inicial .

Sistema de visión integrado en casco y pantalla (IHADSS)

Yo había

En 1985, [24] el ejército estadounidense presentó el AH-64 Apache y con él el sistema integrado de visualización de casco y mira (IHADSS), un nuevo concepto de casco en el que se amplió el papel del casco para proporcionar una interfaz visualmente acoplada entre el aviador y la aeronave. El Honeywell M142 IHADSS está equipado con una pantalla monocular de vídeo con simbología y un campo de visión de 40° por 30°. Los emisores de infrarrojos permiten que un sensor de cámara termográfica orientable , montado en el morro de la aeronave, se adapte a los movimientos de la cabeza del aviador. La pantalla también permite la navegación nocturna sin tocar la tierra . El IHADSS también se utiliza en el Agusta A129 Mangusta italiano . [25]

Medios relacionados con IHADSS en Wikimedia Commons

ZSh-5 / Shchel-3UM

El diseño ruso del HMD Shchel-3UM de 1981 se ha instalado en los cascos de la serie ZSh-5 (y posteriormente en los cascos ZSh-7) y se ha utilizado en el MiG-29 y el Su-27 junto con el misil R-73 ( nombre de informe de la OTAN : AA-11 Archer). La combinación del HMD y el Archer proporcionó al MiG-29 y al Su-27 una capacidad de combate cuerpo a cuerpo significativamente mejorada. [26] [27]

Casco de visualización y visión (DASH)

El DASH III de Elbit Systems fue el primer HMD occidental moderno en alcanzar el servicio operativo. El desarrollo del DASH comenzó a mediados de la década de 1980, cuando la IAF emitió un requisito para los aviones F-15 y F-16. El primer diseño entró en producción alrededor de 1986, y el casco GEN III actual entró en producción a principios y mediados de la década de 1990. La variante de producción actual se despliega en los aviones F-15 y F-16 de la IDF . Además, ha sido certificado en el F/A-18 y el F-5 . El DASH III se ha exportado e integrado en varios aviones heredados, incluido el MiG-21 . [28] [ ¿ Fuente poco fiable? ] También forma la tecnología de base para el JHMCS estadounidense. [29]

El DASH GEN III es un diseño totalmente integrado, donde el paquete completo de bobinas de detección óptica y de posición está integrado dentro del casco (ya sea el estándar de la USAF HGU-55/P o el estándar israelí HGU-22/P) utilizando una visera esférica para proporcionar una imagen colimada al piloto. Un cable de desconexión rápida alimenta la pantalla y transmite señales de control de video al tubo de rayos catódicos (CRT) del casco. El DASH está estrechamente integrado con el sistema de armas de la aeronave, a través de un bus MIL-STD-1553 B. El último modelo del DASH IV está actualmente integrado en el HAL Tejas de la India . [30]

Sistema de señalización conjunta montado en el casco (JHMCS)

Centro de Servicios Médicos Juveniles (JHMCS)

Después de la retirada estadounidense del ASRAAM , Estados Unidos persiguió y desplegó el JHMCS junto con el Raytheon AIM-9X , en noviembre de 2003 con los escuadrones de caza 12º y 19º en la base de la Fuerza Aérea Elmendorf , Alaska. La Armada realizó RDT&E en el F/A-18 C como plataforma principal para el JHMCS, pero lo desplegó primero en los aviones F/A-18 Super Hornet E y F en 2003. La USAF también está integrando el JHMCS en sus aviones F-15E , F-15C y F-16C .

El JHMCS es un derivado del DASH III y de los HMD Kaiser Agile Eye, y fue desarrollado por Vision Systems International (VSI), una empresa conjunta formada por Rockwell Collins y Elbit (Kaiser Electronics ahora es propiedad de Rockwell Collins). Boeing integró el sistema en el F/A-18 y comenzó la producción inicial a bajo ritmo en el año fiscal 2002. El JHMCS se emplea en el F/A-18 A++/C/D/E/F, el F-15C/D/E/S/K/SG/SA/QA/EX y el F-16 Block 40/50/50+/60/70 con un diseño que es 95% común a todas las plataformas. [31]

A diferencia del DASH, que está integrado en el propio casco, los conjuntos JHMCS se acoplan a los cascos HGU-55/P, HGU-56/P o HGU-68/P modificados. El JHMCS emplea un paquete de procesamiento digital más nuevo y más rápido, pero conserva el mismo tipo de detección de posición electromagnética que el DASH. El paquete CRT es más capaz, pero sigue limitado a la presentación monocromática de simbología cursiva. El JHMCS proporciona soporte para imágenes escaneadas rasterizadas para mostrar imágenes FLIR/ IRST para operaciones nocturnas y proporciona simbología e imágenes colimadas al piloto. La integración de las gafas de visión nocturna con el JHMCS fue un requisito clave del programa.

Cuando se combina con el AIM-9X, un arma avanzada de combate aéreo de corto alcance que emplea un buscador de matriz de plano focal y un paquete de control de cola con vectorización de empuje, el JHMCS permite la designación efectiva de objetivos hasta 80 grados a cada lado del morro del avión. En marzo de 2009, un F/A-18 de la Real Fuerza Aérea Australiana (RAAF) demostró con éxito un disparo de "bloqueo después del lanzamiento" de un ASRAAM contra un objetivo ubicado detrás de la línea del ala del avión "tirador". [32]

Targo II

El sistema diseñado por Elbit es utilizado por Qatar y la India en el Rafale F3R [33] [34]

Objetivo integrado montado en el casco (HMIT)/Scorpion

Expositor montado en casco de escorpión

Gentex / Raytheon introdujo el sistema de visualización montado en la cabeza/casco Scorpion® en el mercado de la aviación militar en 2008. En 2010, Scorpion fue el ganador del programa de orientación integrada montada en el casco (HMIT) de la USAF/ANG/AFRes. [35] La división de visualización montada en el casco y seguimiento de movimiento de Gentex fue adquirida posteriormente por Thales en 2012. El sistema HMIT fue calificado y desplegado en las plataformas A-10 [36] y F-16 en 2012. [37] A partir de 2018, la base instalada de sistemas HMIT pasó por una actualización del rastreador de casco. El sensor de seguimiento magnético de CA original fue reemplazado por un rastreador híbrido inercial-óptico llamado Rastreador inercial basado en óptica híbrida (HObIT). [38] [39] El HObIT fue desarrollado por InterSense [40] y probado por Thales en 2014. [41]

Scorpion tiene la distinción de ser el primer HMD introducido y desplegado que puede mostrar simbología conformal a todo color. [42] Se utiliza junto con el sistema de misión de la aeronave para indicar a la aeronave los pods de orientación, sensores con cardán y misiles de alta distancia de visión. Scorpion proporciona una capacidad de "ojos abiertos": incluso cuando los objetos pueden estar ocultos a la vista, Scorpion puede proporcionar señales gráficas visuales a la pantalla de campo cercano. [43] A diferencia de la mayoría de los HMD que requieren cascos personalizados, Scorpion fue diseñado para ser instalado en un casco estándar HGU-55/P y HGU-68/P y es totalmente compatible con el equipo de vuelo estándar de los pilotos estadounidenses sin un ajuste especial. También es totalmente compatible con las gafas de visión nocturna (NVG) AN/AVS-9 estándar sin modificar y las gafas de visión nocturna panorámica (PNVG). Los pilotos, utilizando Scorpion, pueden ver tanto la imagen de visión nocturna como los símbolos en la pantalla. [44] [45]

Scorpion utiliza un novedoso sistema óptico que incluye un elemento óptico de guía de luz (LOE) que proporciona una imagen compacta y colimada en color al piloto. Cada piloto puede colocar la pantalla, eliminando así la necesidad de una posición precisa del casco en la cabeza del usuario o de un ajuste especial del casco. La corrección del software adapta la posición de la pantalla, proporcionando una imagen precisa al piloto y permitiendo que el Scorpion HMCS se instale en el casco existente de un piloto. Se puede desplegar una visera delante de la pantalla para proporcionar protección durante la expulsión. La visera puede ser transparente, antideslumbrante, de alto contraste, con gradiente o con protección láser. Para operaciones nocturnas, se puede instalar un soporte para NVG en lugar de la visera durante el vuelo. Una vez instalados, los NVG se pueden colocar delante de la pantalla, lo que permite al piloto ver tanto los símbolos de la pantalla como la imagen de NVG simultáneamente.

Scorpion también es utilizado por Tactical Air Support Inc. en el F-5AT, [46] por la Fuerza Aérea Francesa en el Rafale F4, [47] por la Fuerza Aérea Española en los EF-18, [48] el AC-130W Stinger II Gunship, [49] el F-22 Raptor , [50] y el F-16AM/BM de la Fuerza Aérea Belga y el F-16C de la Guardia Nacional Aérea de EE. UU. [51] [52]

AVCI de Aselsan

La empresa turca Aselsan está trabajando en el desarrollo de un sistema similar al casco francés TopOwl, denominado AVCI Helmet Integrated Cueing System. El sistema también se utilizará en el helicóptero de ataque turco T-129 . [53]

TopOwl-F (vista superior/noche superior)

El misil Matra MICA ( vector de empuje ) francés para sus cazas Dassault Rafale y el último modelo Mirage 2000 estaba acompañado por el HMD Topsight de Sextant Avionique. TopSight proporciona un campo de visión de 20 grados para el ojo derecho del piloto y una simbología cursiva generada a partir de los parámetros del objetivo y de la aeronave. Se emplea detección de posición electromagnética. El casco Topsight utiliza un diseño integrado y su forma contorneada está diseñada para proporcionar al piloto un campo de visión totalmente libre de obstáculos.

TopNight, un derivado de Topsight, está diseñado específicamente para condiciones meteorológicas adversas y operaciones aire-tierra nocturnas, empleando una óptica más compleja para proyectar imágenes infrarrojas superpuestas con simbología. La versión más reciente de Topsight ha sido designada TopOwl-F y está homologada para el Mirage-2000-5 Mk2 y el MiG-29K.

Sistema de simbología montado en el casco del Eurofighter

buque de guerra de alta velocidad

El Eurofighter Typhoon utiliza el sistema de simbología montado en el casco (HMSS) desarrollado por BAE Systems y Pilkington Optronics . Conocido como Striker y la versión posterior Striker II, es capaz de mostrar imágenes rasterizadas y simbología cursiva, con capacidad para gafas de visión nocturna integradas . Al igual que con el casco DASH, el sistema emplea detección de posición integrada para garantizar que los símbolos que representan entidades del mundo exterior se muevan en línea con los movimientos de la cabeza del piloto.

Sistema de visualización montado en el casco

Sistema de visualización montado en el casco para el F-35 Lightning II
Sistema de montaje en casco Striker II de BAE System en DSEI-2019

Vision Systems International (VSI; la empresa conjunta Elbit Systems / Rockwell Collins ) junto con Helmet Integrated Systems, Ltd. desarrollaron el sistema de visualización montado en el casco (HMDS) para el avión de combate F-35 Joint Strike Fighter. Además de las capacidades estándar de HMD ofrecidas por otros sistemas, HMDS utiliza completamente la arquitectura aviónica avanzada del F-35 y proporciona al piloto un video con imágenes en condiciones diurnas o nocturnas. En consecuencia, el F-35 es el primer avión de combate táctico en 50 años que vuela sin un HUD. [54] [55] Se consideró un casco de BAE Systems cuando el desarrollo de HMDS estaba experimentando problemas significativos, pero estos problemas finalmente se resolvieron. [56] [57] El sistema de visualización montado en el casco estaba completamente operativo y listo para su entrega en julio de 2014. [58]

ojo de jed

Jedeye es un nuevo sistema presentado recientemente por Elbit Systems especialmente para cumplir con los requisitos de Apache y otras plataformas de ala rotatoria. El sistema está diseñado para entornos de vuelo diurnos, nocturnos y en condiciones de baja tensión . Jedeye tiene un campo de visión de 70 x 40 grados y una resolución de 2250 x 1200 píxeles.

Cobra

El caza sueco JAS 39C/D Gripen utiliza el casco Cobra HMD. El casco es un desarrollo y perfeccionamiento del casco Striker desarrollado para el Eurofighter por BAE Systems. El perfeccionamiento lo lleva a cabo BAE en colaboración con Denel Cumulus. [59] [60]

Tecnología del futuro

  • RCEVS está desarrollando un sistema de visualización y señalización de visión nocturna (NVCD) estándar para la Marina de los EE. UU.
  • Seguimiento ocular : los rastreadores oculares miden el punto de la mirada en relación con la dirección de la cabeza, lo que permite al sistema calcular hacia dónde mira el usuario. Estos sistemas no se utilizan actualmente en aeronaves.
  • Proyección retiniana directa : también se están experimentando sistemas que proyectan información directamente sobre la retina del usuario con un láser de baja potencia ( pantalla retiniana virtual ). [61] [62]

Véase también

Referencias

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Bibliografía

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Wikimedia Commons alberga una categoría multimedia sobre Pantallas montadas en cascos .
  • Pantallas montadas en cascos de la USAARL: sensibilidad, percepción y problemas cognitivos
  • Thales Visionix
  • Sistemas de visión internacional
  • Encuesta de usuarios sobre los requisitos de HMD
  • Análisis de resolución para cascos HMD / Cuadro comparativo
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