HUD在飞行训练中的应用前景初探

2023-02-14邱飞豪杨家忠

华东科技 2023年1期

文/邱飞豪，杨家忠

中国民航业的蓬勃发展同时带动了通用航空业的进步。相关数据显示，近年来，国内飞行学院的飞行训练量基本呈逐年稳步上升趋势。而根据中国民用航空飞行学院的规划，国内飞行培训的年训练量要达到50 万小时，其中飞行训练40 万小时，模拟机和训练器训练10 万小时。在此期间，HUD（平视显示系统）技术因具备便利性和安全性等优势在各大航空公司得到了广泛应用。为了探究如何进一步提高飞行训练质量，做好飞行学员在飞行训练和航空公司运行间的过渡及衔接工作，本文就HUD 技术在飞行训练中的应用前景展开分析。

近些年，随着科学技术的发展，以及高新技术在民航领域的应用，人机交互产品受到越来越多的关注，智能化和物联网化已是大势所趋。越来越多的新民航科技将持续促进我国民航事业的长远发展。作为高科技的产物，HUD 设备一经面世便吸引了社会各界的广泛关注。科技是生命力也是生产力，HUD技术的运用便很好地突出了这一点，未来，该技术将在民航系统中持续发挥作用。

一、技术介绍

（一）HUD 概述

HUD是Head-Up-Display的缩写，其最具代表性的产品是平视显示器。当飞行器配置该显示器后，飞行员在平视状态下就能掌握所有重要的飞行信息，有效减少分心查看仪表的频率。该显示器由早期的轰炸瞄准器衍生而来，轰炸瞄准器最早作为轰炸机武器投放系统于20世纪40年代投入使用。而HUD 直至1950年和1960之间才大量运用在飞机驾驶舱中。由于其具有显著的便利性和安全性，民航客机也开始逐渐引入HUD 技术。随后，HUD 在帮助新飞行员减轻航班运行时的工作负荷，确保其更好地控制飞行状态等方面发挥出重要作用。

（二）HUD 的组成

HUD 被称作民航四大新技术之一，对于中国民航来说，它是一项航行新技术。HUD 是一种航空光学显示系统，在一般情况下，其基本框架主要由两个部分构成，即主要飞行参数和飞机系统信息。系统在将这两部分信息进行整合处理后，再以图像、字符或者数字形式传输到数据处理单元。随后，飞行员便可以根据实际需求选择不同的模式。部分HUD会将数据处理和影像输出分成两个不同的模块，二者遵循几乎相同的工作原理。其中，具备影像可视化功能的部分通常被安装在驾驶舱前部的视频显示装置内，以便将从数据处理装置接收到的各种飞行参数和飞机系统信息投影到对应位置。此外，显示屏上还设置有控制面板，飞行员可以利用该模块调整或修改输出图像。

二、HUD 的应用优点

（一）提高飞行员的情景意识

情景意识是保证飞行安全的重要环节之一。刚完成整体课程大纲训练的飞行学员在面对从训练飞机到大型运输客机的突然转变时，其情景意识大多还停留在航校训练阶段，一时难以灵活应对当前的转变。此时，在HUD 的支持下，飞行员不仅可以更加直观、便捷地获取所需要的飞行参数，还能有效降低视线在驾驶舱和外界间切换的频率，从而确保自身能够在陌生环境中全身心地投入当前的飞行情景，进一步提高情景意识。

（二）帮助飞行员更快适应新设备

HUD 的应用有利于减少飞行员的技术失误，帮助其更快适应新机型。一方面，国内航校用于授课和飞行训练的飞机体型相对较小，但操作灵敏、动作灵活；另一方面，民航企业的客机在实际运行中并不需要过多的机动动作，这将导致部分新入职的飞行员在刚进入民航企业时对客机的操作量拿捏不准确。为了应对这一问题，HUD 将飞行指引和警告信息直接显示在屏幕上，以提醒飞行员及时调整航空器的操纵参数，保证将飞行技术误差维持在合理范围内，同时帮助飞行员加快适应新设备和飞行训练。

（三）降低飞行员的工作负荷

HUD的应用有利于减少飞行员注意力分散的情况发生，提升进近过程的稳定性。在通常情况下，从飞机开始进近到最后着陆的13 分钟是整个飞行过程中最危险的阶段。在此阶段，飞行员工作负荷高，需要监控的飞行数据较多。飞行员在初始改装时容易在目视上出现误差，或是出现操作量过大、不足等问题。而基于HUD的进近方式不仅可以为整个飞行过程（如进近、着陆、复飞等阶段）提供平视引导，还能帮助飞行员快速准确地判断飞机在整个飞行过程中是否处于平稳的下降状态、是否保持稳定的进近；或者在飞行条件不佳时及时为飞行员做出复飞决定提供科学的参考。

（四）增强飞行安全性

HUD 的应用有利于减少擦机尾、重着陆等危险操作的发生。理论上说，大客机在着陆时的速度远快于学员在航校驾驶的飞机的着陆速度。因此，在改装时，部分学员存在不敢出姿态导致重着陆或操作过猛导致擦机尾等操作风险。通过使用HUD，飞行员得以及时接收系统警告，更直观地建立目视参考，并以此作为参考调整和修正飞机姿态，避免擦机尾等不安全事件的发生。

（五）降低不良天气的影响

HUD 的应用有助于提高飞机的运行性能，保证飞行训练在大部分条件下甚至部分不良天气下都能正常开展。例如，基于HUD的进近可以用于Ⅱ和ⅢA 盲降进近的训练场景，以确保航空器在低云低能见的情况下正常运行。

三、在飞行训练中的应用前景

如今，除民航业外，HUD 系统在汽车行业中也得到了较为广泛的应用，受到越来越多汽车生产厂商的青睐。市面上很多中高端车型都搭载了HUD 系统，以帮助驾驶员在驾驶过程中更科学地分析路况，确保安全驾驶。需要注意的是，车载HUD在提高驾驶安全性的同时，也存在一些新的隐患，其中最突出的便是新设备是否绝对可靠以及HUD的显示问题，例如其亮度、对比度、清晰度是否满足驾驶员的实际要求，是否存在重影等显示问题，仪表参数显示是否正确、精准，等等。

（1）民航业最注重和关心的就是飞行安全。在现实生活中，车载HUD在使用过程中极少发生显示异常的情况。这是因为车载HUD通过OBD（车载自动诊断系统）接口直接读取汽车的运行数据，然后将其直接投影到风挡玻璃上。也就是说，这些数据直接来源于汽车自身装配的ECU（电子控制单元），因而不存在HUD显示数据与实际数据偏差过大的情况。而国内飞行训练使用的DN-42NG飞机同样搭载了先进的FMC 模块和ECU 模块；此外，性能接近航班运行标准的高教机上也搭载有飞行管理计算机，并且支持加装，若在此类飞机上同时加装飞行训练使用的HUD，必然会为飞行安全提供双重保障。另外，整个飞行过程通常由双人控制程序，负责监控的飞行员也可以随时监控传统仪表的飞行数据，飞行安全得到进一步保障。

（2）加装了机载HUD 的民航客机的显示内容有空速、高度、航向、升降速度、迎角、飞行航径或速度矢量、有坡度姿态或起始俯仰姿态、带有偏离指示的航线和下滑道、状态显示（导航传感器、自动驾驶仪、飞行指引仪）以及告警和警告显示（机载防撞系统、风切变、近地警告）。同时，《中国民用航空技术标准规定》（CTSO-C210），申请使用HUD设备时，申请人需提供持续适航文件，且提供的文件必须包含设备周期性维护、校准和修理要求。为了保证设备的持续适航性，该标准适度降低了加装机载HUD的航空器在运行过程中可以降低的最低运行天气标准，从而提高了航班运行效率和正常性。但对于仅用于飞行训练使用的，不应降低标准，以免对学生使用HUD 时的逻辑思维造成不利影响。此外，该标准中的“3.b.失效状态类别”中还提到，“没有标准的最低失效状态类别，设备适用的失效状态类别取决于其在特定飞机的预期用途”；而在“3.e.偏离”中则提到，“若采用替代或等效的符合性方法来满足本 CTSO 规定的最低性能标准要求，则申请人必须表明设备保持了等效的安全水平”。因此，在飞行学院所使用的训练飞机上加装HUD设备并投入使用是合规的。