校场:我国战斗机多功能显示器何以成世界最强?

在军迷群体中，评价一款战斗机“航电性能”的好坏，有一条重要的“指标”就是战斗机的座舱显示器。一般来说，单块显示器的尺寸越大、替代的机械仪表越多，我们就觉得这款战斗机的航电性能越强；在显示器大部分替代了机械仪表之后，显示器的数量越少我们就觉得它越先进。

像苏-27这种只有一块很小的显示器、其余主要靠机械仪表的，就处在鄙视链的最底端。像F-16这种有两块大屏多功能显示器（MFD），机械仪表已经很少的，我们就认为其“勉强能用”了。像JF-17/FC-1枭龙这样机械仪表已经几乎没有，还有三块大型MFD的；或者苏-57这种两块超大型MFD的，就已经是相当牛的“航电配置”了。至于像F-35、和某两型国产战机这种，一块巨型MFD几乎承担了座舱所有交互功能的战斗机，那“航电配置”就已经是“末日神兵”的级别了。当然，整个航空电子设备的先进程度不能仅仅从座舱显示器的配置来衡量，但显示器的配置却能够在一定程度上反应一个国家航空电子设备的设计制造能力及其战斗机设计（尤其是人机交互设计）的基本思路。

仅从设计和制造难度来说，F-35、歼-20这种单块巨屏其实并不难制造。以F-35的全景座舱显示器为例，其尺寸大小为8英寸x20英寸，换算为一般显示器的大小，大约为21.5英寸，如今这个尺寸的显示器早就已经“烂大街”了。唯一的区别是，军用显示器对鲁棒性的要求更高一些。但即使考虑到这一点，军用显示器和民用显示器本身的制造工艺差别并不大，甚至英国的伊丽莎白女王级航母的CIC里，就大量使用了民用显示器。

真正能决定一款战斗机能否用上单块超大屏的因素，其实是飞行员与屏幕的交互方式。在使用传统机械仪表时，飞行员与飞机的交互操作主要是通过物理按键、滚轮和旋钮进行的。而MFD的出现给了飞行员一种新的选择——屏框按键。MFD的最大优势除了数据显示比机械仪表更加直观以外，还可以隐藏暂时不必要的数据。因此MFD会有很多个显示界面。如果能让同一个按键在不同的显示界面承担不同的功能，就可以减少座舱内按键的数量，提升飞行员的使用观感。

传统MFD的按键一般会布置在MFD的边框上，这主要是因为可以利用屏幕边条显示当前显示模式下按键对应的功能。因此，按键的数量与显示器的边长是正相关的。再加上屏框上的按键大小不能太小（否则容易误触），所以在设计战斗机座舱时，就不能一味地增加MFD的大小，减少其数量。这虽然能提升飞行员的观感，但会显著减少按键的数量。因此通常来讲，在三代半和比较简陋的四代机上，设计者通常会考虑战斗机的每种作战模式到底需要显示几类不同的内容（显示界面），并根据需要同时显示的显示界面的数量来决定这架飞机一共要安装多少个显示屏。

比如F-22A战斗机设计的比较早，当时的设计师们对于人机交互的探索还比较初级。所以F-22A一共用了4块MFD（另外还有两块比较简单的用来替代机械仪表的彩色显示器）。4块MFD一共有80个按键。枭龙这种设计比较晚的三代半战机，认为在每种战斗模式中，最多需要3个显示页面，因此就安装了3块MFD。不过这3块MFD都比较长，因此总共拥有78个按键，与F-22A相差不大。而到了苏-57时代，人机交互界面的设计水平再次提升，俄罗斯人觉得2块屏幕就已经足够显示所有飞行员所需的内容了，而苏-57的这两块MFD又比枭龙的更加巨大，因此也能放下总计80个按键。

纵观这三种设计时间横跨近30年的战斗机，我们不难发现，不管是4块、3块还是2块MFD，其对应的按键数量都需要保持在80个左右。而一块巨型屏幕想要塞进80个按键，大约需要宽30个，高10个。而哪怕是苏-57那种显示器下缘已经顶到膝盖骨的设计，也不过只能在宽向摆下24个按键，高向摆下8个。如果不进一步提升座舱尺寸，单单想要靠增加屏幕尺寸来增加按键数量恐怕反而会让飞行员的人机交互效率下降。因此，理论上能容纳数百个按键的触摸屏就成了“单块巨屏”的唯一可行技术路径（触摸屏还有一个优势是可以使用手势操作）。

这时候想必有朋友要问了：触摸屏不也已经是烂大街的技术了吗？为啥直到F-35才有人把这东西搬上战斗机呢？确实，触摸屏最早出现在上世纪70年代，可谓非常古老。且美国人早在设计F-22时就曾经想过在战斗机上引入触摸屏这种“先进技术”。但当时的触摸屏主要是电阻式触摸屏。这种屏幕的工作原理是通过按压时产生的电阻变化探知按压点的坐标的。但战斗机经常要工作在高过载之下，此时屏幕如果发生形变，很容易发生误触，从而导致不必要的事故，因此F-22最终放弃了触屏方案。

比电阻屏更晚出现的电容屏，在手机、平板电脑等日常电子设备中有极广泛的应用，其基本工作原理是感应生物电信号来确定触摸点的坐标。其在原理上不太容易出现高G误触的问题，但问题在于战斗机飞行员平时都需要戴手套进行操作，而手套会阻断手指上的生物电信号，所以也无法在飞机上使用。鉴于大部分客机飞行员都不喜欢戴手套飞行，所以原则上客机是可以用电容屏的。但毕竟还是有一部分飞行员喜欢戴着手套开飞机，所以即便是如波音777X、波音787这种民航客机，也基本都采用了电阻式触摸屏的设计（一来是工艺的进步，二来是客机工况没有战斗机那么恶劣）。

另外有两种工作原理比较类似的触摸屏，即声波触屏和红外触屏。这两种触摸屏的工作原理都是沿着屏幕表面发射信号，如果信号被阻断说明此处有触点。两者的区别只在于前者的信号是超声波信号，后者的信号是红外光信号。由于声波传递速度较慢，在高速行驶高G机动的飞机上很难正常使用，因此红外屏成为了战斗机触摸屏唯一可行的选择。这种触屏最早出现于1992年，可以说是刚刚好赶上了1993年立项研发的F-35（当时叫JSF）战斗机。

2005年，美国L-3通信公司官方宣布F-35战斗机将使用该公司生产的全景座舱显示器(PCD)。虽然出于保密原因，L-3通信公司并没有向公众透露过这款显示器除了尺寸大小以外的性能参数，但其他军工公司却根据L-3这款PCD的性能参数仿制了不少用于F-35模拟机的“山寨版”PCD（神奇的美式保密）。从这些产品，我们可以逆推出L-3这款PCD的性能参数大致为：分辨率2560x1024、触屏类型为红外触屏、最大亮度≥200fL等。

比较有趣的一点是，F-35的这款显示器并没有采用现在民用电脑最常用的HDMI、DP等信号传输方式，而是使用更加古老的VGA传输方式（老电脑上常见的头不是特别大的蓝线）。在电脑上，我们之所以用HDMI主要是因为目前家用电脑的显卡多直接输出数字信号，显示器也多直接接受数字信号。因此，使用HDMI或DP可以直接传输数字信号，而不用经过数模转换导致画质降低。但鉴于战斗机不需要多强的图像渲染能力（显示器里的图像都是传感器拍到什么就显示什么），其显卡水平也都比较Low，所以压根没有输出数字信号的能力。既然如此，如果想要采用HDMI或DP等传输格式，则要经过数模转换。虽然画质不会因此降低，但数模转换的过程可能会影响整个系统的鲁棒性。

另外更有趣的是，F-35战斗机的PCD并不是我们一般所认为的“单巨屏”，而是由左右两块大屏拼合而成的。这两块大屏，每一块的尺寸为10x8英寸，分辨率为1280*1024。L-3通信和美国军方都没有表示过故意这样设计的原因——毕竟一整块屏幕可以用软件随意切成几块使用，而两块屏幕肯定没有办法真正拼成一整块。我们只能推测美国人可能是怕显示屏坏掉后飞机直接丧失了大部分人机交互能力，因而使用两块屏幕互做备份（或者也可能仅仅是因为两块屏比一块便宜）。但这也导致F-35的显示器在使用软件分屏时无法将屏幕拼接处附近的区域作为一个整体来使用（两块屏幕中间大约有4毫米的边框），灵活性较差，让人机交互软件的设计变得更加复杂。

我国战斗机的触摸屏设计也与F-35的PCD有相似之处。两者包括屏幕尺寸（24x9比20x8）、分辨率等关键参数都很接近，也都采用了红外触摸式设计。不同的是，从之前官方媒体曝光的视频来看，我国并没有采用拼接屏的设计，而是直接上了一块巨型屏幕。之所以有这一差别，可能有两点原因：一是我国对显示器的可靠性有充足信心，不需要分屏备份；二是我国战斗机的人机交互界面设计更加倾向于3分屏设计，如枭龙和某中型三代半战机都是这样设计的。而将这三块屏幕集成为一块大屏，物理分屏显然不是最好的设计，因为边框太浪费空间，屏幕太多也会变得比较脆弱。

除了目前世界上绝无仅有的真·单巨屏设计以外，这两款新型战机的人机交互方式也不仅仅只有触屏这么简单。而是像智能手机一样可以通过语音方式，与任务计算机进行交互，通过语音指令完成目标选择、锁定甚至导弹发射等工序，彻底解放了飞行员的双手。在此之前，美国人也曾探索过类似的设计方案，但发现飞机过载达到5G时，飞行员压根说不出话来。很多军迷据此也觉得我国的“声控飞机”功能华而不实。但实际上，战斗机通常只有在进行格斗时才会拉出如此高的过载，在执行超视距、对面攻击等任务时，长僚机之间、前后座之间大量信息都是通过语言来传递的，因此语音式的人机交互系统在大部分时候仍然有其使用价值。

根据官方媒体的报道，仅这一块看似并不起眼的大屏幕综合显示系统的研发，就新申请专利116项、制定国标和航标200余项，这凸显了我国对于战斗机人机交互系统的重视。此外，在官方的描述中，我国的这款触屏显示器是世界上尺寸最大、分辨率最大、重量最轻、集成化程度最高的（根据上文的分析也确实如此）。或许也正是因此，美军才要为F-35 Block
4战斗机更换埃尔比特公司新设计的全景显示器。之前我们常说“摸着美军过河”，但相信美军今后 “摸着解放军过河”的事情也只会更多不会更少。