Osvity pilotních a vojenských hodinek - část šestá

7 Osvity pilotních prostorů a kompatibilita s brýlemi nočního vidění (NVG)

Předposlední kapitola tohoto článku se pokusí trochu poodhalit roušku vojenských tajemství a podívat se, jak se moderní osvitové technologie na pilotních hodinkách snášejí s pilotními brýlemi pro noční vidění. Vše za předpokladu, že je pilot vojenského bojového letadla má současně na sobě.

7.1 Osvity pilotních prostoru ? historický přehled

Než byly vyvinuty prakticky použitelné systémy pro noční vidění, které může mít každý člen posádky u sebe, posádky vojenských letadel operující v noci se museli při osvícení vnější scény spoléhat především na měsíc a jeho měsíční fáze. Posádky museli před letem svůj zrak adaptovat na noční podmínky a pro zachování adaptace se museli vyhnout jasným světelným zdrojům. Protože rozlišovací schopnost lidského zraku je v noci ve srovnání se dnem významně omezena, hlavním požadavkem pro osvětlení se stalo zachování dostatečného kontrastu a to na úkor zachování barevného vnímání. Pilot či jiný člen posádky musí vidět nejen přírodně osvícenou scenerií mimo letadlo, ale musí být také schopen přečíst informace uvnitř kokpitu z různých přístrojů, ukazatelů, ovládacích panelů a také tištěných podkladů jako jsou mapy nebo letové plány. V praxi tedy vnitřní osvětlení musí být kompromisem mezi potřebou vidět vnější scénu, potřebou vidět na informace uvnitř kokpitu a potřebou rychle přecházet a přizpůsobit se oběma podmínkám.

Vojenská letectva se začala připravovat na operace v noci ve velkém měřítku poměrně pozdě, až ve druhé polovině 30. let s tím jak se začala výrazně zhoršovat mezinárodní situace v předvečer druhé světové války. Rozšířily se dva rozdílné přístupy k osvitům, červené osvětlení a ultrafialové osvětlení (to ale nevylučovalo použití pigmentů na bázi radia na různých přístrojích, indikátorech nebo přepínačích). Britské letectvo RAF a americké námořnictvo US NAVY přijaly potemnělé červené osvětlení s vlnovými délkami světla nad 600 nm, které mělo minimální dopad na noční adaptaci oka. Německá Luftwaffe a americké letectvo (které se od roku 1947 značí USAF) používaly ultrafialové osvětlení. Protože kromě slabého namodralého záření zdroje bylo toto světlo neviditelné, musel být na přístroje aplikován fluorescenční nátěr a na mapy pak speciální fluorescenční inkoust. USAF (a všechny spojenecká letectva používající stejnou techniku) pak v 50. letech přešlo na červené osvětlení. Nejpozději od 60. let červené osvětlení používaly také sovětské letouny a všechny jimi vyzbrojená letectva východního bloku.

V případě obou typů osvětlení, se ale ukázaly tehdejší denní mapy nekompatibilní s osvity. Proto se zavedly nové speciální letecké mapy, kde důležité navigační údaje jako jezera, řeky, lesy, letiště, překážky, bezpečné výšky a souřadnicové údaje, jsou vytištěné v odstínech modré a zelené. Ostatní méně důležité údaje pro noční navigaci jako cesty jsou pak v odstínech červené nebo hnědé. V případě osvitu červeným světlem, jsou červené údaje potlačeny a modré nebo zelené ztmavnou a doslova z mapy vystoupí. Ačkoliv dnes se na letadlech už používá jiné noční osvětlení, tato konvence zůstala na mapách zachována.

Další změna v osvitech nastala od poloviny 80. let 20. století s nástupem brýlí pro noční vidění (NVG) pro letecké posádky (myšleno u letadel vyráběných v USA a Velké Británii nebo jejich spojenců). Osvit kokpitů se postupně přebarvil do nazelenalé barvy. Tím se barva osvitů vizuálně sladila se zelenou barvou emitovanou fosforem P-43, který je součástí okulárů brýlí NVG, průhledových displejů HUD, monochromatických obrazovek radarů nebo multifunkční displejů MFD (používající tehdy vakuové obrazovky CRT).

Zelená barva mnohem lépe vyhovuje rozlišovací schopnosti našich očí, které jsou za miliony let evoluce uprostřed vegetace naladěny na zelené odstíny (ve dne trochu jiný odstín/vlnová délka než v noci). Lidské oko je schopno registrovat zelené světlo při nižším jasu než červené a také je schopné mnohem lépe rozlišovat jemné změny jasu nebo odstínu zelené barvy.

7.2 Současné osvity kokpitů a jejich zvláštnosti

Nástup osvitů kompatibilních s brýlemi nočního vidění neznamenal jenom změnu barvy. Muselo se upravovat také množství energie, které jednotlivá světla vyzáří a to jak ve viditelné části spektra tak i v infračervené. Musely se také upravit takové zdroje světla, které nesvítí jenom v zelené barvě ? barevné multi-funkční displeje (MFD) nebo výstražné signálky červené a žluté barvy.

Všechny světla se musela vyměnit nebo osadit filtry, aby svítila na správných vlnových délkách. Složité displeje jsou pak schopny pracovat ve speciálních NVG režimech, kdy vyzařují minimum elektromagnetického záření ve viditelné i infračervené oblasti. Další velkou předělávku podstoupil systém ovládání jasu, který musí umožňovat pracovat ve velmi jemných krocích, které jsou normálním lidským zrakem nerozeznatelné, ale s pomocí přístrojů NVG už ano.

Jako zdroje osvitů se dnes v kokpitech stíhaček používají pouze elektricky napájená a regulovaná světla - speciální filtrované žárovky, LED diody nebo elektroluminiscenční panely. Drtivá většina přístrojů a indikátorů má vlastní interní osvit. Různé ovládací panely a tlačítka jsou pak také interně podsvíceny. Boční stolky (to je to co je napravo a nalevo od rukou a nohou pilota) jsou také nasvíceny seshora nepřímými prostorovými světly, které zajišťují plošný osvit kokpitu. Tedy pokud je to potřeba, protže k vlastnímu osvitu přístrojů potřeba nejsou.

První obrázek ukazuje současnou noční podobu kokpitu letounů F-16. Jas je nastaven na nízké jasy, které jsou hodně blízko hodnotám skutečně používaným za letu. Proto toho na fotografii není mnoho vidět.

Druhý obrázek ukazuje český letoun L-159. Jas je nastaven hodně vysoko, za účelem pořízení marketingových fotografií. Na druhou stranu to dává trochu představu o odstínech zelené barvy osvitů.

Pro čtenáře, který to neměl možnost vidět na vlastní oči, se to dá nejvíce přirovnat k tomu, jak dnes vypadají osvity palubních desek automobilů. Zejména těch, co mají také zelené podsvícení.

Ale je tu jedna velmi důležitá odlišnost. Veškeré světelní v letounu je regulovatelné v širokém rozsahu jasů - od hodnot téměř běžným okem neviditelným (ale bystrozrakem stíhacích pilotů po příslušné noční adaptaci ano) pro velmi temné noci bez svitu měsíce, až po velmi jasné denní režimy, kdy je celý kokpit osvícen silným přímým slunečním svitem. Řada ukazatelů a signálek (zejména ty výstražné červené a žluté) totiž nepracuje pouze v noci, ale také během dne. A pro pilota musejí zůstat čitelné za VŠECH světelných podmínek. Stíhačka na rozdíl od většiny vrtulníků nebo dopravného letounu má kapkovitý průhledná překryt, který neposkytuje ani trochu stínu.

Jako malý příklad problémů s osvity ve stíhačce uvádím LCD obrazovky/panely. Ty můžete znát z běžných notebooků nebo digitálního fotoaparátů. Jejich čitelnost, pokud na ně dopadá přímé sluneční světlo, je velmi špatná. Ve stíhacích letounech se dnes také používají LCD displeje (čím dál více a čím dál větší), ale čitelnost musí být zaručena za všech možných světelných podmínek, včetně přímého osvitu sluncem. Řešením jsou pak LCD panely, skla a optické filtry, které jsou v ?letecké kvalitě" s cenou zhruba 10krát vyšší (bez řídící elektroniky), než to, co se běžně používá ve spotřebitelském segmentu trhu.

Ale zpátky do noci. Druhým velkým trápením v kokpitech stíhaček s velkým bublinovým překrytem je, že sklo překrytu působí jako jedno velké zakulacené zrcadlo. To má snahu odrážet (někdy i formou mnohočetných odrazů) každý noční osvit, který není správně navržen nebo umístěn. Tento jev pak nepříjemně narušuje pilotův výhled směrem ven. Proto se na stíhačkách maximálně využívá nepřímých osvitů (jak z pohledu pilota, tak z pohledu překrytu) a kde to nejde jinak (jako je celá přístrojová deska), tak se používají velmi velká a hluboká stínítka, která za dne plní také roli protisluneční clony. Na výše uvedených případech je vidět, že dosažení výsledného stavu, kdy v noci nic neruší výhled pilota, není úplně jednoduchá záležitost.

7.3 Brýle nočního vidění NVG

V elektromagnetickém spektru naše oči reagují pouze na viditelné záření mezi vlnovými délkami 400 až 700 nm, které normálně vnímáme jako barvy. Čím méně světla, tím jsem schopni rozeznat méně detailů a barev. Za temné noci, ztrácíme úplně barevné vnímání, objekty se stávají šedivými a mají poněkud rozostřené obrysy.

Jsou zde dva způsoby jak zlepšit naše noční vidění. První je zvýšit množství dopadajícího světla na sítnici pomocí dalekohledu nebo pomocí svítilny. Druhá metoda spočívá v zesilovačích jasů (hlavní součást NVG), které vytvářejí na fosforové obrazovce viditelné zobrazení.

Obrázek: Typická konfigurace současného stíhacího pilota pro operace v noci - brýle nočního vidění AN/AVS-9 jsou uchyceny na pilotní přilbě HGU-55/P. Sestavu doplňuje kyslíková maska MBU-12/P.

7.3.1 Brýle nočního vidění NVG ? historický přehled

Brýle nočního vidění (z anglického Night Vision Gogles - NVG) jsou takzvaný noktovizní prostředek nočního vidění pracující na principu zesilování jasu světla. V angličtině se pro toto zařízení také často používá obecnějšího termínu Night Vision Imaging System (NVIS).

Počátky těchto zařízení spadají už do doby druhé světové války, kdy na Německo na svých tancích a obrněných vozidlech poprvé operačně nasadilo tyto přístroje (dnes se klasifikují jako tzv. 0. generace).

Pochopitelně po celou studenou válku probíhalo další zdokonalování této technologie na obou stranách tohoto konfliktu. Dnes, z časového odstupu se už dá říci, že od konce šedesátých let získaly navrch USA a svůj náskok zvětšily do té míry, že dnes jednoznačně dominují v této oblasti. Koncem 60. let se totiž podařilo vyvinout zcela novou generaci zesilovačů jasů na bázi vláknové optiky a mikroelektroniky ? tzv. mikrokanálkové zesilovače jasu obrazu (MKZJO). Dnes se tato generace označuje jako 2. generace a v USA byla zavedena do výzbroje v roce 1975. Pro letecké aplikace (pouze vrtulníky) byly nejdříve přejaty modely určené pro pozemní síly (AN/PVS-5A), které se později trochu upravily pro piloty na verzi AN/PVS-5A MFP. Významný mezník v dalším pak představoval rok 1982, kdy byl do amerických ozbrojených sil zaveden první typ NVG speciálně navržený pro piloty (vrtulníků). Brýle AN/AVS-6 (V), zachycené v akci na následujícím obrázku, definovaly podobu pilotních NVG tak úspěšně, že i po 30 letech jsou tyto brýle na první pohled neodlišitelné od svého nástupce, modelu AN/AVS-9(V).

Dalším velevýznamným milníkem v historii NVG a zejména pro letecké aplikace bylo zavedení tzv. 3. generace zesilovačů jasu koncem 80. let.

3. generace, díky zcela novým materiálům katody na bázi Galium Arsenu (GaAS) v MKZJO, dále zvýšila citlivost a posunula svůj operační rozsah do infračervené oblasti elektromagnetického spektra. To mělo velký dopad na osvity kokpitů vojenských letadel, jak už bylo naznačeno v předchozí kapitole. Americké ozbrojené síly postupně zavedly vylepšené modely řady AN/AVS-6 a v roce 1992 také nový model AN/AVS-9(V). Tento model byl původně navržen pro piloty vrtulníků US NAVY. Pro bojové letouny s vystřelovacími sedadly se tehdy počítalo s mnohem komplikovanějšími modely. Nicméně k tomu nikdy nedošlo v masovém měřítku, a tak se dnes AN/AVS-6 a zejména AN/AVS-9 pro svoji jednoduchost a nízkou hmotnost staly standardními NVG (samozřejmě v různých konfiguracích) pro vrtulníky, stíhací, bombardovací a transportní letouny.

Modely AN/AVS-6(V)3 AN/AVS-9(V) osazené dále zdokonalenými mikrokanálkovými zesilovači jasu 3. generace jsou dnes stále ve výrobě. Mimochodem brýle AN/AVS-9 byly v roce 2009 zavedeny také do Armády České republiky jako součást výbavy modernizovaných vrtulníků Mi-17 pro nasazení v Afghánistánu.

Na následujícím obrázku jsou zachyceny americké brýle nočního vidění řady AN/AVS-9 v konfiguraci pro stíhací letouny s vystřelovacími sedadly. Brýle jsou uchyceny k přilbě pomocí speciálního úchytu, který obsahuje baterie (žádné kabely spojující hlavu s letounem nejsou!), umožňuje odklopení brýlí nahoru (pokud nejsou používány) a také zajišťuje automatické odpadnutí brýlí v počáteční fázi katapultáže. Zhruba 0,8 kg zátěže trčící vepředu na přilbě, by totiž mohlo pilotovi snadno zlomit vaz při zrychlení během katapultáže.

Převaha USA na poli NVG je taková, že i 30 let po zavedení 3. generace zesilovačů jasu zůstávají jediným výrobcem a uvedená technologie je stále pod přísnou vývozní kontrolou. Mimo USA existuje pouze jeden západoevropský výrobce (francouzsko-holandský), jenž se technicky americkým produktům přibližuje.

Budoucnost? Jedním z možných směrů dalšího vývoje jsou brýle NVG s větším zorným polem. Zobrazený panoramatický systém nové generace AN/AVS-10(V) je vybaven čtyřmi MKJZO a už prošel operačním nasazením v bojové oblasti.

7.3.2 Pilotní brýle nočního vidění NVG ? jak to funguje?

Pilotní brýle nočního vidění NVG vypadají jako obyčejný binokulární dalekohled nebo divadelní kukátko, připevněné k pilotní přilbě.

Ale zdání klame. Ve skutečnosti to není žádný dalekohled, přímo skrz totiž není nic vidět. Nejbližší přirovnání je, že NVG jsou dvě miniaturní videokamery vedle sebe. Mají objektiv, mají okulár, ale mezi těmito optickými prvky jsou různé opto-elekronické součástky. NVG také na rozdíl od dalekohledů, nic nepřibližují a obraz nijak nezvětšují.

Obrázek. Zjednodušené schéma brýlí nočního vidění NVG

Nejdůležitější součástí brýlí nočního vidění je tzv. mikrokanálkový zesilovač jasu obrazu (MKZJO, anglicky Micro Channel Plate (MCP) Image Intensifier Tube (IIT)). Zesilovač jasu je tedy opto-elektronické zařízení zesilující světelné záření. Světlo je zesíleno více než 10 000krát! Světlo vstupující do přístroje nočního vidění je objektivem soustředěno na fotokatodu, která je citlivá na viditelné světlo a zejména na blízké infračervené záření. Fotony světla narážejícího na fotokatodu, zde způsobují uvolnění elektronů v poměru k jejich množství. Mezi fotokatodou a stínítkem je počet elektronů narážejících na stínítko násoben pomocí svazku optických vláken opatřených kovovým povlakem. Nárazem elektronu na kovový povlak dochází k uvolnění dalších elektronů ? tedy k jejich násobení. Takto uvolněné elektrony jsou urychlovány směrem na stínítko, které obsahuje fosforeskující vrstvu (fosfor P-20 nebo P-43). Tím je uživateli umožněno vidět to, co je pouhým okem neviditelné. Stínítko (malá obrazovka) je ale monochromatické (pouze odstíny zelené barvy) a proto pilot nevidí žádné barvy. Protože před každým okem je jeden nezávislý zesilovač, pilot si tak zachovává alespoň částečné stereoskopické vidění a je schopen odhadovat vzdálenosti (hlavně vzdálených objektů, na blízko to není nic moc).

Obrázek: Zjednodušené schéma mikrokanálkového zesilovače jasu obrazu (MKZJO)

Zatímco zesilovače jasu 2. generace byly citlivé více na viditelnou část elektromagnetického spektra než na infračervenou oblast, tak u 3. generace je tomu naopak. Tyto brýle (3. generace) reagují na viditelné a infračervení záření až do infračervených vlnových délek 930 nm.

Citlivost na infračervené (IČ) záření z nich vytváří mnohem lepší přístroj na noční vidění než zařízení, které zesilují pouze viditelné světlo. V noci je totiž okolo nás mnohem více IČ záření než viditelného! Obloha je plná přirozeného infračerveného záření (anglický termín je natural night-sky radiation). Toto světlo nemá vždy charakter bodových zdrojů, díky částicím v atmosféře je rozptýleno všude okolo. V NVG to pak vypadá, jako by celá obloha svítila. Zdrojem tohoto záření jsou různé. Slunce, které sice zapadlo za obzor, ale díky lomu světla v atmosféře stále ozařuje oblohu. To je ještě pro činnost NVG příliš silné. Jakmile ale slunce zapadne úplně, tak nejsilnějším zdrojem záření je měsíc v závislosti na jeho fázi. Ale měsíc není jediný zdroj záření na noční obloze. Přibližně 30% záření bezměsíčné noci tvoří světlo dopadající z hvězd ve vesmíru. Poněkud překvapivě pro ty co nikdy nepoužili brýle NVG může být, že 40% záření při bezměsíčné noci pochází ze svitu vrchních vrstev atmosféry, které je způsobené sluneční radiací (uvolňuje světelné emise z částic atmosféry).

Přírodní materiály jako je listoví vegetace, kůra stromů nebo kameny pak odrážejí tuto dopadající IČ energii. Zejména zelené listy rostlin, jsou jedním z nejlepších přírodních ?odražečů" IČ energie noční oblohy. Dokonce ji odráží více než viditelného záření.

Kombinace spektrální citlivosti zesilovačů jasu na IČ záření, záření noční oblohy a reflektivity listoví vegetace je velmi důležitá pro všechna letadla létající v nízkých výškách, zejména vrtulníky, protože tato kombinace poskytuje ostrý obraz nočního terénu.

Následující graf porovnává relativní spektrální citlivost lidského oka (human eye response), záření noční oblohy (sky ambient radiation) a spektrální citlivost brýlí NVG 3. generace (Generation III NVIS response). Tyto brýle mají instalovány speciální filtry (Class B "minus blue filter" 665 nm). Co to je, bude vysvětleno v další kapitole.

- Konec šesté části -