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玻璃座艙

玻璃座艙是指；現代戰鬥機的標準設備（就像許多其他軍用和商業機型一樣）是所謂的“玻璃座艙”，即一個全部或大部分傳統儀表都被計算機顯示屏所替代的現代化的顯示系統。老式的電子機械儀表設備由多個不同的單獨計量器組成，每一部分負責不同的功能。因為維護工作量大（如羅盤維護），玻璃座艙不再採用這種多設備的形式，只保留了一些後援或冗餘任務。面板的大部分是計算機屏幕，屏幕根據用户需要以圖形顯示同組儀表或同類儀表的多個選項。

中文名: 玻璃座艙
類型: 現代戰鬥機的標準設備

應用: 戰鬥機
領域: 軍事

玻璃座艙座艙介紹

f-16的玻璃座艙

所有的這些功能都集成在系統當中以降低飛行員的工作負荷，包括飛行計劃和武器控制。為此，玻璃座艙完全可以被稱作一場革命性的革新。

玻璃座艙發展歷程

50年代，戰鬥機才裝配了既簡單可靠又相對便宜的電子設備，可是，飛行員即使依靠這些儀器獲得了所有的飛行和導航數據，仍然不能完全滿足低空高速的飛行任務。這些限制在第一代高性能噴氣式戰鬥機身上尤其明顯。機艙內系統複雜性的增加以及相關儀器設備的增加迫使飛行員不得不比以往更多時間地採用一種“低着頭”的工作姿勢，這對飛行員掌控戰術狀況產生了負面影響，也降低了低空飛行的安全程度。

早期的su-27座艙

為解決這些問題，採用了平視顯示器(HUD), 平視顯示器是一種使飛行員不用注視駕駛艙內部就可以掌握傳感器和武器裝備基礎數據和信息的光學電子系統。但是在現代戰鬥機內仰視顯示器不是唯一可用的視覺系統：現代工藝使得在座艙內向飛行員提供夜視系統、高級集成式頭盔系統以及高級的數字儀表成為可能。

七十年代中期，一架標準的戰鬥機有100多個座艙儀表控制裝置，眾多的指示和信號分散了飛行員的注意力。這種情況分明是不適用的，因此，利益關係重大的航天企業和美國國家航空宇航局發起了一項關於顯示器的研究工作，試圖彌補飛機構造中的缺陷，並希望能將飛行和戰鬥數據綜合起來，能更容易地理解飛行位置圖，最後就形成了一個完整的玻璃座艙系統。因為飛行的安全性及效率隨着飛行員對飛機自身和戰術情況掌握的增加而增加，因此更多的飛機接受了這樣的電子飛行顯示，該項研究的成果反映良好。這項新技術不僅使飛行員更容易掌握姿勢、高度、速度這些關鍵指示器圖形視圖的內容，而且還降低了維護傳統儀器的高成本。玻璃座艙技術還提供了更強的備份能力，比機電儀表重量更輕，更節約能耗。

玻璃座艙座艙優點

1.代替大數量開關、計量器和傳統指示器的可能性；

2.故障時更大的冗餘度；

3.更靈活更精確的戰術航行選擇；

4.面板更加整潔；

5.可編程性；

在人機工程條件下，玻璃座艙的主要優點不在於所介紹的電子與電機的不同特性，實際上是相當經常地在屏幕顯示器會如實地複製計量儀表，因為數據表明這種方法很容易立即被領會。然而，玻璃座艙因飛行而存在，戰鬥情報資料只不過是需求的體現，在系統即將進入警戒區時飛行員會選擇他所需要的數據。這要求大大地精簡座艙，使飛行員在每一次選擇時只聚焦在最重要的需求信息點上。

現代的玻璃座艙由三(或三個以上)主要的LCD(液晶顯示)多功能塊組成，藉此多圖像正視顯示器顯示戰術情況和傳感器信息，二個橫向顯示器顯示飛機系統參數和飛行戰鬥任務數據。

涉及飛機系統參數和飛行戰鬥任務數據的主要部件是主駕駛儀表系統，主駕駛儀表系統顯示所有的關於飛機姿態、位置和進程(包括水平和垂直位置)的數據與信息，還負責標明時間和速度。主駕駛儀表系統由主飛行顯示器(標明垂直飛行剖圖，如姿態、飛行指引儀指示器、速度計、模式選擇)和航行顯示器(標明水平飛行剖圖，如朝向和地面航跡)組成。考慮到冗餘度，對飛機控制和安全最為緊要的信息，如朝向和進場階段的關鍵數據在兩個指示器上都加以顯示。

“梟龍”戰機的玻璃座艙

主飛行顯示的中樞包含一個姿態指示器，姿態指示器向飛行員提供有關飛機俯仰和橫滾特性的信息，還有飛機相對於地面的方位。其他的諸如失速迎角的信息只有當飛行員選擇時才顯示。基本的飛行數據根據飛行員的需要加以修正：例如,失速迎角可以實時被修正以便反映飛機在當前的姿勢位置以及相對參數情況下的預測的臨界攻角。

得益於機載計算機預測出來的數據與信息，主飛行顯示器還可以顯示飛機未來的航道(在很短的幾秒時間內)，使飛行員很容易預料飛機的反應。在姿態指示器的左邊和右邊通常分別顯示航速數據和高度數據。由於飛行期間上下翻轉時高度和轉速變化，這兩個數字儀表通常作為垂直指示器來使用。因為要通過飛行管理系統進行計算，所以兩個指示器還都特別地顯示速度和海拔級別的詳細要點，諸如失速速度以及為任務而規劃選定的精確數據，就像在某一特定瞬間和高度時的最大速度。

姿勢和航向參考系統由向飛機提供朝向、姿勢和偏航消息的三軸傳感器組成，在其可靠性和精度都比較成熟時替換了傳統的電機陀螺飛行儀。三軸傳感器由高級固態器件構成，這些器件利用磁力計和全球定位系統(GPS)數據來修正並綜合陰極陀螺儀數據。也可能把姿勢和航向參考系統與一個空氣數據計算機結合起來，提供諸如外界空氣温度、氣流速度和高度等附加信息。空氣數據計算機在現代玻璃座艙中是一個非常重要的航空電子系統，因為它可以測定諸如修正空速、馬赫數、高度和海拔趨向等基礎數據。

發動機指示和駕駛警戒系統向飛行員提供關於發動機狀況及其他系統的數據和信息。諸如RPMs、剩餘燃油數量、油壓、温度值等等許多發動機參數都有顯示。其他由ElPAS本地定位系統監控的機上系統典型參數包括電子的、除冰的、氣動的、液壓的以及座艙環境條件方面的參數。

玻璃座艙座艙裝備

玻璃座艙戰術顯示器

戰術情況顯示器是一個彩色的顯示器，顯示的代表性參數有：

雷達目標；

電子戰發射器；

移動地圖；

情報(危險區域，威脅跡象)。

“颱風”戰機的玻璃座艙

為了呈現戰術情況連貫圖像,因此啓動了精確度評估和位置感知系統，一個戰術環境顯示器(TSD)系統必須能夠完成作戰信息綜合、解讀(得益於一套基於人工智能的系統)和空襲威脅判斷。事實上，戰術環境顯示器是戰鬥任務數據和位置察覺信息的主要來源。設計的基本面包括信息、地形數據、圖示覆蓋和文本窗的表現方式。

戰術情況顯示器被直接安裝在駕駛員前面的一塊大的屏幕上。“硬”按鈕佈置在其周圍，通常用來控制TDS功能，但在最高級的系統中一些按鈕是觸摸式的，仿效現實按鈕特性。顯示器按照到達作業區計劃路線和已掌握的敵人防禦位置顯示作戰情況。飛行員可以啓動雷達探測範圍以覆蓋顯示其雷達系統可探測到的區域。當飛機駕駛員準備進攻一個敵方目標時，屏幕上會顯示一個詳細的目標區局部放大圖，顯示系統還會顯示飛機自己和能探測到的最近的單個敵機或多個敵機的圖像。一個被命名為“任務策劃者”的方程用於計算出使飛機自身暴露給敵機雷達系統機會最小的比較路線。在大多數情況下，如果飛行員需要還可以在戰術環境顯示器屏幕的一角顯示一些關鍵飛行數據(如姿勢、速度和海拔高度)，這個“窗口”被稱“輔助飛行顯示”。

在現代的高性能戰鬥機中，飛行和作戰狀況是通過一個人機交互計算機接口對飛機進行控制的，對於這種作戰數據類型如何在戰術環境顯示器上加以體現並在顯示器中靈活表達對於設計來説是很難的事情。主動式矩陣液晶顯示器(AMLCD)成為最新一代電子設備多功能顯示器飛行儀表工藝學應用的一個方向。主動式矩陣液晶顯示器相對於它們要替代的技術(通常是陰極射線管CRT)有許多優點，諸如成本、尺寸、性能和工藝成熟度。為拓展現有技術、掌握使這些優點最大化而需要進行的進一步研究的要求仍然存在着，並且還要探索與飛行員使用這些顯示器相關的一些人為因素問題。由於顯示器像素密度的增加和要顯示信息的總量的增加，AMLCD必須給飛行員提供最佳信息的有效性越來越難了。計算機圖形學技術的飛速進步使航空顯示器以多種形式動態顯示三維圖形成為可能。戰術環境顯示器為飛行員提供既顧及航行又顧及作戰信息的融合數據並通過利用一個三維圖示形式圖形加以表現，有助於減輕過多的信息負擔^[1] 並可以輔助決策。

f-35的玻璃座艙採用了觸控屏技術

現代的戰術環境顯示器將飛機標誌與地形數據和威脅數據綜合在一起，如此這樣就可以按照事態發展的原樣考察總體戰術情況。至為重要的還有一個名為“空中通道”的特定函數。該函數由一系列類似高速公路的區塊構成，給飛行員決策要飛哪條路線以及提前預測未來調動提供一個指示。全部的戰術情況數據在戰術環境顯示器上顯示，並以彩色編碼表達附加信息。地面是色深相同的綠色，如果顯示一個地區的細部特徵那麼“空中通道”的顏色就會改變。另外，來至地面的威脅如防空導彈(SAM)或雷達定向AAA的位置也是彩色編碼標識的，在給定的某個時刻從黃色到紅色的變化程度表示不同的威脅程度。正在跟蹤飛機的敵機位置可以用一個矢量連接到飛機標誌，當戰術環境顯示器顯示機載電子對抗(ECM)系統是否有效抗擊那個威脅時，閃爍的矢量表示飛行中的一個防空導彈。

僅用一個例子就可簡明地説明情況，F-22 猛禽戰鬥機裝有一個完全沒有傳統儀器的配有六個彩色編碼液晶顯示器的高級玻璃座艙。這些顯示器在陽光直射下也是完全可讀的，一個被稱作“上帝之眼的觀察”的設備可以提供全面的飛機環境展示，包括飛機上部、下部、兩側及背面，從而可以在屏幕上完全顯示出飛機當前的位置狀況。尤其是戰術環境顯示器通過一個全色編碼系統顯示戰術情況，包括：敵機被顯示成紅色三角形，友機被顯示成綠色三角形，未知敵友的飛機則顯示成黃色方塊，用藍色F-22圖標代表自己的編隊飛機。地對空導彈發射場由五邊形表示，這個五邊形導彈區域標識圖標還附加上了導彈的類型(根據存儲在雷達告警接收機裏的數據給出導彈類型)以及它們的殺傷距離。

要強調的是玻璃座艙結構在所有現代戰鬥機中都加以應用了，早期的飛機通過升級很容易就可以改裝上玻璃座艙。

玻璃座艙頭盔顯示器

f-35的頭盔顯示器

雖然玻璃座艙很先進並且很有效，作戰飛行員還是需要一套可以將作戰飛行數據添加到飛行員看到的外部環境圖像上去的系統。儘管以全息合成儀衍射光學平視顯示器( HUD)可以達到這個功能，但視場(FOV)卻相當小。當合成儀成像在寬視角前視紅外（FLlR）或LLLN上的圖像是穿過黑暗的“窗口”時，這個缺點在夜間任務期間就相當嚴重。甚至高級的平視顯示器也因視場與機身軸線方向相同而不能提供全部視野；每當飛行員轉頭，這個“窗口”就會消失。另外,平視顯示器無疑不能完全地滿足具備高度離軸交戰能力的最新代空中格鬥空對空導彈提供的各種戰鬥能力。

很明顯，解決問題的答案就在於要將視覺裝置與飛行員頭盔整合在一起，頭盔瞄準器落在飛機傳感器和武器傳感器均能被飛行員看到的交匯點上。另外，恰當的目標符號可用於警告飛行員其視場之外的目標。第一個可用於作戰的此類系統是美國霍尼韋爾公司的AVG-8 VTAS(目視目標捕獲系統)，AVG-8 VTAS被安裝在美國海軍最新的F-4幻影II上。VTAS由大約500個部件組成，但增加的測量飛行員面部和眼部位置的傳感器重量(大概0.7-0.8公斤)使飛行員在執行高重力加速度機動任務時非常不舒服，所以這個東西和F-4S一起被淘汰了。

頭盔瞄準器開始於八十年代早期，進一步的小型化以及新型材料的使用導致東西方都對頭盔瞄準器概念重燃信心，出現了各種各樣的模型，除武器瞄準外也能通過比較高級的顯示系統給飛行員提供增加的各種數據。一個典型的實例是由埃爾比特公司開發的顯示和瞄準頭盔(DASH)，DASH應用在以色列空軍的F-15、F-16和F-4飛機上。DASH由四個主要的子系統組成：傳感器、計算機、控制面板和天線。系統通過位於座艙蓋底下的一個小型化發送器和為了測定飛行員頭部位置而集成在頭盔上的一個接收器來工作。DASH與導航系統、導彈搜尋器、雷達以及平視顯示器相連。當將所有的作戰模式和手持節流閥與搖桿(HOTAS)控制結合在一起時頭盔展示出來的功能有目標定位和目標範圍、導彈發射區、飛行資料(飛行速度,海拔高度等等)以及各種預警。DASH是埃爾比特公司第一集成式頭盔顯示瞄準系統,生產了大約500套。

以DASH的技術和構造為基準, 埃爾比特公司和凱澤宇航公司的合資企業——國際視覺系統公司(VSI)開發出了聯合頭盔提示系統(JHMCS)，作為主承包商的波音公司將與主要的子承包商國際視覺系統公司一起生產JHMCS。JHMCS已經被美國全線配置在其前線戰鬥機上(包括F-16、F/A-18、F-15、F-22)，幾個其他航空隊也採用了JHMCS(包括F-16 MLU升級方案架構)。該系統提供了一種將高度離軸武器標示到操作員視線並確認武器傳感器瞄準線的能力，如此這樣就可以讓飛行員在目標即見時就可以啓動、鎖定併發射武器。JHMCS綜合了一個可彈射的頭盔式顯示器和相關的光學裝置(飛行頭盔以輕型HGU-55 A/P頭盔為基礎)，一個小型化陰極射線管顯示器,一個磁接收器單元，一個小型化照相機,一個自動亮度調整傳感器和一個微型控制器。

泰雷茲航空電子公司在頭盔瞄準器領域也很活躍，在TOPFLIGHT方案下，泰雷茲航空電子公司為戰鬥機飛行員研發了TOPSIGHT系列產品，為直升飛機飛行員研發了TOPOWL系列產品。TOPOWL系列已被在法國服役的“虎”(TIGER)式武裝直升機和NH90 TTH運輸直升機以及南非的Rooivalk“石茶隼”武裝直升機選用裝備。

頭盔瞄準系統（HMSs）也是俄國最後一代戰鬥機（MG-29/35，SU-27/30機型）的一個重要特色，這種俄國式樣真正讓我們驚歎的是，它顯示了不同傳感器間的集成。

在頭盔瞄準系統發展之初，陰極射線管是唯一可用的顯示技術，因此被採用於第一批操作模式。但是，對於裝備在每個頭盔系統中陰極射線管顯示器，它們的尺寸和重量必須要被減小。因此發展出了微縮陰極射線管（1英寸直徑），這個尺寸被證明是可以提供最好的光柵成像清晰度和亮度。微縮陰極射線管技術是相對簡單的：這個系統通過調節掃描電子束擊打磷塗層的強度產生圖像。電子束、聚焦線圈、偏轉板和磷塗層都是被壓縮在一個顯像管中。某種類型的直升機（例如：美國AH-64型和意大利A-129型）的機組人員使用單目鏡系統，其閃光控制成像來自於一個裝配在直升機右前端正好位於右眼前方帶有重疊飛行指示的獨立的紅外成像測温裝置光視的最後一個元件是把映像反射到飛行員眼裏的組合器。

一般條件下，頭盔裝備系統基於測量飛行員視線（方位和海拔）變化並把信息轉換到飛機傳感器（雷達、INS、紅外熱像儀、目標艙）和武器上的原則。通常是由放射元件（通安裝在頂罩）和裝在頭盔裏的微傳感器完成轉換的。後者能夠感應因飛行員頭部活動致使發射器所產生磁場中的任何變化，併產生相對信號指引傳感器和武器處於正確的方位。其中一種解決辦法是需要電子眼發射接收器。頭盔瞄準系統的顯示信息主要被顯示成飛行控制和傳感器/武器操縱的基本數據一體化的標線視覺。例如平顯（HUD）符號和特性被添加在遙控點（象徵符號是同樣的）。

頭盔集成圖示系統包括光源和一套用於組合器玻璃或部分遮護的保護的一般常規型號的光部件。光源通常由一個二極管矩陣（發光二極管，光發射二極管）表示；一個微縮陰極射線管也能被用以獲得更好的性能，但是頭盔的系統集成更加複雜。

裝配可視頭盔顯現出非常重要的優勢，但是抬頭顯示器（HUD）考慮完善的視野和更好的光度控制即提出以衍射/全息技術替代常規光學。而且，現代頭盔瞄準系統也必須能夠通過紅外熱像儀或LLLTV產生成像。這些就是導致頭盔瞄準系統被顯示器頭盔快速趕超的原因。

玻璃座艙發展進程

頭盔顯示器可被形容為是一個提供如下功能的系統：

作為飛行和戰鬥管理的顯示信號

受控於最重要的傳感器和武器，用於測定飛行員的瞄準線

在所有可視條件下（電子眼傳感器）對外映像。

維持傳統頭盔具有保護飛行員頭部和支持無線通信及氧氣面罩的功能。

整個頭盔的總重量不得超過2千克，最適宜的目標重量應為1.5千克。在這點上唯獨最臨界的要素就是視野；利用現有技術水平，視野增加10度表明要增加大約200克的重量。這就使得頭盔顯示器的中心需要儘可能地靠近頭部，以減輕長期作戰和高空演練對頸椎造成的重壓。

早期頭盔顯示器價格非常昂貴，而且性能不完善（成像不完整，清晰度低，亮度低，對比度差，重量大），但相對技術已取得了長足的進步。正如所知，HADSS是第一代集成頭盔系統，其頭部追蹤器和顯示器被設計為一個單獨的系統：此係統在美國航空部隊的成功應用為新一代集成頭盔系統程序的擴大使用做出了極大的貢獻。新型頭盔顯示器的目的就是協助飛行員完成好各個階段的任務。其中必須完成的操作任務就是在低光線和夜晚或不利天氣情況下能夠高速低空飛行。此外，現代頭盔顯示器的另一目標就是將飛行員和飛機及其系統能夠有效結合在一起，使之交相呼應。這就使得飛行員要具備情況認知能力，提高完成任務的效率。但是一個現代頭盔顯示器的設計不單單屬於技術問題。還有很多關係連接系統和使用者的一些非常複雜的問題，比如頭部的各種活動和麪部測量要求頭盔顯示器在設計上要具有特殊的靈活性。實際上一名頭盔顯示器的設計者必須研製出能夠滿足常常錯綜複雜、有着不同種要求的系統。這些要求如下：

最佳舒適度；

最佳聲音保護；

頭部活動最自由；

最高清晰度；

距離重心最小偏距；

重量達到最輕；

體積達到最小；

訓練要求最少；

視覺範圍最廣；

頭部瞄準和跟蹤最精準；

全色成像；

最高亮度和對比度（可自動調整）；

不能出現感官幻覺、光學畸變和象差；

無論任何天氣、白天或是夜晚，均能正常工作；

保養度低；

成本低；

由此，我們明顯看出一個頭盔顯示器的設計需要正確的考慮許多物理參數、性能因素和使用時發生的偶然情況。

最新的頭盔顯示器提供了一個85*125的視野範圍，這使得飛行員同時也能夠維護常規儀表的控制器。像源可能是分離的個體，也可能被安裝在頭盔內部；但是當要求高清晰度和廣泛視野而使像源直徑指示一個獨立系統時，通常後者是很容易解決的。頭盔像源通常採用單頻陰極射線管的形式，其成為性能、重量、直徑以及數字濾波器間最好的折衷方式。陰極射線管仍然是用在頭盔顯示器上的成像源，這是由於其具有低成本、易於使用、可靠性及成像效果好等一些特點。然而，陰極射線管儘管精巧，但還是呈現出一些包括重量、大小、能量需求、正極高壓和產生熱量等的缺點。由於有這些缺點，所以新型成像源如今正被研製和檢測，包括直板顯示器、液晶顯示器、場致發光顯示器、光放射二極管顯示器、場發射顯示器、真空營光顯示器、等離子顯示器、電泳顯示器和數字微鏡顯示器。所有這些新型試驗系統都大大減小了尺寸、降低了能源和電壓要求，降低熱量產出和減輕了重量。這些特性使得這些系統非常有利於注重大小、重量和能量等基礎要素的頭盔顯示器的應用。特別是直板顯示器技術，因其具有航空頭盔顯示器的微型成像源，所以非常適合使用。美國國防部高等研究計劃局（DARPA）也已資助了一些項目，其目的就是要研製和整合直板顯示器技術，並運用於下一代頭盔顯示器中去。

此外，更多萬能頭盔顯示器渴望具備全綵性能。美國空軍試驗室的頭盔瞄準器加（HSM+）項目已經研製出了一個高級全綵頭盔顯示器。HSM+實質上是目視尋獲暨目標瞄準合一系統（VCATS）的一個全綵版；最終通過減色寬温液晶顯示屏成像源會使得這些萬能頭盔顯示器具備全綵性能。減色寬温液晶顯示屏技術之所以被選用在這項特殊應用上，是因為它比常規加色寬温液晶顯示屏能呈現出更好的像。顯示符號同現有的抬頭顯示器和頭盔顯示器的符號相似，當然，這對作戰飛行員來説是非常熟悉的，同時在標準現代玻璃座艙中，彩色編碼也同熱激發射彩色編碼相似。

我們期待頭盔顯示器將來能夠受益於人工智能和纖維光學透射技術，得到更加進步的發展。這將會致使頭盔顯示器和傳感器更好的結合，數據更新速度更快和數據信息的智能顯像。同樣，由於飛行員頭部活動關聯到武器和傳感器慣性滯後的問題幾乎全部被消除。

F-35閃電II是第一架沒有抬頭顯示器的現代戰鬥機。事實上，在F-35上，當飛行員向前看或延瞄準線方向看，頭盔顯示器是作為一個虛擬成像抬頭顯示器的。脱離瞄準線，頭盔顯示器會給抬頭顯示器提供除中波和來自裝配在機身周圍的一組六個IR傳感器（DAS：分佈間距系統）近IR成像，加上一個頭盔夜視傳感器之外的飛機特性和數據，威脅信號和目標指示。頭盔顯示器把嵌入式低亮度傳感器用於夜晚可視，必要時它甚至能夠利用DAS成像，顯示出360度交疊圖像。這個系統顯示同現有綜合頭盔指示系統（JHMCS）一樣的符號，但是由兩個主動矩陣液晶顯示放映器（分別置於頭盔兩側）代替陰極射線管，能夠分別顯示映像和信號。夜視映像通過40*30（水平*垂直）雙目視野的光學原理被傳遞到頭盔面部遮護板。其最初原型是一個固定直徑為16mm.由ITT和電荷耦合器構成的映像增強顯像管。電荷耦合器上的可視信息將會通過頭盔外部一隻眼上方的光顯像管被轉換到遮護板。

另一重要技術發展是用於對抗歐洲戰場上台風的頭盔顯示器，其可顯示飛行和作戰信息給迷失的飛行員。此係統被認定為頭盔象徵系統（HMSS），在頭盔兩側組成雙映像增強顯像管，提供雙目40*30視界的全部交迭映像。（紅外熱像儀映像也可投射在遮護板上）。頭盔顯示器使用雙遮護結構：一個夜晚操作時的清晰爆炸/顯示遮護，另一個是頻閃激光眼保護遮護，其可在白天操作時旋轉下來。頭盔全面集成設計確保了頭部保護，生命安全保證和電子眼的兼容，構成了一個在核生物和化學戰環境中具有保護功能的全面集成氧氣面罩。