LED照明技術(shù)在飛機(jī)外部照明系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

引言

飛機(jī)照明是照明技術(shù)在航空飛行技術(shù)上的一個重要分支, 各時期的飛機(jī)照明技術(shù)在一定程度上反映了照明技術(shù)的特點(diǎn)。光源是照明技術(shù)的核心, 其變革推動了照明技術(shù)的發(fā)展。1879 年愛迪生發(fā)明了第一代電光源——白熾燈, 1908年可實(shí)用化的鎢絲燈面世, 開啟了電氣照明的時代, 最初的飛機(jī)照明采用鎢絲燈, 內(nèi)置特殊反射結(jié)構(gòu), 由于鎢絲高溫蒸發(fā)的原因, 壽命只有約1 000h, 需要經(jīng)常更換, 且發(fā)光效率僅10~ 20 lm /W。1960年后, 鹵素?zé)糸_始出現(xiàn)并應(yīng)用于飛機(jī)照明系統(tǒng)中, 由于內(nèi)部的鹵素氣體與鎢絲發(fā)生可逆的化學(xué)反應(yīng), 抑制了鎢絲的蒸發(fā), 鹵素?zé)舻膲勖岣叩? 000h, 發(fā)光效率約20~ 33 lm /W,性能相對普通的白熾燈有較大提高, 目前航行燈仍普遍采用鹵素?zé)糇鳛楣庠?。第二代光源熒光燈出現(xiàn)于1940年, 效率約50~ 80 lm /W, 壽命5 000h, 但光強(qiáng)較小, 在飛機(jī)照明中主要應(yīng)用于內(nèi)部照明。1991年第三代光源H ID 燈(高壓氙氣燈)開始出現(xiàn)在飛機(jī)照明系統(tǒng)中, H ID燈發(fā)光效率達(dá)80~ 100 lm /W, 是鹵素?zé)舻? 倍, 壽命約3 000h, 成為著陸燈、滑行燈、跑道轉(zhuǎn)彎燈、標(biāo)志燈等高光強(qiáng)外部照明燈具的通用光源。H ID燈利用高壓氣體放電發(fā)光, 具有很好的抗振動性能, 但由于采用高電壓供電, 光源和供電電纜都具有一定的安全隱患, 驅(qū)動電源比較復(fù)雜, 產(chǎn)生的電磁干擾較大, 需要采取嚴(yán)格的屏蔽措施, 且功率效率只有約40%, 大部分電能轉(zhuǎn)化為熱輻射和紫外輻射。

LED照明技術(shù)是近年來出現(xiàn)的新型照明技術(shù),它采用第四代光源——半導(dǎo)體電致發(fā)光光源( L ightEm itting D iode, 簡稱LED) , 具有低電壓驅(qū)動、發(fā)光效率高、顯色性好、色度可調(diào)、體積小便于集成、壽命長等優(yōu)勢, 代表照明技術(shù)的發(fā)展方向, 也是先進(jìn)飛機(jī)照明技術(shù)的必然趨勢。

1、飛機(jī)外部照明系統(tǒng)的發(fā)展簡介

飛機(jī)外部照明系統(tǒng)指的是飛機(jī)照明系統(tǒng)中用于提供外部照明的部分, 是飛機(jī)照明的一個重要組成部分, 保證了飛機(jī)在起飛、巡航、著陸等運(yùn)行階段的安全性。在航空技術(shù)初期, 飛機(jī)外部照明系統(tǒng)非常簡陋, 為了保證飛機(jī)在不同氣候條件下的正常飛行,對飛機(jī)外部照明系統(tǒng)的要求也逐漸提高。1921年L. C. We inberg 首先提出著陸/滑行燈的設(shè)想[ 1 ] ,1925年航空照明之父W arren G rimes采用鎢絲燈作為光源, 為福特T ri- mo tor飛機(jī)開發(fā)出第一款著陸/滑行燈, 由于鎢絲燈發(fā)出的光線比較分散, G rimes對鎢絲燈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn), 在燈的內(nèi)部增加了反射結(jié)構(gòu), 設(shè)計(jì)出了聚光性能好、更適用于著陸/滑行燈的特種鎢絲燈[ 2] 。隨著飛機(jī)數(shù)量的增多, 飛機(jī)的空間密度越來越大, 為使飛行員及時發(fā)現(xiàn)鄰近飛機(jī),避免相撞, G rimes提出了紅- 綠- 白三色燈系統(tǒng)的航行燈結(jié)構(gòu)來標(biāo)志飛機(jī)的輪廓及航行方向, 紅、綠兩種顏色燈由鎢絲燈加相應(yīng)顏色的燈罩得到。后來又有設(shè)計(jì)人員提出了高強(qiáng)度頻閃的防撞/頻閃燈系統(tǒng),它與航行燈協(xié)同工作, 使飛行員能在高速飛行情況下及時發(fā)現(xiàn)附近飛機(jī)。經(jīng)過長期的發(fā)展, 飛機(jī)外部照明系統(tǒng)已漸趨完善, 具體包括著陸/滑行燈、跑到轉(zhuǎn)彎燈、航行燈、防撞燈/頻閃燈、探冰燈、標(biāo)志燈等,各類燈具獨(dú)立或相互配合實(shí)現(xiàn)各種功能, 飛機(jī)外部照明系統(tǒng)布局如圖1所示。

2、飛機(jī)外部照明系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀

目前, 飛機(jī)的外部照明主要采用白熾燈、HID燈、氙氣燈等光源。航行燈、探冰燈通常采用白熾燈或鹵素?zé)? 由于壽命較短、發(fā)光效率低, 且內(nèi)含燈絲在高振動環(huán)境中經(jīng)常損壞, 而且航行燈采用左紅右綠的結(jié)構(gòu), 因此還必須在鹵素?zé)敉饧酉鄳?yīng)顏色的濾光罩, 其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且效率低; 標(biāo)志燈、著陸/滑行燈、跑道轉(zhuǎn)彎燈等通常采用H ID 燈, HID 燈發(fā)光強(qiáng)度大、效率較高, 能滿足高亮度、高照度的照明需求, 但啟動時間很長, 通常在啟動15m in后才能達(dá)到穩(wěn)定的光輸出, 壽命只有約4 000h, 需要經(jīng)常更換, HID燈在飛機(jī)115VAC的供電系統(tǒng)上需要增加復(fù)雜的升壓驅(qū)動電路才能使用, 從而降低了系統(tǒng)的效率, 增加了飛機(jī)的載荷, 且加重了對其他系統(tǒng)的電磁干擾,HID燈、白熾燈及鹵素?zé)舻募t外輻射使燈具的工作溫度很高, 對安裝也有較高的要求; 頻閃燈/防撞燈通常采用氙氣燈, 工作原理與H ID 燈相似但不完全相同, 會引起電磁干擾等類似問題[ 3 ] , 放電瞬間在電纜內(nèi)產(chǎn)生的大電流也增加了燃油系統(tǒng)的危險[ 4] 。

在閃光工作下氙氣燈的壽命更加有限, 目前普遍采用的紅光防撞燈, 需在白光氙氣燈外加紅色燈罩實(shí)現(xiàn)紅光, 因此效率很低, 且紅色燈罩的透光特性不穩(wěn)定, 受溫度的影響很大[ 5 ] 。在實(shí)現(xiàn)特定區(qū)域或特定光分布照明上, 白熾燈、鹵素?zé)艏癏 ID 燈都不能非常高效地達(dá)到目的, 而且當(dāng)白熾燈或鹵素?zé)粲米骱叫袩魰r也不能非常好地滿足航行燈二面角的光分布要求, 存在相互摻入光強(qiáng)的問題; H ID 燈用作著陸燈/滑行燈、跑道轉(zhuǎn)彎燈時也不能有效解決照度均勻性的問題, 且結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 需要安裝多個燈具來實(shí)現(xiàn)著陸功能。

由此可見, 采用白熾燈、鹵素?zé)艏癏 ID 燈的飛機(jī)外部照明系統(tǒng)存在效率低、驅(qū)動復(fù)雜、響應(yīng)速度慢、壽命短、存在安全隱患、可靠性低等缺點(diǎn), 不能提供高效率、高安全性、高可靠性的外部照明。

3、LED照明技術(shù)的飛速發(fā)展

LED照明是利用半導(dǎo)體材料電流注入發(fā)光的新型照明技術(shù), 核心的發(fā)光器件為半導(dǎo)體材料發(fā)光二極管( LED ), 又稱固態(tài)光源, 大功率白光LED 的出現(xiàn)引起了照明領(lǐng)域的一次新變革。

半導(dǎo)體發(fā)光技術(shù)始于上世紀(jì)初, 1907年科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體材料發(fā)光現(xiàn)象, 引起了對半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)制的研究。1962年N ick Ho lonyak 發(fā)明了第一個發(fā)光二極管( LED ), 而后隨著技術(shù)和工藝的進(jìn)步,LED的發(fā)光效率也不斷提高, 但發(fā)光頻率僅限于紅外、紅光等波段。直到1993年日本的N ich ia公司率先制備出功率效率達(dá)10% 的GaN 基異質(zhì)結(jié)藍(lán)光LED, 并利用藍(lán)光LED + 黃光熒光粉的封裝形式于1997年首次得到了白光LED, 發(fā)光效率約10lm /W,此后有關(guān)研究人員分別通過RGB 三色LED 組合及紫外LED + 熒光粉的方式獲得高顯色性能的白光[ 6 ] , 照明光源的發(fā)展歷程如圖2所示。

近幾年在強(qiáng)大的政策和資金推動下, LED 照明技術(shù)發(fā)展迅速, 在過去的短短幾年中白光LED的效率不斷提高, 逐漸超過白熾燈、熒光燈、H ID 燈等,C ree公司大功率白光LED 的功率效率實(shí)驗(yàn)室數(shù)值已接近50% , 發(fā)光效率可達(dá)161lm /W, 產(chǎn)業(yè)化的大功率白光LED 的發(fā)光效率也已超過熒光燈及H ID燈, 達(dá)到120 lm /W 以上, 目前LED 照明技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于路燈、LCD 大屏幕電視及筆記本背光源、汽車照明、景觀照明等領(lǐng)域。

在飛機(jī)照明領(lǐng)域, LED 照明技術(shù)具有巨大的應(yīng)用潛力, 采用LED 照明技術(shù)有助于提高飛機(jī)照明系統(tǒng)的整體性能。在駕駛艙照明中, LED 導(dǎo)光板、頂燈/泛光燈可以提供具有高人- 機(jī)功效的顯示儀表和低疲勞的視覺環(huán)境; 在客艙照明中, LED 泛光燈、閱讀燈等可以提高機(jī)艙的舒適度, 基于LED顏色可調(diào)特性的情景照明(Mood Light ing)更可以實(shí)現(xiàn)客艙照明的情景化, 為旅客提供輕松娛樂的乘機(jī)環(huán)境; 在外部照明中, 采用LED 光源可以提高系統(tǒng)的效率、可靠性和安全性, 為飛行員提供舒適、有效的視覺信息; 在應(yīng)急照明中使用LED 光源可以節(jié)省耗電, 提高系統(tǒng)的壽命和可靠性。

4、LED 照明技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)外部照明的優(yōu)勢

飛機(jī)外部照明的特點(diǎn)是功率高、光分布要求嚴(yán)格、環(huán)境惡劣, 對技術(shù)的要求較高, 從前文的分析中可以看出傳統(tǒng)照明技術(shù)不能有效滿足外部照明的要求, 而LED 照明技術(shù)具有很多傳統(tǒng)照明所不具備的優(yōu)勢, 為改進(jìn)飛機(jī)外部照明系統(tǒng)提供了契機(jī)。

( 1)高效、節(jié)能

航行燈普遍采用的鹵素?zé)舭l(fā)光效率只有20~33 lm /W, 著陸燈、滑行燈及跑道轉(zhuǎn)彎燈常用的H ID氙氣燈發(fā)光效率也只有80~ 100 lm /W。而大功率白光LED發(fā)光效率已經(jīng)達(dá)到120 lm /W 以上, 且發(fā)光效率理論上可以達(dá)到283 lm /W, 隨著技術(shù)與工藝水平的提高仍有很大的提升空間。采用LED 光源的外部照明系統(tǒng)將節(jié)省至少20% 的電能, 大大降低了電源系統(tǒng)的載荷。

( 2)先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)

發(fā)光面積小是LED的重要特點(diǎn), 傳統(tǒng)的白熾燈燈絲長, 氣體放電燈的氣體放電區(qū)域很大, 因此發(fā)光面積都比較大, 大面積光源的照明光學(xué)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜, 缺乏有效的設(shè)計(jì)方法, 而飛機(jī)外部照明系統(tǒng)對光分布的要求很高, 采用大面積光源時燈具的光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 光利用率很低。1W 大功率LED發(fā)光芯片為1mm 1mm 0. 1mm, 封裝后的LED 發(fā)光面積也只有約1. 5mm 1. 5mm, 發(fā)光面積非常小, 近似點(diǎn)光源, 在實(shí)際應(yīng)用中, 可以根據(jù)機(jī)外照明系統(tǒng)中各類燈的具體照明要求, 通過成熟的非成像設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的透鏡或反光碗的光學(xué)結(jié)構(gòu), 將這類光學(xué)結(jié)構(gòu)和LED光源相結(jié)合能得到高性能的照明燈具。圖3是清華大學(xué)集成光電子國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室羅毅教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組提出的三維自由曲面非成像光學(xué)設(shè)計(jì)方法, 這一方法能有效解決給定三維照度的透鏡設(shè)計(jì)[ 6] - [ 7 ] 。