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

隨著非成像光學(xué)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展, 針對給定照度或給定光強分布的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法逐漸成熟,將這些方法與LED 的特點相結(jié)合能夠設(shè)計出高性能的LED外部照明系統(tǒng)。以航行燈為例, 適航標準規(guī)定了各角度的最小光強分布, 白熾燈、H ID 由于發(fā)光面積較大, 很難設(shè)計出合理的光學(xué)結(jié)構(gòu), 實現(xiàn)光強分布的優(yōu)化, 而LED的優(yōu)勢之一便是其方便的光學(xué)設(shè)計, 利用類似航標燈的設(shè)計方法[ 8] , 可以設(shè)計出滿足適航標準的航行燈系統(tǒng)。

( 3)顯色性好、顏色可調(diào)

由于可以通過調(diào)整熒光粉的成分改變發(fā)光光譜, 白光LED可以做到很高的顯色性能, 在應(yīng)用中還可以定制不同色度的LED以適應(yīng)不同照明場合的需要。在使用RGB 組合封裝的LED模塊中, 分別改變各芯片的電流, 調(diào)節(jié)RGB 三類芯片的發(fā)光量, 從而調(diào)節(jié)整個模塊的發(fā)光色度, 實現(xiàn)在光源層上的光色調(diào)節(jié), 理論上通過RGB 可以實現(xiàn)的色度范圍如圖4所示。因此, 使用RGB LED 可以方便地實現(xiàn)色坐標、色溫等參數(shù)的調(diào)節(jié), 相對傳統(tǒng)光源來說, 這是一個很大的優(yōu)勢, 高顯色性能有效提高視覺的舒適性及視覺效率, 給飛行員提供高效的視覺信息, 同時, 根據(jù)外部照明各部分的功能需要, 可以配置不同色度的光, 提高視覺效率, 如對于防撞燈系統(tǒng), 采用紅光LED 可以直接實現(xiàn)高性能的航空紅色, 避免了紅光燈罩帶來的各種不利影響。

( 4)使用壽命長

常用的鹵素?zé)舻氖褂脡勖? 000h 以內(nèi), H ID燈的使用壽命約3 000h, 而LED 壽命可達到10萬小時以上, 采用LED光源的燈具的壽命可達2萬小時以上, 因此在飛機運營過程中更換較少, 減少了維修次數(shù), 提高了簽派可靠度。LED 光源在各種惡劣環(huán)境下也能正常工作, 不易損壞, 相較于傳統(tǒng)光源降低了故障發(fā)生率, 從而提高了使用壽命, 降低了運營成本。

( 5)響應(yīng)速度快

LED光源的響應(yīng)時間在納秒量級, 響應(yīng)速度快,且在脈沖驅(qū)動下LED 的壽命并不受影響, 這個優(yōu)點使得LED光源可以用脈寬調(diào)制( PWM )的方式驅(qū)動,實現(xiàn)亮度的方便控制, 應(yīng)用于顯示、情景照明等場合。外部照明中的頻閃燈、防撞燈等都要求一定的閃光頻率( 40~ 100次/m in) , 由于氣體放電燈發(fā)光原理上的原因, 現(xiàn)在使用的氙氣燈在頻閃的條件下壽命很短,而采用LED 光源后, 由于LED的壽命很長, 且不受脈沖工作的影響, 燈具的壽命將有很大提高。

( 6)高可靠性

傳統(tǒng)外部照明采用的鹵素?zé)粲捎趦?nèi)含燈絲, 在高振動強度的環(huán)境中容易損壞, LED 光源沒有活動部件和易損壞部件(如燈絲等) , 抗振動性能好, 可以用于強振動場合。而且LED的工作溫度較低, 內(nèi)部沒有易燃易爆的物質(zhì), 不會產(chǎn)生燈具過熱或自爆等問題, 可用于易燃、易爆、水下等環(huán)境中。在傳統(tǒng)照明中, 著陸/滑行燈、跑道轉(zhuǎn)彎燈、頻閃燈等普遍采用高電壓工作的氣體放電燈, 采用這類光源時電纜內(nèi)的瞬間高電流沖擊可能引起電火花, 當(dāng)附近有可燃氣體時會導(dǎo)致災(zāi)難性的危險。而LED 光源為恒流源, 因此不會引起類似的危險。

5、國外先進民機的外部照明技術(shù)

利用LED照明技術(shù)提高外部照明系統(tǒng)性能是飛機照明技術(shù)的一個新的研究方向, LED外部照明技術(shù)發(fā)展較晚, 但發(fā)展速度飛快, Boeing、He lla等公司相繼開發(fā)出LED 航行燈產(chǎn)品并申請了多個相關(guān)專利[ 9、10] 。2003年Honeyw ell公司開發(fā)出Astreon系列LED航行燈[ 11] , 由于采用先進的光學(xué)設(shè)計方法, Astreon LED航行燈能很好地滿足適航標準, 已經(jīng)代替鹵素?zé)舫蔀镠oneyw ell航行燈的主流產(chǎn)品。2009年全美航空公司( US A irways)與Honeyw ell合作將其所有機型的航行燈改裝成LED 航行燈, 圖5是該航行燈的光強分布圖[ 12] , 圖中灰色實線是FAR25規(guī)定的前航行燈需要滿足的二面角光強分布, 黑色虛線是根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)仿真得到的光強分布, 而黑色實線是實測的光強分布, 可以看到使用LED光源的航行燈能很好地符合FAR25的相應(yīng)規(guī)范, 且基本上不存在摻入光強的問題。近期由于LED效率的提高以及散熱管理技術(shù)的提高, LED頻閃燈、著陸燈/滑行燈等也取得了重大突破, Tekt ite推出了高強度頻閃/防撞燈ELZS trobe K ite, Honeyw ell、Goodrich等公司都紛紛推出高亮度、長距離的LED 著陸燈, 將原來的6個滑行/著陸/滑行轉(zhuǎn)彎燈用2個LED 代替, 從而簡化了外部照明系統(tǒng), 降低了外部照明的功率消耗, 并極大地提高了外部照明系統(tǒng)的可靠性。

近年來全球各飛機集成商及飛機照明系統(tǒng)供應(yīng)商都爭相研究LED 照明技術(shù)的應(yīng)用。表1分析了兩大商用航空巨頭波音、空客的主流機型及我國自主設(shè)計開發(fā)的某型飛機的外部照明系統(tǒng)。

從表1 可以看到, 在前期機型及其改進型如A320、波音737等飛機上, 普遍采用傳統(tǒng)的照明技術(shù), 使用鹵素?zé)簟㈦瘹鉄?、H ID 燈等作為光源。而近年推出的新機型如A380上已經(jīng)采用了先進的LED照明技術(shù), 波音787 更是大量采用LED 照明技術(shù),除著陸/滑行燈、跑道轉(zhuǎn)彎燈外其余均采用LED光源。

6、結(jié)論

從對LED照明技術(shù)的分析中可以看到LED 光源在效率、光學(xué)設(shè)計靈活性、顯色性、壽命等方面都具有傳統(tǒng)光源不可比擬的優(yōu)勢, 在飛機照明系統(tǒng)中具有很大的應(yīng)用潛力, 利用LED 現(xiàn)有技術(shù)能夠設(shè)計出契合顏色、光分布等各方面要求的外部照明設(shè)備。

與傳統(tǒng)照明技術(shù)相比, LED 照明技術(shù)具有其自身的技術(shù)優(yōu)勢, 其光學(xué)設(shè)計、散熱設(shè)計、驅(qū)動電路設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)都與傳統(tǒng)照明技術(shù)截然不同, 國內(nèi)外的高校、研究所及公司對這些問題都已經(jīng)有了深入的研究并取得了豐碩的成果, 應(yīng)用這些先進技術(shù)成果可以極大地提升飛機外部照明系統(tǒng)的性能。

LED照明技術(shù)正處在飛速發(fā)展的時期, 這次照明技術(shù)變革為提高我國照明產(chǎn)業(yè)的競爭力提供了契機。大型民用飛機項目作為提升產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的推進器, 擔(dān)負了提升產(chǎn)業(yè)領(lǐng)航者的使命, 如何將LED 照明技術(shù)應(yīng)用于大型民用飛機項目是一個非常有意義的研究課題。

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