LED照明技術(shù)在飛機外部照明系統中的應用分析

引言

飛機照明是照明技術(shù)在航空飛行技術(shù)上的一個(gè)重要分支, 各時(shí)期的飛機照明技術(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(dòng)了照明技術(shù)的發(fā)展。1879 年愛(ài)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(kāi)啟了電氣照明的時(shí)代, 最初的飛機照明采用鎢絲燈, 內置特殊反射結構, 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, 鹵素燈開(kāi)始出現并應用于飛機照明系統中, 由于內部的鹵素氣體與鎢絲發(fā)生可逆的化學(xué)反應, 抑制了鎢絲的蒸發(fā), 鹵素燈的壽命提高到2 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燈作為光源。第二代光源熒光燈出現于1940年, 效率約50~ 80 lm /W, 壽命5 000h, 但光強較小, 在飛機照明中主要應用于內部照明。1991年第三代光源H ID 燈(高壓氙氣燈)開(kāi)始出現在飛機照明系統中, H ID燈發(fā)光效率達80~ 100 lm /W, 是鹵素燈的4 倍, 壽命約3 000h, 成為著(zhù)陸燈、滑行燈、跑道轉彎燈、標志燈等高光強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(dòng)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, 驅動(dòng)電源比較復雜, 產(chǎn)生的電磁干擾較大, 需要采取嚴格的屏蔽措施, 且功率效率只有約40%, 大部分電能轉化為熱輻射和紫外輻射。

LED照明技術(shù)是近年來(lái)出現的新型照明技術(shù),它采用第四代光源——半導體電致發(fā)光光源( L ightEm itting D iode, 簡(jiǎn)稱(chēng)LED) , 具有低電壓驅動(dòng)、發(fā)光效率高、顯色性好、色度可調、體積小便于集成、壽命長(cháng)等優(yōu)勢, 代表照明技術(shù)的發(fā)展方向, 也是先進(jìn)飛機照明技術(shù)的必然趨勢。

1、飛機外部照明系統的發(fā)展簡(jiǎn)介

飛機外部照明系統指的是飛機照明系統中用于提供外部照明的部分, 是飛機照明的一個(gè)重要組成部分, 保證了飛機在起飛、巡航、著(zhù)陸等運行階段的安全性。在航空技術(shù)初期, 飛機外部照明系統非常簡(jiǎn)陋, 為了保證飛機在不同氣候條件下的正常飛行,對飛機外部照明系統的要求也逐漸提高。1921年L. C. We inberg 首先提出著(zhù)陸/滑行燈的設想[ 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飛機開(kāi)發(fā)出第一款著(zhù)陸/滑行燈, 由于鎢絲燈發(fā)出的光線(xiàn)比較分散, G rimes對鎢絲燈的結構進(jìn)行了改進(jìn), 在燈的內部增加了反射結構, 設計出了聚光性能好、更適用于著(zhù)陸/滑行燈的特種鎢絲燈[ 2] 。隨著(zhù)飛機數量的增多, 飛機的空間密度越來(lái)越大, 為使飛行員及時(shí)發(fā)現鄰近飛機,避免相撞, G rimes提出了紅- 綠- 白三色燈系統的航行燈結構來(lái)標志飛機的輪廓及航行方向, 紅、綠兩種顏色燈由鎢絲燈加相應顏色的燈罩得到。后來(lái)又有設計人員提出了高強度頻閃的防撞/頻閃燈系統,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(shí)發(fā)現附近飛機。經(jīng)過(guò)長(cháng)期的發(fā)展, 飛機外部照明系統已漸趨完善, 具體包括著(zhù)陸/滑行燈、跑到轉彎燈、航行燈、防撞燈/頻閃燈、探冰燈、標志燈等,各類(lèi)燈具獨立或相互配合實(shí)現各種功能, 飛機外部照明系統布局如圖1所示。

2、飛機外部照明系統的技術(shù)現狀

目前, 飛機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燈, 由于壽命較短、發(fā)光效率低, 且內含燈絲在高振動(dòng)環(huán)境中經(jīng)常損壞, 而且航行燈采用左紅右綠的結構, 因此還必須在鹵素燈外加相應顏色的濾光罩, 其結構復雜且效率低; 標志燈、著(zhù)陸/滑行燈、跑道轉彎燈等通常采用H ID 燈, HID 燈發(fā)光強度大、效率較高, 能滿(mǎn)足高亮度、高照度的照明需求, 但啟動(dòng)時(shí)間很長(cháng), 通常在啟動(dòng)15m in后才能達到穩定的光輸出, 壽命只有約4 000h, 需要經(jīng)常更換, HID燈在飛機115VAC的供電系統上需要增加復雜的升壓驅動(dòng)電路才能使用, 從而降低了系統的效率, 增加了飛機的載荷, 且加重了對其他系統的電磁干擾,HID燈、白熾燈及鹵素燈的紅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(huì )引起電磁干擾等類(lèi)似問(wèn)題[ 3 ] , 放電瞬間在電纜內產(chǎn)生的大電流也增加了燃油系統的危險[ 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)現紅光, 因此效率很低, 且紅色燈罩的透光特性不穩定, 受溫度的影響很大[ 5 ] 。在實(shí)現特定區域或特定光分布照明上, 白熾燈、鹵素燈及H ID 燈都不能非常高效地達到目的, 而且當白熾燈或鹵素燈用作航行燈時(shí)也不能非常好地滿(mǎn)足航行燈二面角的光分布要求, 存在相互摻入光強的問(wèn)題; H ID 燈用作著(zhù)陸燈/滑行燈、跑道轉彎燈時(shí)也不能有效解決照度均勻性的問(wèn)題, 且結構復雜, 需要安裝多個(gè)燈具來(lái)實(shí)現著(zhù)陸功能。

由此可見(jiàn), 采用白熾燈、鹵素燈及H ID 燈的飛機外部照明系統存在效率低、驅動(dòng)復雜、響應速度慢、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)光器件為半導體材料發(fā)光二極管( LED ), 又稱(chēng)固態(tài)光源, 大功率白光LED 的出現引起了照明領(lǐng)域的一次新變革。

半導體發(fā)光技術(shù)始于上世紀初, 1907年科學(xué)家首次發(fā)現半導體材料發(fā)光現象, 引起了對半導體發(fā)光機制的研究。1962年N ick Ho lonyak 發(fā)明了第一個(gè)發(fā)光二極管( LED ), 而后隨著(zhù)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10% 的GaN 基異質(zhì)結藍光LED, 并利用藍光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(guò)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。

近幾年在強大的政策和資金推動(dòng)下, LED 照明技術(shù)發(fā)展迅速, 在過(guò)去的短短幾年中白光LED的效率不斷提高, 逐漸超過(guò)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)驗室數值已接近50% , 發(fā)光效率可達161lm /W, 產(chǎn)業(yè)化的大功率白光LED 的發(fā)光效率也已超過(guò)熒光燈及H ID燈, 達到120 lm /W 以上, 目前LED 照明技術(shù)已經(jīng)廣泛應用于路燈、LCD 大屏幕電視及筆記本背光源、汽車(chē)照明、景觀(guān)照明等領(lǐng)域。

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

4、LED 照明技術(shù)應用于飛機外部照明的優(yōu)勢

飛機外部照明的特點(diǎn)是功率高、光分布要求嚴格、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照明技術(shù)不能有效滿(mǎn)足外部照明的要求, 而LED 照明技術(shù)具有很多傳統照明所不具備的優(yōu)勢, 為改進(jìn)飛機外部照明系統提供了契機。

( 1)高效、節能

航行燈普遍采用的鹵素燈發(fā)光效率只有20~33 lm /W, 著(zhù)陸燈、滑行燈及跑道轉彎燈常用的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)達到120 lm /W 以上, 且發(fā)光效率理論上可以達到283 lm /W, 隨著(zhù)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將節省至少20% 的電能, 大大降低了電源系統的載荷。

( 2)先進(jìn)的光學(xué)設計

發(fā)光面積小是LED的重要特點(diǎn), 傳統的白熾燈燈絲長(cháng), 氣體放電燈的氣體放電區域很大, 因此發(fā)光面積都比較大, 大面積光源的照明光學(xué)設計非常復雜, 缺乏有效的設計方法, 而飛機外部照明系統對光分布的要求很高, 采用大面積光源時(shí)燈具的光學(xué)結構復雜, 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)際應用中, 可以根據機外照明系統中各類(lèi)燈的具體照明要求, 通過(guò)成熟的非成像設計方法設計的透鏡或反光碗的光學(xué)結構, 將這類(lèi)光學(xué)結構和LED光源相結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)驗室羅毅教授領(lǐng)導的研究小組提出的三維自由曲面非成像光學(xué)設計方法, 這一方法能有效解決給定三維照度的透鏡設計[ 6] - [ 7 ] 。