LED照明技術(shù)在飛機外部照明系統中的應用分析

隨著(zhù)非成像光學(xué)設計技術(shù)的發(fā)展, 針對給定照度或給定光強分布的光學(xué)系統設計方法逐漸成熟,將這些方法與LED 的特點(diǎn)相結合能夠設計出高性能的LED外部照明系統。以航行燈為例, 適航標準規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, 很難設計出合理的光學(xué)結構, 實(shí)現光強分布的優(yōu)化, 而LED的優(yōu)勢之一便是其方便的光學(xué)設計, 利用類(lèi)似航標燈的設計方法[ 8] , 可以設計出滿(mǎn)足適航標準的航行燈系統。

( 3)顯色性好、顏色可調

由于可以通過(guò)調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, 在應用中還可以定制不同色度的LED以適應不同照明場(chǎng)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, 調節RGB 三類(lèi)芯片的發(fā)光量, 從而調節整個(gè)模塊的發(fā)光色度, 實(shí)現在光源層上的光色調節, 理論上通過(guò)RGB 可以實(shí)現的色度范圍如圖4所示。因此, 使用RGB LED 可以方便地實(shí)現色坐標、色溫等參數的調節, 相對傳統光源來(lái)說(shuō), 這是一個(gè)很大的優(yōu)勢, 高顯色性能有效提高視覺(jué)的舒適性及視覺(jué)效率, 給飛行員提供高效的視覺(jué)信息, 同時(shí), 根據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(jué)效率, 如對于防撞燈系統, 采用紅光LED 可以直接實(shí)現高性能的航空紅色, 避免了紅光燈罩帶來(lái)的各種不利影響。

( 4)使用壽命長(cháng)

常用的鹵素燈的使用壽命在2 000h 以?xún)? H ID燈的使用壽命約3 000h, 而LED 壽命可達到10萬(wàn)小時(shí)以上, 采用LED光源的燈具的壽命可達2萬(wàn)小時(shí)以上, 因此在飛機運營(yíng)過(guò)程中更換較少, 減少了維修次數, 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(yíng)成本。

( 5)響應速度快

LED光源的響應時(shí)間在納秒量級, 響應速度快,且在脈沖驅動(dòng)下LED 的壽命并不受影響, 這個(gè)優(yōu)點(diǎn)使得LED光源可以用脈寬調制( PWM )的方式驅動(dòng),實(shí)現亮度的方便控制, 應用于顯示、情景照明等場(chǎng)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(cháng), 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

傳統外部照明采用的鹵素燈由于內含燈絲, 在高振動(dòng)強度的環(huán)境中容易損壞, LED 光源沒(méi)有活動(dòng)部件和易損壞部件(如燈絲等) , 抗振動(dòng)性能好, 可以用于強振動(dòng)場(chǎng)合。而且LED的工作溫度較低, 內部沒(méi)有易燃易爆的物質(zhì), 不會(huì )產(chǎn)生燈具過(guò)熱或自爆等問(wèn)題, 可用于易燃、易爆、水下等環(huán)境中。在傳統照明中, 著(zhù)陸/滑行燈、跑道轉彎燈、頻閃燈等普遍采用高電壓工作的氣體放電燈, 采用這類(lèi)光源時(shí)電纜內的瞬間高電流沖擊可能引起電火花, 當附近有可燃氣體時(shí)會(huì )導致災難性的危險。而LED 光源為恒流源, 因此不會(huì )引起類(lèi)似的危險。

5、國外先進(jìn)民機的外部照明技術(shù)

利用LED照明技術(shù)提高外部照明系統性能是飛機照明技術(shù)的一個(gè)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(kāi)發(fā)出LED 航行燈產(chǎn)品并申請了多個(gè)相關(guān)專(zhuān)利[ 9、10] 。2003年Honeyw ell公司開(kāi)發(fā)出Astreon系列LED航行燈[ 11] , 由于采用先進(jìn)的光學(xué)設計方法, Astreon LED航行燈能很好地滿(mǎn)足適航標準, 已經(jīng)代替鹵素燈成為Honeyw 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(shí)線(xiàn)是FAR25規定的前航行燈需要滿(mǎn)足的二面角光強分布, 黑色虛線(xiàn)是根據設計結構仿真得到的光強分布, 而黑色實(shí)線(xiàn)是實(shí)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的相應規范, 且基本上不存在摻入光強的問(wèn)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(zhù)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(cháng)距離的LED 著(zhù)陸燈, 將原來(lái)的6個(gè)滑行/著(zhù)陸/滑行轉彎燈用2個(gè)LED 代替, 從而簡(jiǎn)化了外部照明系統, 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的可靠性。

近年來(lái)全球各飛機集成商及飛機照明系統供應商都爭相研究LED 照明技術(shù)的應用。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計開(kāi)發(fā)的某型飛機的外部照明系統。

從表1 可以看到, 在前期機型及其改進(jìn)型如A320、波音737等飛機上, 普遍采用傳統的照明技術(shù), 使用鹵素燈、氙氣燈、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(jìn)的LED照明技術(shù), 波音787 更是大量采用LED 照明技術(shù),除著(zhù)陸/滑行燈、跑道轉彎燈外其余均采用LED光源。

6、結論

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)設計靈活性、顯色性、壽命等方面都具有傳統光源不可比擬的優(yōu)勢, 在飛機照明系統中具有很大的應用潛力, 利用LED 現有技術(shù)能夠設計出契合顏色、光分布等各方面要求的外部照明設備。

與傳統照明技術(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)設計、散熱設計、驅動(dòng)電路設計等關(guān)鍵技術(shù)都與傳統照明技術(shù)截然不同, 國內外的高校、研究所及公司對這些問(wèn)題都已經(jīng)有了深入的研究并取得了豐碩的成果, 應用這些先進(jìn)技術(shù)成果可以極大地提升飛機外部照明系統的性能。

LED照明技術(shù)正處在飛速發(fā)展的時(shí)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)結構的推進(jìn)器, 擔負了提升產(chǎn)業(yè)領(lǐng)航者的使命, 如何將LED 照明技術(shù)應用于大型民用飛機項目是一個(gè)非常有意義的研究課題。

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