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。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,各類燈具獨立或相互配合實現(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, 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 的功率效率實驗室數(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

發(fā)光面積小是LED的重要特點, 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)計非常復(fù)雜, 缺乏有效的設(shè)計方法, 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, 近似點光源, 在實際應(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)計方法設(shè)計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實驗室羅毅教授領(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)計方法, 這一方法能有效解決給定三維照度的透鏡設(shè)計[ 6] - [ 7 ] 。

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(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了各角度的最小光強(qiáng)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(qiáng)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(biāo)燈的設(shè)計方法[ 8] , 可以設(shè)計出滿足適航標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)、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(dá)到10萬小時以上, 采用LED光源的燈具的壽命可達(dá)2萬小時以上, 因此在飛機(jī)運(yùn)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(yùn)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(qiáng)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(qiáng)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?xì)怏w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(jìn)民機(jī)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(jī)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(jìn)的光學(xué)設(shè)計方法, As􀀁treon LED航行燈能很好地滿足適航標(biāo)準(zhǔn), 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(jī)型的航行燈改裝成LED 航行燈, 圖5是該航行燈的光強(qiáng)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(qiáng)分布, 黑色虛線是根據(jù)設(shè)計結(jié)構(gòu)仿真得到的光強(qiáng)分布, 而黑色實線是實測的光強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度頻閃/防撞燈ELZS trobe K it緀, 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(jī)集成商及飛機(jī)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(jī)型及我國自主設(shè)計開發(fā)的某型飛機(jī)的外部照明系統(tǒng)。

從表1 可以看到, 在前期機(jī)型及其改進(jìn)型如A320、波音737等飛機(jī)上, 普遍采用傳統(tǒng)的照明技術(shù), 使用鹵素?zé)?、氙氣燈、H ID 燈等作為光源。而近年推出的新機(jī)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(jī)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(jìn)技術(shù)成果可以極大地提升飛機(jī)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(jī)。大型民用飛機(jī)項目作為提升產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的推進(jìn)器, 擔(dān)負(fù)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(jī)項目是一個非常有意義的研究課題。

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