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

引言

飛機照明是照明技術(shù)在航空飛行技術(shù)上的一個重要分支, 各時期的飛機照明技術(shù)在一定程度上反映了照明技術(shù)的特點。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, 鹵素燈開始出現(xiàn)并應(yīng)用于飛機照明系統(tǒng)中, 由于內(nèi)部的鹵素氣體與鎢絲發(fā)生可逆的化學反應(yīng), 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(xiàn)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(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)在飛機照明系統(tǒng)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, 成為著陸燈、滑行燈、跑道轉(zhuǎn)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(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, 也是先進飛機照明技術(shù)的必然趨勢。

1、飛機外部照明系統(tǒng)的發(fā)展簡介

飛機外部照明系統(tǒng)指的是飛機照明系統(tǒng)中用于提供外部照明的部分, 是飛機照明的一個重要組成部分, 保證了飛機在起飛、巡航、著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(tǒng)非常簡陋, 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(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)進行了改進, 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] 。隨著飛機數(shù)量的增多, 飛機的空間密度越來越大, 為使飛行員及時發(fā)現(xiàn)鄰近飛機,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(yīng)顏色的燈罩得到。后來又有設(shè)計人員提出了高強度頻閃的防撞/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。經(jīng)過長期的發(fā)展, 飛機外部照明系統(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、標志燈等,各類燈具獨立或相互配合實現(xiàn)各種功能, 飛機外部照明系統(tǒng)布局如圖1所示。

2、飛機外部照明系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)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(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), 因此還必須在鹵素燈外加相應(yīng)顏色的濾光罩, 其結(jié)構(gòu)復雜且效率低; 標志燈、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115VAC的供電系統(tǒng)上需要增加復雜的升壓驅(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、鹵素燈及H ID 燈的飛機外部照明系統(tǒng)存在效率低、驅(qū)動復雜、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。

半導體發(fā)光技術(shù)始于上世紀初, 1907年科學家首次發(fā)現(xiàn)半導體材料發(fā)光現(xiàn)象, 引起了對半導體發(fā)光機制的研究。1962年N ick Ho lonyak 發(fā)明了第一個發(fā)光二極管( LED ), 而后隨著技術(shù)和工藝的進步,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(jié)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)有助于提高飛機照明系統(tǒng)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(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)用于飛機外部照明的優(yōu)勢

飛機外部照明的特點是功率高、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(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, 為改進飛機外部照明系統(tǒng)提供了契機。

( 1)高效、節(jié)能

航行燈普遍采用的鹵素燈發(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)達到120 lm /W 以上, 且發(fā)光效率理論上可以達到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)先進的光學設(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設(shè)計非常復雜, 缺乏有效的設(shè)計方法, 而飛機外部照明系統(tǒng)對光分布的要求很高, 采用大面積光源時燈具的光學結(jié)構(gòu)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, 近似點光源, 在實際應(yīng)用中, 可以根據(jù)機外照明系統(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結(jié)構(gòu), 將這類光學結(jié)構(gòu)和LED光源相結(jié)合能得到高性能的照明燈具。圖3是清華大學集成光電子國家重點實驗室羅毅教授領(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

常用的鹵素燈的使用壽命在2 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燈由于內(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, 當附近有可燃氣體時會導致災難性的危險。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設(shè)計方法, As􀀁treon LED航行燈能很好地滿足適航標準, 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 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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