LED照明技術在飛機外部照明系統中的應用分析

隨著非成像光學設計技術的發展, 針對給定照度或給定光強分布的光學系統設計方法逐漸成熟,將這些方法與LED 的特點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 由于發光面積較大, 很難設計出合理的光學結構, 實現光強分布的優化, 而LED的優勢之一便是其方便的光學設計, 利用類似航標燈的設計方法[ 8] , 可以設計出滿足適航標準的航行燈系統。

( 3)顯色性好、顏色可調

由于可以通過調整熒光粉的成分改變發光光譜, 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 三類芯片的發光量, 從而調節整個模塊的發光色度, 實現在光源層上的光色調節, 理論上通過RGB 可以實現的色度范圍如圖4所示。因此, 使用RGB LED 可以方便地實現色坐標、色溫等參數的調節, 相對傳統光源來說, 這是一個很大的優勢, 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, 采用紅光LED 可以直接實現高性能的航空紅色, 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, 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, 提高了簽派可靠度。LED 光源在各種惡劣環境下也能正常工作, 不易損壞, 相較于傳統光源降低了故障發生率, 從而提高了使用壽命, 降低了運營成本。

( 5)響應速度快

LED光源的響應時間在納秒量級, 響應速度快,且在脈沖驅動下LED 的壽命并不受影響, 這個優點使得LED光源可以用脈寬調制( PWM )的方式驅動,實現亮度的方便控制, 應用于顯示、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, 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, 在高振動強度的環境中容易損壞, 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, 內部沒有易燃易爆的物質, 不會產生燈具過熱或自爆等問題, 可用于易燃、易爆、水下等環境中。在傳統照明中, 著陸/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, 采用這類光源時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

利用LED照明技術提高外部照明系統性能是飛機照明技術的一個新的研究方向, LED外部照明技術發展較晚, 但發展速度飛快, Boeing、He lla等公司相繼開發出LED 航行燈產品并申請了多個相關專利[ 9、10] 。2003年Honeyw ell公司開發出Astreon系列LED航行燈[ 11] , 由于采用先進的光學設計方法, Astreon LED航行燈能很好地滿足適航標準, 已經代替鹵素燈成為Honeyw ell航行燈的主流產品。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, 黑色虛線是根據設計結構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的相應規范, 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/滑行轉彎燈用2個LED 代替, 從而簡化了外部照明系統, 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發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型如A320、波音737等飛機上, 普遍采用傳統的照明技術, 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上已經采用了先進的LED照明技術, 波音787 更是大量采用LED 照明技術,除著陸/滑行燈、跑道轉彎燈外其余均采用LED光源。

6、結論

從對LED照明技術的分析中可以看到LED 光源在效率、光學設計靈活性、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。

與傳統照明技術相比, LED 照明技術具有其自身的技術優勢, 其光學設計、散熱設計、驅動電路設計等關鍵技術都與傳統照明技術截然不同, 國內外的高校、研究所及公司對這些問題都已經有了深入的研究并取得了豐碩的成果, 應用這些先進技術成果可以極大地提升飛機外部照明系統的性能。

LED照明技術正處在飛速發展的時期, 這次照明技術變革為提高我國照明產業的競爭力提供了契機。大型民用飛機項目作為提升產業結構的推進器, 擔負了提升產業領航者的使命, 如何將LED 照明技術應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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