LED照明技术在飞机外部照明系统中的应用分析

随着非成像光学设计技术的发展, 针对给定照度或给定光强分布的光学系统设计方法逐渐成熟,将这些方法与LED 的特点相结合能够设计出高性能的LED外部照明系统。以航行灯为例, 适航标准规定了各角度的最小光强分布, 白炽灯、H ID 由于发光面积较大, 很难设计出合理的光学结构, 实现光强分布的优化, 而LED的优势之一便是其方便的光学设计, 利用类似航标灯的设计方法[ 8] , 可以设计出满足适航标准的航行灯系统。

( 3)显色性好、颜色可调

由于可以通过调整荧光粉的成分改变发光光谱, 白光LED可以做到很高的显色性能, 在应用中还可以定制不同色度的LED以适应不同照明场合的需要。在使用RGB 组合封装的LED模块中, 分别改变各芯片的电流, 调节RGB 三类芯片的发光量, 从而调节整个模块的发光色度, 实现在光源层上的光色调节, 理论上通过RGB 可以实现的色度范围如图4所示。因此, 使用RGB LED 可以方便地实现色坐标、色温等参数的调节, 相对传统光源来说, 这是一个很大的优势, 高显色性能有效提高视觉的舒适性及视觉效率, 给飞行员提供高效的视觉信息, 同时, 根据外部照明各部分的功能需要, 可以配置不同色度的光, 提高视觉效率, 如对于防撞灯系统, 采用红光LED 可以直接实现高性能的航空红色, 避免了红光灯罩带来的各种不利影响。

( 4)使用寿命长

常用的卤素灯的使用寿命在2 000h 以内, H ID灯的使用寿命约3 000h, 而LED 寿命可达到10万小时以上, 采用LED光源的灯具的寿命可达2万小时以上, 因此在飞机运营过程中更换较少, 减少了维修次数, 提高了签派可靠度。LED 光源在各种恶劣环境下也能正常工作, 不易损坏, 相较于传统光源降低了故障发生率, 从而提高了使用寿命, 降低了运营成本。

( 5)响应速度快

LED光源的响应时间在纳秒量级, 响应速度快,且在脉冲驱动下LED 的寿命并不受影响, 这个优点使得LED光源可以用脉宽调制( PWM )的方式驱动,实现亮度的方便控制, 应用于显示、情景照明等场合。外部照明中的频闪灯、防撞灯等都要求一定的闪光频率( 40~ 100次/m in) , 由于气体放电灯发光原理上的原因, 现在使用的氙气灯在频闪的条件下寿命很短,而采用LED 光源后, 由于LED的寿命很长, 且不受脉冲工作的影响, 灯具的寿命将有很大提高。

( 6)高可靠性

传统外部照明采用的卤素灯由于内含灯丝, 在高振动强度的环境中容易损坏, LED 光源没有活动部件和易损坏部件(如灯丝等) , 抗振动性能好, 可以用于强振动场合。而且LED的工作温度较低, 内部没有易燃易爆的物质, 不会产生灯具过热或自爆等问题, 可用于易燃、易爆、水下等环境中。在传统照明中, 着陆/滑行灯、跑道转弯灯、频闪灯等普遍采用高电压工作的气体放电灯, 采用这类光源时电缆内的瞬间高电流冲击可能引起电火花, 当附近有可燃气体时会导致灾难性的危险。而LED 光源为恒流源, 因此不会引起类似的危险。

5、国外先进民机的外部照明技术

利用LED照明技术提高外部照明系统性能是飞机照明技术的一个新的研究方向, LED外部照明技术发展较晚, 但发展速度飞快, Boeing、He lla等公司相继开发出LED 航行灯产品并申请了多个相关专利[ 9、10] 。2003年Honeyw ell公司开发出Astreon系列LED航行灯[ 11] , 由于采用先进的光学设计方法, Astreon LED航行灯能很好地满足适航标准, 已经代替卤素灯成为Honeyw ell航行灯的主流产品。2009年全美航空公司( US A irways)与Honeyw ell合作将其所有机型的航行灯改装成LED 航行灯, 图5是该航行灯的光强分布图[ 12] , 图中灰色实线是FAR25规定的前航行灯需要满足的二面角光强分布, 黑色虚线是根据设计结构仿真得到的光强分布, 而黑色实线是实测的光强分布, 可以看到使用LED光源的航行灯能很好地符合FAR25的相应规范, 且基本上不存在掺入光强的问题。近期由于LED效率的提高以及散热管理技术的提高, LED频闪灯、着陆灯/滑行灯等也取得了重大突破, Tekt ite推出了高强度频闪/防撞灯ELZS trobe K ite, Honeyw ell、Goodrich等公司都纷纷推出高亮度、长距离的LED 着陆灯, 将原来的6个滑行/着陆/滑行转弯灯用2个LED 代替, 从而简化了外部照明系统, 降低了外部照明的功率消耗, 并极大地提高了外部照明系统的可靠性。

近年来全球各飞机集成商及飞机照明系统供应商都争相研究LED 照明技术的应用。表1分析了两大商用航空巨头波音、空客的主流机型及我国自主设计开发的某型飞机的外部照明系统。

从表1 可以看到, 在前期机型及其改进型如A320、波音737等飞机上, 普遍采用传统的照明技术, 使用卤素灯、氙气灯、H ID 灯等作为光源。而近年推出的新机型如A380上已经采用了先进的LED照明技术, 波音787 更是大量采用LED 照明技术,除着陆/滑行灯、跑道转弯灯外其余均采用LED光源。

6、结论

从对LED照明技术的分析中可以看到LED 光源在效率、光学设计灵活性、显色性、寿命等方面都具有传统光源不可比拟的优势, 在飞机照明系统中具有很大的应用潜力, 利用LED 现有技术能够设计出契合颜色、光分布等各方面要求的外部照明设备。

与传统照明技术相比, LED 照明技术具有其自身的技术优势, 其光学设计、散热设计、驱动电路设计等关键技术都与传统照明技术截然不同, 国内外的高校、研究所及公司对这些问题都已经有了深入的研究并取得了丰硕的成果, 应用这些先进技术成果可以极大地提升飞机外部照明系统的性能。

LED照明技术正处在飞速发展的时期, 这次照明技术变革为提高我国照明产业的竞争力提供了契机。大型民用飞机项目作为提升产业结构的推进器, 担负了提升产业领航者的使命, 如何将LED 照明技术应用于大型民用飞机项目是一个非常有意义的研究课题。

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