LED照明技术在飞机外部照明系统中的应用分析

引言

飞机照明是照明技术在航空飞行技术上的一个重要分支, 各时期的飞机照明技术在一定程度上反映了照明技术的特点。光源是照明技术的核心, 其变革推动了照明技术的发展。1879 年爱迪生发明了第一代电光源——白炽灯, 1908年可实用化的钨丝灯面世, 开启了电气照明的时代, 最初的飞机照明采用钨丝灯, 内置特殊反射结构, 由于钨丝高温蒸发的原因, 寿命只有约1 000h, 需要经常更换, 且发光效率仅10~ 20 lm /W。1960年后, 卤素灯开始出现并应用于飞机照明系统中, 由于内部的卤素气体与钨丝发生可逆的化学反应, 抑制了钨丝的蒸发, 卤素灯的寿命提高到2 000h, 发光效率约20~ 33 lm /W,性能相对普通的白炽灯有较大提高, 目前航行灯仍普遍采用卤素灯作为光源。第二代光源荧光灯出现于1940年, 效率约50~ 80 lm /W, 寿命5 000h, 但光强较小, 在飞机照明中主要应用于内部照明。1991年第三代光源H ID 灯(高压氙气灯)开始出现在飞机照明系统中, H ID灯发光效率达80~ 100 lm /W, 是卤素灯的4 倍, 寿命约3 000h, 成为着陆灯、滑行灯、跑道转弯灯、标志灯等高光强外部照明灯具的通用光源。H ID灯利用高压气体放电发光, 具有很好的抗振动性能, 但由于采用高电压供电, 光源和供电电缆都具有一定的安全隐患, 驱动电源比较复杂, 产生的电磁干扰较大, 需要采取严格的屏蔽措施, 且功率效率只有约40%, 大部分电能转化为热辐射和紫外辐射。

LED照明技术是近年来出现的新型照明技术,它采用第四代光源——半导体电致发光光源( L ightEm itting D iode, 简称LED) , 具有低电压驱动、发光效率高、显色性好、色度可调、体积小便于集成、寿命长等优势, 代表照明技术的发展方向, 也是先进飞机照明技术的必然趋势。

1、飞机外部照明系统的发展简介

飞机外部照明系统指的是飞机照明系统中用于提供外部照明的部分, 是飞机照明的一个重要组成部分, 保证了飞机在起飞、巡航、着陆等运行阶段的安全性。在航空技术初期, 飞机外部照明系统非常简陋, 为了保证飞机在不同气候条件下的正常飞行,对飞机外部照明系统的要求也逐渐提高。1921年L. C. We inberg 首先提出着陆/滑行灯的设想[ 1 ] ,1925年航空照明之父W arren G rimes采用钨丝灯作为光源, 为福特T ri- mo tor飞机开发出第一款着陆/滑行灯, 由于钨丝灯发出的光线比较分散, G rimes对钨丝灯的结构进行了改进, 在灯的内部增加了反射结构, 设计出了聚光性能好、更适用于着陆/滑行灯的特种钨丝灯[ 2] 。随着飞机数量的增多, 飞机的空间密度越来越大, 为使飞行员及时发现邻近飞机,避免相撞, G rimes提出了红- 绿- 白三色灯系统的航行灯结构来标志飞机的轮廓及航行方向, 红、绿两种颜色灯由钨丝灯加相应颜色的灯罩得到。后来又有设计人员提出了高强度频闪的防撞/频闪灯系统,它与航行灯协同工作, 使飞行员能在高速飞行情况下及时发现附近飞机。经过长期的发展, 飞机外部照明系统已渐趋完善, 具体包括着陆/滑行灯、跑到转弯灯、航行灯、防撞灯/频闪灯、探冰灯、标志灯等,各类灯具独立或相互配合实现各种功能, 飞机外部照明系统布局如图1所示。

2、飞机外部照明系统的技术现状

目前, 飞机的外部照明主要采用白炽灯、HID灯、氙气灯等光源。航行灯、探冰灯通常采用白炽灯或卤素灯, 由于寿命较短、发光效率低, 且内含灯丝在高振动环境中经常损坏, 而且航行灯采用左红右绿的结构, 因此还必须在卤素灯外加相应颜色的滤光罩, 其结构复杂且效率低; 标志灯、着陆/滑行灯、跑道转弯灯等通常采用H ID 灯, HID 灯发光强度大、效率较高, 能满足高亮度、高照度的照明需求, 但启动时间很长, 通常在启动15m in后才能达到稳定的光输出, 寿命只有约4 000h, 需要经常更换, HID灯在飞机115VAC的供电系统上需要增加复杂的升压驱动电路才能使用, 从而降低了系统的效率, 增加了飞机的载荷, 且加重了对其他系统的电磁干扰,HID灯、白炽灯及卤素灯的红外辐射使灯具的工作温度很高, 对安装也有较高的要求; 频闪灯/防撞灯通常采用氙气灯, 工作原理与H ID 灯相似但不完全相同, 会引起电磁干扰等类似问题[ 3 ] , 放电瞬间在电缆内产生的大电流也增加了燃油系统的危险[ 4] 。

在闪光工作下氙气灯的寿命更加有限, 目前普遍采用的红光防撞灯, 需在白光氙气灯外加红色灯罩实现红光, 因此效率很低, 且红色灯罩的透光特性不稳定, 受温度的影响很大[ 5 ] 。在实现特定区域或特定光分布照明上, 白炽灯、卤素灯及H ID 灯都不能非常高效地达到目的, 而且当白炽灯或卤素灯用作航行灯时也不能非常好地满足航行灯二面角的光分布要求, 存在相互掺入光强的问题; H ID 灯用作着陆灯/滑行灯、跑道转弯灯时也不能有效解决照度均匀性的问题, 且结构复杂, 需要安装多个灯具来实现着陆功能。

由此可见, 采用白炽灯、卤素灯及H ID 灯的飞机外部照明系统存在效率低、驱动复杂、响应速度慢、寿命短、存在安全隐患、可靠性低等缺点, 不能提供高效率、高安全性、高可靠性的外部照明。

3、LED照明技术的飞速发展

LED照明是利用半导体材料电流注入发光的新型照明技术, 核心的发光器件为半导体材料发光二极管( LED ), 又称固态光源, 大功率白光LED 的出现引起了照明领域的一次新变革。

半导体发光技术始于上世纪初, 1907年科学家首次发现半导体材料发光现象, 引起了对半导体发光机制的研究。1962年N ick Ho lonyak 发明了第一个发光二极管( LED ), 而后随着技术和工艺的进步,LED的发光效率也不断提高, 但发光频率仅限于红外、红光等波段。直到1993年日本的N ich ia公司率先制备出功率效率达10% 的GaN 基异质结蓝光LED, 并利用蓝光LED + 黄光荧光粉的封装形式于1997年首次得到了白光LED, 发光效率约10lm /W,此后有关研究人员分别通过RGB 三色LED 组合及紫外LED + 荧光粉的方式获得高显色性能的白光[ 6 ] , 照明光源的发展历程如图2所示。

近几年在强大的政策和资金推动下, LED 照明技术发展迅速, 在过去的短短几年中白光LED的效率不断提高, 逐渐超过白炽灯、荧光灯、H ID 灯等,C ree公司大功率白光LED 的功率效率实验室数值已接近50% , 发光效率可达161lm /W, 产业化的大功率白光LED 的发光效率也已超过荧光灯及H ID灯, 达到120 lm /W 以上, 目前LED 照明技术已经广泛应用于路灯、LCD 大屏幕电视及笔记本背光源、汽车照明、景观照明等领域。

在飞机照明领域, LED 照明技术具有巨大的应用潜力, 采用LED 照明技术有助于提高飞机照明系统的整体性能。在驾驶舱照明中, LED 导光板、顶灯/泛光灯可以提供具有高人- 机功效的显示仪表和低疲劳的视觉环境; 在客舱照明中, LED 泛光灯、阅读灯等可以提高机舱的舒适度, 基于LED颜色可调特性的情景照明(Mood Light ing)更可以实现客舱照明的情景化, 为旅客提供轻松娱乐的乘机环境; 在外部照明中, 采用LED 光源可以提高系统的效率、可靠性和安全性, 为飞行员提供舒适、有效的视觉信息; 在应急照明中使用LED 光源可以节省耗电, 提高系统的寿命和可靠性。

4、LED 照明技术应用于飞机外部照明的优势

飞机外部照明的特点是功率高、光分布要求严格、环境恶劣, 对技术的要求较高, 从前文的分析中可以看出传统照明技术不能有效满足外部照明的要求, 而LED 照明技术具有很多传统照明所不具备的优势, 为改进飞机外部照明系统提供了契机。

( 1)高效、节能

航行灯普遍采用的卤素灯发光效率只有20~33 lm /W, 着陆灯、滑行灯及跑道转弯灯常用的H ID氙气灯发光效率也只有80~ 100 lm /W。而大功率白光LED发光效率已经达到120 lm /W 以上, 且发光效率理论上可以达到283 lm /W, 随着技术与工艺水平的提高仍有很大的提升空间。采用LED 光源的外部照明系统将节省至少20% 的电能, 大大降低了电源系统的载荷。

( 2)先进的光学设计

发光面积小是LED的重要特点, 传统的白炽灯灯丝长, 气体放电灯的气体放电区域很大, 因此发光面积都比较大, 大面积光源的照明光学设计非常复杂, 缺乏有效的设计方法, 而飞机外部照明系统对光分布的要求很高, 采用大面积光源时灯具的光学结构复杂, 光利用率很低。1W 大功率LED发光芯片为1mm 􀀁 1mm 􀀁 0. 1mm, 封装后的LED 发光面积也只有约1. 5mm 􀀁 1. 5mm, 发光面积非常小, 近似点光源, 在实际应用中, 可以根据机外照明系统中各类灯的具体照明要求, 通过成熟的非成像设计方法设计的透镜或反光碗的光学结构, 将这类光学结构和LED光源相结合能得到高性能的照明灯具。图3是清华大学集成光电子国家重点实验室罗毅教授领导的研究小组提出的三维自由曲面非成像光学设计方法, 这一方法能有效解决给定三维照度的透镜设计[ 6] - [ 7 ] 。

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, As􀀁treon 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 it緀, 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。

更多资讯请关注：21ic照明频道