LED照明技術在飛機外部照明系統(tǒng)中的應用分析

引言

飛機照明是照明技術在航空飛行技術上的一個重要分支, 各時期的飛機照明技術在一定程度上反映了照明技術的特點。光源是照明技術的核心, 其變革推動了照明技術的發(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, 內置特殊反射結構, 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)并應用于飛機照明系統(tǒng)中, 由于內部的鹵素氣體與鎢絲發(fā)生可逆的化學反應, 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用于內部照明。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, 驅動電源比較復雜, 產生的電磁干擾較大, 需要采取嚴格的屏蔽措施, 且功率效率只有約40%, 大部分電能轉化為熱輻射和紫外輻射。

LED照明技術是近年來出現(xiàn)的新型照明技術,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) , 具有低電壓驅動、發(fā)光效率高、顯色性好、色度可調、體積小便于集成、壽命長等優(yōu)勢, 代表照明技術的發(fā)展方向, 也是先進飛機照明技術的必然趨勢。

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對鎢絲燈的結構進行了改進, 在燈的內部增加了反射結構, 設計出了聚光性能好、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)的航行燈結構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顏色的燈罩得到。后來又有設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構, 因此還必須在鹵素燈外加相應顏色的濾光罩, 其結構復雜且效率低; 標志燈、著陸/滑行燈、跑道轉彎燈等通常采用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 ] , 放電瞬間在電纜內產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、跑道轉彎燈時也不能有效解決照度均勻性的問題, 且結構復雜, 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、驅動復雜、響應速度慢、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, 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)引起了照明領域的一次新變革。

半導體發(fā)光技術始于上世紀初, 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 基異質結藍光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 照明技術已經(jīng)廣泛應用于路燈、LCD 大屏幕電視及筆記本背光源、汽車照明、景觀照明等領域。

在飛機照明領域, LED 照明技術具有巨大的應用潛力, 采用LED 照明技術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 照明技術應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, 對技術的要求較高, 從前文的分析中可以看出傳統(tǒng)照明技術不能有效滿足外部照明的要求, 而LED 照明技術具有很多傳統(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計非常復雜, 缺乏有效的設計方法, 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構復雜, 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計方法設計的透鏡或反光碗的光學結構, 將這類光學結構和LED光源相結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導的研究小組提出的三維自由曲面非成像光學設計方法, 這一方法能有效解決給定三維照度的透鏡設計[ 6] - [ 7 ] 。