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解密民用飛機大功率固態光源照明技術應用

2015-11-03 來源:廣東LED

飛機照明(aircraft lighting)指飛機上用於照明座艙、發出燈光信號和照明著陸跑道的設備,分為機內照明和機外照明以及應急照明。固態光源技術的飛速發展為改進飛機照明帶來了契機。

背景簡介

民用飛機照明係統需要實現多種機內外照明功能,並嚴格符合適航規章的定量性能要求。著陸燈必須在跑道上提供足夠的照度,使飛行員在進近、著陸、滑行等階段能獲取充分的地麵信息。航行燈、防撞燈的光強值及其分布必須能夠以標識飛機輪廓和飛行方向,給附近飛機飛行員提供目視參考,警示飛行員采取相應的避撞措施。

這類係統安裝在飛機表麵的氣動關鍵區域,結構複雜,空間相對緊張,需要考慮局部外形、安裝空間、機械接口、重量等諸多因素。傳統外部照明技術中常常采用體積大、壽命短、成本高的鹵素燈,固態光源技術的飛速發展為改進外部照明帶來了契機。

現狀與難點

固態光源指發光二極管( LED) 、有機發光二極管( OLED) 、聚合物發光二極管( PLED) 等采用半導體電致發光( EL) 技術的光源,具有發光效率高、顯色性好、色度可調、發光麵積小便於集成、壽命長等優點,其中LED 是當前光效最高、技術狀態最成熟的固態光源。

目前民用飛機外部照明已經大量采用LED,航行燈、探冰燈、標誌燈、紅光防撞燈等已經有成熟的LED 產品。然而在成熟的航空照明產品中LED 光源的應用方式類似於傳統燈具,隻是將傳統的光源替代為LED,沒有充分利用LED 的特點和優勢。此外,一些機載大功率照明設備仍未采用LED 光源,如著陸燈、滑行燈、跑道轉彎燈、白光防撞燈等。

現有著陸燈、滑行燈、跑道轉彎燈普遍采用HID 燈為光源,利用高壓氣體放電發光,能滿足高亮度、高照度的照明需求,並具有很好的抗振動性能。但其壽命隻有約4 000 h,需要經常更換。此外,光源啟輝時間很長,通常在啟動15 min 後才能達到穩定的光輸出。由於采用高電壓供電,光源和供電電纜都具有一定的安全隱患,放電瞬間電纜內的大電流也增加了燃油係統的危險,且產生的電磁幹擾較大,需要采取嚴格的屏蔽措施。由於光源的功率效率隻有約40%,大部分電能轉化為熱輻射和紫外輻射,使燈具的工作溫度很高,並影響安裝區域的其他設備與結構。

白光防撞燈通常采用氙氣燈為光源,氙氣燈的壽命也隻有2 000 ~ 3 000 h,維護頻率高。作為脈衝工作的氣體放電燈,氙氣燈的起輝電壓很高,工作電流大,對驅動電路要求高。常常采用大容量電解電容和變壓電路,成本高,電解電容的壽命隻有約4 000 h,需要經常更換。氣體放電機理導致的瞬時大電流也帶來了電磁幹擾、燃油危險等問題。

此外,部分外部照明設備安裝在氣動敏感區,著陸燈、跑道轉彎燈通常安裝在機翼翼根,受前緣縫翼的影響,安裝空間緊張,左右白光防撞燈、航行燈安裝在左右翼稍小翼,對於複合材料小翼,在小翼表麵開孔影響小翼的強度,需要在結構上作局部加強,增加了結構重量與成本。隨著超臨界機翼的廣泛應用,前緣厚度有所降低,燈具的安裝難度加大,實現安裝所需的結構代價很高。此外,由於在飛行過程中機翼會產生形變,如果結構支架剛度不夠高,將在燈罩內產生應力,從而導致內部裂紋,甚至破損,不利於飛機安全飛行。

應用優勢

在飛機照明領域,LED 技術具有巨大的應用前景,采用LED 照明技術有助於提高飛機照明係統的整體性能。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,基於LED 顏色可調特性的情景照明更可以實現客艙照明的情景化,為旅客提供輕鬆愉快的乘機環境;在外部照明中,采用LED 光源可以提高係統的效率、可靠性、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 光源可以節省耗電,提高係統的壽命和可靠性。鑒於LED 技術的固有優勢,以及目前相關產品的性能差距,民用飛機外部照明中勢必全麵采用LED 產品。

目前民用飛機外部照明已經大量采用LED,航行燈、探冰燈、標誌燈、紅光防撞燈等已經有成熟的LED 產品,並應用在B787、A350 等先進機型上。然而在成熟航空照明產品中LED光源的應用方式類似於傳統燈具,隻是將光源替代為LED,沒有充分利用LED 的特點和優勢。

在翼尖航行燈、防撞燈的研發方麵,Goodrich 公司已經有了成熟的航行燈產品,並在研製LED 防撞燈產品,均為獨立的設備,安裝接口與傳統燈具類似。

在著陸燈、滑行燈、跑道轉彎燈等大功率、高光強設備的研發方麵,全球主要照明設備供應商已經進行了相關研發,並推出了相應的LED 產品。2009 年,Honeywell 公司推出其組合式LED 著陸燈,采用LED 陣列組合而成。

組合式LED 著陸燈在壽命、可靠性、維修性等方麵都遠優於現有的HID 技術,具體的性能對比如下表1 所示。通過表中參數對比得知,基於LED 的照明設備在工作壽命、飛行循環、啟動時間、頻閃工作、線路安全和可靠性等方麵都得到了極大的改善。

固態照明設備的發展趨勢具有功率逐漸增大、光效逐漸提高、電源效率逐漸提高的特征。在大功率固態照明設備設計方法上,集成化模塊化設計技術的應用越來越廣泛,進一步提高了設備的可靠性與維修性。

在現有民機照明係統中,大功率著陸燈、滑行燈、跑道轉彎燈、白光防撞燈等均未采用固態光源。外部照明係統性能直接影響飛行員的視覺能力及飛機的安全性,適航規章及相關工業標準對於著陸燈、防撞燈有明確的性能要求。盡管現有技術能在一定程度上滿足適航性能要求,使用傳統光源給係統級集成帶來了諸多問題。正如上文所述,采用傳統光源導致係統壽命短、安裝空間緊張、維護頻率高、電磁兼容性差、啟輝時間長。

固態光源技術為提高係統性能與集成優勢帶來了契機,從調研結果可以看到,各主要航空照明係統供應商已全麵轉入大功率固態光源應用技術,並研製了初具雛形的大功率組合式LED 著陸燈。盡管該技術尚未應用於成熟機型,基於固態光源的固有優勢和技術發展潛力,及其在係統集成上的顯著優勢,預期該技術將廣泛應用於下一代民用飛機上。

結 語

根據目前的技術現狀及國內外發展趨勢,大功率固態光源照明技術能顯著提高機外照明整體性能。集成式著陸燈、翼尖航行防撞燈相對傳統技術具有很大性能優勢,能有效解決現有技術的接口定義、維護和安裝問題。應用固態光源技術將極大地提高翼根著陸燈、翼尖航行防撞燈的集成方便性,能根據飛機外形的特征,優化局部布置,有效減小對外形、結構等的影響。固態照明集成設計技術有利於提高係統整體性能與飛機綜合性能,降低運行與維護成本。


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