解密民用飛機大功率固態(tài)光源照明技術(shù)應(yīng)用

　　飛機照明(aircraft lighting)指飛機上用于照明座艙、發(fā)出燈光信號和照明著陸跑道的設(shè)備，分為機內(nèi)照明和機外照明以及應(yīng)急照明。固態(tài)光源技術(shù)的飛速發(fā)展為改進(jìn)飛機照明帶來了契機。

　　背景簡介

　　民用飛機照明系統(tǒng)需要實現(xiàn)多種機內(nèi)外照明功能，并嚴(yán)格符合適航規(guī)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(jìn)近、著陸、滑行等階段能獲取充分的地面信息。航行燈、防撞燈的光強值及其分布必須能夠以標(biāo)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(yīng)的避撞措施。

　　這類系統(tǒng)安裝在飛機表面的氣動關(guān)鍵區(qū)域，結(jié)構(gòu)復(fù)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(tǒng)外部照明技術(shù)中常常采用體積大、壽命短、成本高的鹵素?zé)?，固態(tài)光源技術(shù)的飛速發(fā)展為改進(jìn)外部照明帶來了契機。

　　現(xiàn)狀與難點

　　固態(tài)光源指發(fā)光二極管( LED) 、有機發(fā)光二極管( OLED) 、聚合物發(fā)光二極管( PLED) 等采用半導(dǎo)體電致發(fā)光( EL) 技術(shù)的光源，具有發(fā)光效率高、顯色性好、色度可調(diào)、發(fā)光面積小便于集成、壽命長等優(yōu)點，其中LED 是當(dāng)前光效最高、技術(shù)狀態(tài)最成熟的固態(tài)光源。

　　目前民用飛機外部照明已經(jīng)大量采用LED，航行燈、探冰燈、標(biāo)志燈、紅光防撞燈等已經(jīng)有成熟的LED 產(chǎn)品。然而在成熟的航空照明產(chǎn)品中LED 光源的應(yīng)用方式類似于傳統(tǒng)燈具，只是將傳統(tǒng)的光源替代為LED，沒有充分利用LED 的特點和優(yōu)勢。此外，一些機載大功率照明設(shè)備仍未采用LED 光源，如著陸燈、滑行燈、跑道轉(zhuǎn)彎燈、白光防撞燈等。

　　現(xiàn)有著陸燈、滑行燈、跑道轉(zhuǎn)彎燈普遍采用HID 燈為光源，利用高壓氣體放電發(fā)光，能滿足高亮度、高照度的照明需求，并具有很好的抗振動性能。但其壽命只有約4 000 h，需要經(jīng)常更換。此外，光源啟輝時間很長，通常在啟動15 min 后才能達(dá)到穩(wěn)定的光輸出。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，放電瞬間電纜內(nèi)的大電流也增加了燃油系統(tǒng)的危險，且產(chǎn)生的電磁干擾較大，需要采取嚴(yán)格的屏蔽措施。由于光源的功率效率只有約40%，大部分電能轉(zhuǎn)化為熱輻射和紫外輻射，使燈具的工作溫度很高，并影響安裝區(qū)域的其他設(shè)備與結(jié)構(gòu)。

　　白光防撞燈通常采用氙氣燈為光源，氙氣燈的壽命也只有2 000 ～ 3 000 h，維護(hù)頻率高。作為脈沖工作的氣體放電燈，氙氣燈的起輝電壓很高，工作電流大，對驅(qū)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，電解電容的壽命只有約4 000 h，需要經(jīng)常更換。氣體放電機理導(dǎo)致的瞬時大電流也帶來了電磁干擾、燃油危險等問題。

　　此外，部分外部照明設(shè)備安裝在氣動敏感區(qū)，著陸燈、跑道轉(zhuǎn)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，對于復(fù)合材料小翼，在小翼表面開孔影響小翼的強度，需要在結(jié)構(gòu)上作局部加強，增加了結(jié)構(gòu)重量與成本。隨著超臨界機翼的廣泛應(yīng)用，前緣厚度有所降低，燈具的安裝難度加大，實現(xiàn)安裝所需的結(jié)構(gòu)代價很高。此外，由于在飛行過程中機翼會產(chǎn)生形變，如果結(jié)構(gòu)支架剛度不夠高，將在燈罩內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致內(nèi)部裂紋，甚至破損，不利于飛機安全飛行。

　　應(yīng)用優(yōu)勢

　　在飛機照明領(lǐng)域，LED 技術(shù)具有巨大的應(yīng)用前景，采用LED 照明技術(shù)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(dǎo)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(diào)特性的情景照明更可以實現(xiàn)客艙照明的情景化，為旅客提供輕松愉快的乘機環(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、安全性，為飛行員提供舒適、有效的視覺信息;在應(yīng)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。鑒于LED 技術(shù)的固有優(yōu)勢，以及目前相關(guān)產(chǎn)品的性能差距，民用飛機外部照明中勢必全面采用LED 產(chǎn)品。

　　目前民用飛機外部照明已經(jīng)大量采用LED，航行燈、探冰燈、標(biāo)志燈、紅光防撞燈等已經(jīng)有成熟的LED 產(chǎn)品，并應(yīng)用在B787、A350 等先進(jìn)機型上。然而在成熟航空照明產(chǎn)品中LED光源的應(yīng)用方式類似于傳統(tǒng)燈具，只是將光源替代為LED，沒有充分利用LED 的特點和優(yōu)勢。

　　在翼尖航行燈、防撞燈的研發(fā)方面，Goodrich 公司已經(jīng)有了成熟的航行燈產(chǎn)品，并在研制LED 防撞燈產(chǎn)品，均為獨立的設(shè)備，安裝接口與傳統(tǒng)燈具類似。

　　在著陸燈、滑行燈、跑道轉(zhuǎn)彎燈等大功率、高光強設(shè)備的研發(fā)方面，全球主要照明設(shè)備供應(yīng)商已經(jīng)進(jìn)行了相關(guān)研發(fā)，并推出了相應(yīng)的LED 產(chǎn)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、維修性等方面都遠(yuǎn)優(yōu)于現(xiàn)有的HID 技術(shù)，具體的性能對比如下表1 所示。通過表中參數(shù)對比得知，基于LED 的照明設(shè)備在工作壽命、飛行循環(huán)、啟動時間、頻閃工作、線路安全和可靠性等方面都得到了極大的改善。

　　固態(tài)照明設(shè)備的發(fā)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(tài)照明設(shè)備設(shè)計方法上，集成化模塊化設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，進(jìn)一步提高了設(shè)備的可靠性與維修性。

　　在現(xiàn)有民機照明系統(tǒng)中，大功率著陸燈、滑行燈、跑道轉(zhuǎn)彎燈、白光防撞燈等均未采用固態(tài)光源。外部照明系統(tǒng)性能直接影響飛行員的視覺能力及飛機的安全性，適航規(guī)章及相關(guān)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對于著陸燈、防撞燈有明確的性能要求。盡管現(xiàn)有技術(shù)能在一定程度上滿足適航性能要求，使用傳統(tǒng)光源給系統(tǒng)級集成帶來了諸多問題。正如上文所述，采用傳統(tǒng)光源導(dǎo)致系統(tǒng)壽命短、安裝空間緊張、維護(hù)頻率高、電磁兼容性差、啟輝時間長。

　　固態(tài)光源技術(shù)為提高系統(tǒng)性能與集成優(yōu)勢帶來了契機，從調(diào)研結(jié)果可以看到，各主要航空照明系統(tǒng)供應(yīng)商已全面轉(zhuǎn)入大功率固態(tài)光源應(yīng)用技術(shù)，并研制了初具雛形的大功率組合式LED 著陸燈。盡管該技術(shù)尚未應(yīng)用于成熟機型，基于固態(tài)光源的固有優(yōu)勢和技術(shù)發(fā)展?jié)摿?，及其在系統(tǒng)集成上的顯著優(yōu)勢，預(yù)期該技術(shù)將廣泛應(yīng)用于下一代民用飛機上。

　　結(jié) 語

　　根據(jù)目前的技術(shù)現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢，大功率固態(tài)光源照明技術(shù)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(tǒng)技術(shù)具有很大性能優(yōu)勢，能有效解決現(xiàn)有技術(shù)的接口定義、維護(hù)和安裝問題。應(yīng)用固態(tài)光源技術(shù)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(jù)飛機外形的特征，優(yōu)化局部布置，有效減小對外形、結(jié)構(gòu)等的影響。固態(tài)照明集成設(shè)計技術(shù)有利于提高系統(tǒng)整體性能與飛機綜合性能，降低運行與維護(hù)成本。