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解密民用飞机的照明技术应用

http://www.led.hc360.com2015年11月04日09:31 来源:互联网T|T

    飞机照明(aircraftlighting)指飞机上用于照明座舱、发出灯光信号和照明着陆跑道的设备,分为机内照明和机外照明以及应急照明。固态光源技术的飞速发展为改进飞机照明带来了契机。

    背景简介

    民用飞机照明系统需要实现多种机内外照明功能,并严格符合适航规章的定量性能要求。着陆灯必须在跑道上提供足够的照度,使飞行员在进近、着陆、滑行等阶段能获取充分的地面信息。航行灯、防撞灯的光强值及其分布必须能够以标识飞机轮廓和飞行方向,给附近飞机飞行员提供目视参考,警示飞行员采取相应的避撞措施。

    这类系统安装在飞机表面的气动关键区域,结构复杂,空间相对紧张,需要考虑局部外形、安装空间、机械接口、重量等诸多因素。传统外部照明技术中常常采用体积大、寿命短、成本高的卤素灯,固态光源技术的飞速发展为改进外部照明带来了契机。

    现状与难点

    固态光源指发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、聚合物发光二极管(PLED)等采用半导体电致发光(EL)技术的光源,具有发光效率高、显色性好、色度可调、发光面积小便于集成、寿命长等优点,其中LED是当前光效最高、技术状态最成熟的固态光源。

    目前民用飞机外部照明已经大量采用LED,航行灯、探冰灯、标志灯、红光防撞灯等已经有成熟的LED产品。然而在成熟的航空照明产品中LED光源的应用方式类似于传统灯具,只是将传统的光源替代为LED,没有充分利用LED的特点和优势。此外,一些机载大功率照明设备仍未采用LED光源,如着陆灯、滑行灯、跑道转弯灯、白光防撞灯等。

    现有着陆灯、滑行灯、跑道转弯灯普遍采用HID灯为光源,利用高压气体放电发光,能满足高亮度、高照度的照明需求,并具有很好的抗振动性能。但其寿命只有约4000h,需要经常更换。此外,光源启辉时间很长,通常在启动15min后才能达到稳定的光输出。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,放电瞬间电缆内的大电流也增加了燃油系统的危险,且产生的电磁干扰较大,需要采取严格的屏蔽措施。由于光源的功率效率只有约40%,大部分电能转化为热辐射和紫外辐射,使灯具的工作温度很高,并影响安装区域的其他设备与结构。

    白光防撞灯通常采用氙气灯为光源,氙气灯的寿命也只有2000~3000h,维护频率高。作为脉冲工作的气体放电灯,氙气灯的起辉电压很高,工作电流大,对驱动电路要求高。常常采用大容量电解电容和变压电路,成本高,电解电容的寿命只有约4000h,需要经常更换。气体放电机理导致的瞬时大电流也带来了电磁干扰、燃油危险等问题。

    此外,部分外部照明设备安装在气动敏感区,着陆灯、跑道转弯灯通常安装在机翼翼根,受前缘缝翼的影响,安装空间紧张,左右白光防撞灯、航行灯安装在左右翼稍小翼,对于复合材料小翼,在小翼表面开孔影响小翼的强度,需要在结构上作局部加强,增加了结构重量与成本。随着超临界机翼的广泛应用,前缘厚度有所降低,灯具的安装难度加大,实现安装所需的结构代价很高。此外,由于在飞行过程中机翼会产生形变,如果结构支架刚度不够高,将在灯罩内产生应力,从而导致内部裂纹,甚至破损,不利于飞机安全飞行。

    应用优势

    在飞机照明领域,LED技术具有巨大的应用前景,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更可以实现客舱照明的情景化,为旅客提供轻松愉快的乘机环境;在外部照明中,采用LED光源可以提高系统的效率、可靠性、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。鉴于LED技术的固有优势,以及目前相关产品的性能差距,民用飞机外部照明中势必全面采用LED产品。

    目前民用飞机外部照明已经大量采用LED,航行灯、探冰灯、标志灯、红光防撞灯等已经有成熟的LED产品,并应用在B787、A350等先进机型上。然而在成熟航空照明产品中LED光源的应用方式类似于传统灯具,只是将光源替代为LED,没有充分利用LED的特点和优势。

    在翼尖航行灯、防撞灯的研发方面,Goodrich公司已经有了成熟的航行灯产品,并在研制LED防撞灯产品,均为独立的设备,安装接口与传统灯具类似。

    在着陆灯、滑行灯、跑道转弯灯等大功率、高光强设备的研发方面,全球主要照明设备供应商已经进行了相关研发,并推出了相应的LED产品。2009年,Honeywell公司推出其组合式LED着陆灯,采用LED阵列组合而成。

    组合式LED着陆灯在寿命、可靠性、维修性等方面都远优于现有的HID技术,具体的性能对比如下表1所示。通过表中参数对比得知,基于LED的照明设备在工作寿命、飞行循环、启动时间、频闪工作、线路安全和可靠性等方面都得到了极大的改善。

    固态照明设备的发展趋势具有功率逐渐增大、光效逐渐提高、电源效率逐渐提高的特征。在大功率固态照明设备设计方法上,集成化模块化设计技术的应用越来越广泛,进一步提高了设备的可靠性与维修性。

    在现有民机照明系统中,大功率着陆灯、滑行灯、跑道转弯灯、白光防撞灯等均未采用固态光源。外部照明系统性能直接影响飞行员的视觉能力及飞机的安全性,适航规章及相关工业标准对于着陆灯、防撞灯有明确的性能要求。尽管现有技术能在一定程度上满足适航性能要求,使用传统光源给系统级集成带来了诸多问题。正如上文所述,采用传统光源导致系统寿命短、安装空间紧张、维护频率高、电磁兼容性差、启辉时间长。

    固态光源技术为提高系统性能与集成优势带来了契机,从调研结果可以看到,各主要航空照明系统供应商已全面转入大功率固态光源应用技术,并研制了初具雏形的大功率组合式LED着陆灯。尽管该技术尚未应用于成熟机型,基于固态光源的固有优势和技术发展潜力,及其在系统集成上的显著优势,预期该技术将广泛应用于下一代民用飞机上。

    结语

    根据目前的技术现状及国内外发展趋势,大功率固态光源照明技术能显著提高机外照明整体性能。集成式着陆灯、翼尖航行防撞灯相对传统技术具有很大性能优势,能有效解决现有技术的接口定义、维护和安装问题。应用固态光源技术将极大地提高翼根着陆灯、翼尖航行防撞灯的集成方便性,能根据飞机外形的特征,优化局部布置,有效减小对外形、结构等的影响。固态照明集成设计技术有利于提高系统整体性能与飞机综合性能,降低运行与维护成本。

责任编辑:王辉

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