LED在民用飛機儀表板泛光照明中的應(yīng)用*

黃 瑜 林燕丹 姚 其 孫耀杰

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進照明技術(shù)教育部工程研究中心，上海 200433)

1 引言

儀表板泛光照明是飛機駕駛艙照明的重要組成部分。飛機駕駛艙照明系統(tǒng)，主要是指通過對頂部板、儀表板、中央操縱臺等區(qū)域的泛光照明設(shè)計以及飛行機組所需的局部照明設(shè)計，為飛行人員創(chuàng)造一個良好的視覺環(huán)境。儀表板泛光照明系統(tǒng)的合理設(shè)計涉及較多的實際工程問題，例如從人體工效學(xué)的角度要保證飛行員不易疲勞，而且保持較高的視覺績效，從電氣和機械的角度要做到符合駕駛艙應(yīng)用要求等等。其中照明光源的選用是一個比較突出的問題。在過去，傳統(tǒng)光源主導(dǎo)了民用飛機儀表板泛光照明的應(yīng)用。而LED作為世界上最先進的照明光源之一，其發(fā)展已經(jīng)受到了各國的重視。一些廠商已經(jīng)嘗試把LED引入到飛機駕駛艙照明中。然而，關(guān)于LED在民用飛機儀表板泛光照明中的應(yīng)用，還有很多值得研究的課題，包括其可行性如何、具體參數(shù)應(yīng)該怎樣選取等等。儀表板泛光照明布局見圖1。

圖1 儀表板泛光照明布局

2 民用飛機儀表板泛光照明的指標(biāo)和相關(guān)要求

總的來說，飛機駕駛艙照明系統(tǒng)的合理設(shè)計與布局要注重功能性與舒適性，旨在為飛行員創(chuàng)造一個良好舒適的視覺環(huán)境，對于飛行安全具有重要作用。各部分的燈具選擇和布局設(shè)計必須滿足特定的要求。針對儀表板泛光照明，主要看它的暗適應(yīng)性、視覺效果、判讀準(zhǔn)確性［1］。相應(yīng)地，必須根據(jù)實際情況對照明光色、亮度 (由背光和泛光照明共同提供)、照度等指標(biāo)提出具體的要求。涉及這些要求的標(biāo)準(zhǔn)可分為國外和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)兩類。其中，國外的常用標(biāo)準(zhǔn)有美國機動車工程師學(xué)會標(biāo)準(zhǔn) (SAE)和美國軍用標(biāo)準(zhǔn) (MIL)，國內(nèi)則為航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(HB)和國軍標(biāo) (GJB)?？v觀飛機發(fā)展的歷史，人們選作儀表板泛光照明的光色主要有紅光、白光、藍(lán)白光和夜視綠［2］。究竟選用什么光色，主要取決于飛機的用途，同時還要考慮飛行速度、高度、駕駛員人機工效等方面的因素。目前主流的民用飛機普遍采用藍(lán)白光 (如空客公司產(chǎn)品)和白光體制 (如波音公司產(chǎn)品)。而涉及亮度和照度的標(biāo)準(zhǔn)較多 (如 SAE的ARP4103、AS7788等)，對具體指標(biāo)的推薦也不盡相同［3～9］。對這些標(biāo)準(zhǔn)整理如表 1所示。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)對儀表板泛光照明的要求

3 LED應(yīng)用于飛機儀表板泛光照明的優(yōu)勢和問題

3.1 LED應(yīng)用于飛機儀表板泛光照明的優(yōu)勢

就駕駛艙照明應(yīng)用而言，LED較傳統(tǒng)光源具有不少的優(yōu)點。比如LED的功率較低，一般在0.03～1W，有利于飛機節(jié)能;LED可以做到無紅外線輻射，不會干擾某些機載設(shè)備的工作;LED是固態(tài)光源，不像白熾燈那樣有脆弱的燈絲，因此抗震性較強，適于較為惡劣的飛行條件。同時，由于工作穩(wěn)定性高帶來的飛機照明系統(tǒng)故障率的大幅降低，都使得飛機的維護成本減少。LED在這些方面的卓越性能引起了相關(guān)機構(gòu)的密切關(guān)注，比如美國聯(lián)邦航空委員會 (FAA)已經(jīng)就LED在航空領(lǐng)域的應(yīng)用問題開展了深入的討論和研究。

3.2 LED應(yīng)用于飛機儀表板泛光照明的問題

應(yīng)該說把LED應(yīng)用于飛機駕駛艙還是一個新的話題。無論是新型的民航客機如 A380、B787等使用LED作為駕駛艙照明光源，還是對原來使用傳統(tǒng)光源的機型進行改造，在一定程度上也是一種嘗試。把LED應(yīng)用于儀表板泛光照明還需要進一步的研究。比如，如何根據(jù)駕駛員的實際需要來選擇光源的亮度和色溫;如何減少反光、防止各種眩光和視覺疲勞;目前駕駛艙照明主要表現(xiàn)為LED、鹵素?zé)艉蜔晒鉄艄泊妫?0］，其中 LED是使用直流電源 (電流)控制，而鹵素?zé)艉蜔晒鉄羰请妷嚎刂?(交流)，所以在使用LED照明的時候也對照明電力控制系統(tǒng)提出了較高的要求。同時，LED作為新興的照明光源，其本身的特性也有待提高。例如隨著功率的增加，LED燈具散熱也會更困難，導(dǎo)致其壽命降低。

4 LED儀表板泛光燈的應(yīng)用實例

某機型采用了一款LED燈具為儀表板提供泛光照明。這款燈具的外觀如圖 2所示。整體形狀近似于長方體，長度，寬度和厚度分別約為7cm，4cm和3cm。它的光源為48顆小功率的白光LED，燈具總體質(zhì)量不超過140g。為配合飛機供電系統(tǒng)使用，這款燈具的工作電壓為28V直流電，工作電流約為120mA。為保證駕駛艙照明整體協(xié)調(diào)、舒適，同時能適用于不同的場景，設(shè)計者還在燈具上添加了調(diào)光功能。據(jù)悉該款燈具的標(biāo)稱壽命達到10000小時以上。光學(xué)特性方面，燈具出光不對稱，主要分布在法線單側(cè)45°內(nèi) (如圖 3)，且該范圍內(nèi)最小光強為35cd。此外，由于該款燈具形狀普通、安裝方便，也可以作為頂部板、斷路器板泛光燈等使用。

圖2 某儀表板泛光燈外觀

圖3 某儀表板泛光燈出光分布

5 LED儀表板泛光燈的設(shè)計

從圖1中儀表板泛光照明的布局情況我們可以看到，儀表板泛光燈一般安裝在儀表的側(cè)上方，因此要求燈具朝向單側(cè)出光。同時，由于燈具和儀表板被照面的側(cè)向距離相對于儀表板的高度來說比較小，在光學(xué)設(shè)計上屬于近場問題。這些因素都導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和光學(xué)設(shè)計成為儀表板泛光燈設(shè)計的難點。至于熱學(xué)和電學(xué)設(shè)計，儀表板泛光燈與其他類型的燈具相比并沒有太大的區(qū)別。

根據(jù)實際情況，取燈具和儀表板被照面的側(cè)向距離為5cm，儀表板的高度為15cm，結(jié)合各標(biāo)準(zhǔn)對儀表板泛光照明的要求，可以列出儀表板泛光燈的光學(xué)設(shè)計目標(biāo)如表2所示。其中光輸出要求可實現(xiàn)從最暗到最亮狀態(tài)的調(diào)節(jié)。

表2 儀表板泛光燈光學(xué)設(shè)計目標(biāo)性能

根據(jù)目標(biāo)性能要求，本文選用某款功率為1W的大功率白光LED兩顆 (其光效為65lm@350mA，配光為朗伯型)，并提出一個可能的設(shè)計方案，其光強分布和照明效果分別如圖4和圖5所示?？梢娫谧盍翣顟B(tài)下，照射在儀表板上的光通量為53.6lm，均勻度良好，各項指標(biāo)均達到要求。

圖4 光學(xué)設(shè)計方案光強分布

圖5 光學(xué)設(shè)計方案照明效果

6 結(jié)語

作為一種新興光源，LED正在逐步滲透到照明的每一個角落。對于LED在民用飛機儀表板泛光照明中的應(yīng)用，還有很多實際問題值得研究和探索。本文從民用飛機儀表板泛光照明的基本要求出發(fā)，結(jié)合LED光源本身的特性，剖析了LED應(yīng)用于民用飛機儀表板泛光照明的優(yōu)勢和問題。在實際應(yīng)用中，光學(xué)設(shè)計是儀表板泛光照明的難點。本文設(shè)計了一種可能的方案，其光學(xué)性能較好地達到了儀表板泛光照明的要求。

［1］陳方虎，岳紅萍.飛機座艙導(dǎo)光板照明 ［J］.電子機械工程，2004(4)，pp.12～14.

［2］蔣楓，汪慧麗.飛機駕駛艙照明的工程心理分析與工程設(shè)計實踐 ［J］.航空標(biāo)準(zhǔn)化，1980(5).pp.1～3.

［3］SAE ARP4103.FlightDeck Lighting for Commercial Transport Aircraft.2003.

［4］SAE AS7788.Panels，Information，Integrally Illuminated.

［5］SAE ARP1048 REV. A. Instrument and Cockpit Illumination for General Aviation Aircraft.2000.

［6］SAE ARP582. Lighting， Integral， For Aircraft Instruments:Criteria forDesign ofRed Incandescent Lighted Instruments.2001.

［7］GJB 455—88.飛機座艙照明基本技術(shù)要求及測試方法.

［8］GJB1394—92.與夜視成象系統(tǒng)兼容的飛機內(nèi)部照明.

［9］HB6491—91.飛機內(nèi)部照明設(shè)備通用要求.

［10］程繼金，自主創(chuàng)新.實現(xiàn)半導(dǎo)體光源技術(shù)在民航客機上的應(yīng)用.中國民航報，2007.