LED在民用飛機(jī)駕駛艙泛光照明中的應(yīng)用

王素環(huán)

(中航飛機(jī)研發(fā)中心，陜西 西安　710089)

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LED在民用飛機(jī)駕駛艙泛光照明中的應(yīng)用

王素環(huán)

(中航飛機(jī)研發(fā)中心，陜西 西安710089)

摘要：本文從民用飛機(jī)駕駛艙照明的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，提出了泛光照明的照度需求。結(jié)合LED光源本身的特性，剖析了LED應(yīng)用于泛光照明的優(yōu)勢(shì)?；贚ED光源的特性和人體工效學(xué)的研究結(jié)果，從光色、供電、布置和調(diào)光控制等4方面對(duì)泛光照明的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)地分析說(shuō)明，形成了一種方案：白光LED、28VDC供電、PWM調(diào)光。最后，選用合適的燈具進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)果顯示其光學(xué)性能較好地達(dá)到了泛光照明的要求。

關(guān)鍵詞：泛光照明；LED；調(diào)光控制

引言

飛機(jī)駕駛艙泛光照明用于照亮儀表板、左/右操縱臺(tái)以及中央操縱臺(tái)等區(qū)域。合理的駕駛艙泛光照明能保證飛行員看得快，看得清，又不易疲勞。否則，判讀和操縱的錯(cuò)誤將增加，即“人為差錯(cuò)率”上升。國(guó)外飛行事故統(tǒng)計(jì)分析資料介紹，“人為差錯(cuò)”造成的事故占全部事故的40%，直升機(jī)達(dá)70%[1]。駕駛艙泛光照明不合理，引起視覺(jué)疲勞是造成“人為差錯(cuò)”的直接原因之一。

本文首先分析研究駕駛艙照明的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，提出泛光照明的設(shè)計(jì)需求。其次，結(jié)合LED光源本身的特性，剖析LED應(yīng)用于泛光照明的優(yōu)勢(shì)。再次，從光色、供電、布置和調(diào)光控制等4方面對(duì)泛光照明的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)地分析說(shuō)明，并形成了一種方案：白光LED、28VDC供電、PWM調(diào)光。最后，選用合適的燈具進(jìn)行仿真測(cè)試，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

1駕駛艙照明相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

現(xiàn)有的民用飛機(jī)駕駛艙照明的標(biāo)準(zhǔn)大致分為適航規(guī)章和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。適航規(guī)章CCAR-25部?jī)H對(duì)駕駛艙照明做了定性要求，尚未提出定量要求。而目前已有的國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)和航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，大多制定于20世紀(jì)80年代和90年代[2-7]，這些標(biāo)準(zhǔn)所提的照明技術(shù)參數(shù)已經(jīng)不能完全符合現(xiàn)代民用飛機(jī)的需求。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中最具代表性的是美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)[8,9]和SAE[10-18]標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)多數(shù)制定于2000年以后，能較好地體現(xiàn)現(xiàn)代照明技術(shù)的水平，可作為泛光照明的設(shè)計(jì)輸入。

通過(guò)對(duì)比研究相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)SAE-ARP4103[13]和SAE-ARP1161[15]，給出駕駛艙泛光照明的定量設(shè)計(jì)需求，詳見(jiàn)表1。

表1　泛光照明設(shè)計(jì)需求

2LED應(yīng)用于泛光照明的優(yōu)勢(shì)

泛光照明的合理設(shè)計(jì)涉及較多的實(shí)際工程問(wèn)題，而照明光源的選用是其中一個(gè)比較突出的問(wèn)題[19]。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)役的民航客機(jī)多數(shù)使用傳統(tǒng)的白熾燈(尤其是鹵素?zé)?或熒光燈作為駕駛艙照明光源，而新型的民航客機(jī)，如A380和B787都不同程度上使用了LED。LED被引入到飛機(jī)駕駛艙照明，是出于它在某些方面所表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)，如節(jié)能、壽命長(zhǎng)、穩(wěn)定性和抗震性好等。

LED利用PN結(jié)中少子與多子的復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)光，發(fā)光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于PN結(jié)的禁帶寬度。LED用作照明光源具有體積小、可靠性高、能冷啟動(dòng)、亮度可調(diào)性好、低壓直流工作更安全等優(yōu)點(diǎn)。LED屬于一次光源，在發(fā)光過(guò)程中，電能直接變成了光能，在與普通白熾燈保持同樣亮度下，其耗電量只有后者的十分之一。LED是固態(tài)光源，沒(méi)有活動(dòng)部件和易損壞部件(如燈絲等)，抗振動(dòng)性能好。LED的壽命一般可達(dá)到20000～100000小時(shí)，遠(yuǎn)高于白熾燈，而且響應(yīng)速度快。與熒光燈相比較，LED不含有危害人體健康的汞，是無(wú)污染的光源。

利用LED光源提高照明系統(tǒng)性能是飛機(jī)照明技術(shù)的發(fā)展方向。由于LED的可靠性高(國(guó)外供應(yīng)商提供的泛光燈的MTBF值可達(dá)50000小時(shí))，因此能大幅降低飛機(jī)照明系統(tǒng)的故障率，減少飛機(jī)的維護(hù)成本。

3LED泛光照明的設(shè)計(jì)分析

3.1光色分析

縱觀飛機(jī)駕駛艙照明的發(fā)展歷程，常用的有紅光、白光、藍(lán)白光和夜視綠等4種光色。GJB 455-88[2]認(rèn)為座艙照明可以選擇紅光、白光和藍(lán)白光三種，并對(duì)其色度坐標(biāo)范圍作了規(guī)定。SAE ARP1048[10]和SAE AS264[11]則只提到紅光和白光，且只要求紅光波長(zhǎng)在600nm以上。MIL-DTL-7788H[9]則對(duì)4種光色均作了要求。

照明光色的選擇主要根據(jù)不同視覺(jué)的需要，也就是根據(jù)不同飛機(jī)的飛行任務(wù)需要和總體要求來(lái)選擇各自合適的照明顏色。一般情況下，對(duì)于民用飛機(jī)而言，飛機(jī)航程遠(yuǎn)，飛行時(shí)間長(zhǎng)，都十分強(qiáng)調(diào)為飛行員創(chuàng)造良好而舒適的工作條件及環(huán)境。由于飛行員長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行精細(xì)的作業(yè)，十分容易造成視覺(jué)疲勞，所以中遠(yuǎn)程民用飛機(jī)的駕駛艙照明光色選用白色照明更為適宜[20]。對(duì)于飛行任務(wù)要求飛行員保持最佳外視力、也就是說(shuō)對(duì)于中低空飛行，需要頻繁替換觀察艙內(nèi)、艙外，飛行時(shí)間較短的飛機(jī)，駕駛艙選用紅光照明比較適合。對(duì)于飛行任務(wù)既要分辨顏色微弱差別，又要粗略觀察目標(biāo)細(xì)節(jié)，選擇介于紅光和白光之間的藍(lán)白光比較合適。

3.2供電分析

LED使用低壓直流電源(電流)控制，因此在使用LED照明時(shí)，也對(duì)飛機(jī)電源系統(tǒng)提出了較高的要求。據(jù)調(diào)查，國(guó)內(nèi)外軍民用飛機(jī)所采用的電源系統(tǒng)主要有115/200V 400Hz恒頻交流、115/200V變頻交流、28V低壓直流以及28V直流和115/200V變頻交流組成的混合電源系統(tǒng)等。前兩種電源系統(tǒng)不提供低壓直流電源，若使用LED燈，每個(gè)LED燈都必須配備一個(gè)電源盒，如此將增加照明系統(tǒng)的重量，而且系統(tǒng)的可靠性也會(huì)降低。后兩種電源系統(tǒng)直接提供28V直流電源，比較適合LED光源的使用。

3.3布置分析

布置分析就是根據(jù)駕駛艙總體布置和各系統(tǒng)的照明需求情況確定泛光燈的安裝位置，使安裝設(shè)計(jì)既能滿足總體和各系統(tǒng)的輸入需求，又能達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。駕駛艙空間有限，設(shè)備布置非常緊湊。泛光燈的布置不僅要讓飛行員看得清各操縱面板，還要盡量避免眩光，做到光線柔和，提供一個(gè)舒適的光環(huán)境。

圖1　典型駕駛艙照明布局Fig.1　Typical Collocation of Cockpit Lighting

現(xiàn)代民用飛機(jī)駕駛艙燈具典型布置圖如圖1所示。儀表板泛光燈布置于遮光板下表面，側(cè)操作臺(tái)泛光燈布置于側(cè)操縱臺(tái)上方的窗戶下沿，中央操縱臺(tái)泛光燈布置于頂部控制板上。

3.4調(diào)光控制分析

3.4.1PWM調(diào)光

LED光特性通常描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，即驅(qū)動(dòng)電流在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，LED光通量隨著驅(qū)動(dòng)電流增大而非線性增大(如圖2所示)，因此采用恒流源驅(qū)動(dòng)可以更好地控制LED亮度。

圖2　光通量與驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系曲線Fig.2　Relation Curve of Luminous Flux and Driving Current

LED可實(shí)現(xiàn)快速開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)速度可高達(dá)微秒，是任何發(fā)光器件所無(wú)法比擬的，因此采用恒流源，用改變LED通斷時(shí)間的方法，就可以改變其亮度(在電流恒定的情況下，LED亮度與導(dǎo)通時(shí)間成正比)，即脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光法[21]。

PWM調(diào)光實(shí)質(zhì)是通過(guò)PWM信號(hào)控制LED的通斷，在某一固定頻率下，通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的占空比來(lái)改變LED的通斷時(shí)間。在整個(gè)工作過(guò)程中LED的電流值或?yàn)榱?，或?yàn)橐缓愣ㄖ?。由于利用了人眼的視覺(jué)暫留效應(yīng)，所以在達(dá)到一定頻率后，人眼對(duì)LED的亮度感覺(jué)是連續(xù)穩(wěn)定的光。

PWM調(diào)光相對(duì)于傳統(tǒng)串聯(lián)電阻降壓調(diào)光有較大的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

a)保證調(diào)光過(guò)程顏色的一致性：改變LED的電流會(huì)使LED的PN結(jié)溫度有所改變，從而造成發(fā)射光譜的功率分布發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)光顏色改變。PWM調(diào)光只改變電流脈寬來(lái)調(diào)節(jié)LED亮度，在通電時(shí)間內(nèi)電流值不變，因此PWM調(diào)光能保證調(diào)光過(guò)程顏色的一致性；

b)降低功耗：在暗狀態(tài)時(shí)，電壓調(diào)光電路的大部分功率耗散在電位器等阻性器件上，而采用PWM調(diào)光可以避免此類功率消耗，因此能有效降低功耗；

c)便于實(shí)現(xiàn)總線控制技術(shù)。

3.4.2LED泛光照明的調(diào)光設(shè)計(jì)

對(duì)于泛光照明的調(diào)光，民用飛機(jī)采用分區(qū)域調(diào)光的控制方式。泛光照明分為5個(gè)照明區(qū)域：包括儀表板左側(cè)泛光照明、儀表板右側(cè)泛光照明、左操縱臺(tái)泛光照明、右操縱臺(tái)泛光照明和中央操縱臺(tái)泛光照明。相應(yīng)地設(shè)置了5個(gè)區(qū)域調(diào)光旋鈕，每個(gè)調(diào)光旋鈕均可實(shí)現(xiàn)本區(qū)域泛光照明100%連續(xù)調(diào)節(jié)。

為了更好地保證光色均勻性和調(diào)光一致性，LED泛光照明采用PWM調(diào)光方法，并通過(guò)調(diào)光控制盒實(shí)現(xiàn)。泛光照明作為主照明的備用光源，出于安全余度的考慮，均采用硬線直接將模擬調(diào)光信號(hào)傳輸給調(diào)光控制盒。調(diào)光控制盒通過(guò)硬線輸出PWM信號(hào)給各個(gè)區(qū)域的泛光燈，如圖3所示。

在飛機(jī)遭遇雷雨天氣的情況下，泛光照明可通過(guò)雷雨開(kāi)關(guān)“STORM”統(tǒng)一控制。調(diào)光控制盒直接接收雷雨開(kāi)關(guān)的模擬信號(hào)，并根據(jù)接收到的信號(hào)調(diào)整輸出，使駕駛艙內(nèi)所有的泛光照明處于最亮狀態(tài)。

4仿真驗(yàn)證

4.1仿真條件

圖3　LED泛光照明調(diào)光架構(gòu)Fig.3　Dimming Architecture of LED Flood Lighting

此次仿真基于某型民用飛機(jī)的三維模型進(jìn)行，選擇某公司提供的泛光燈作為仿真燈具，相關(guān)參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2　泛光燈相關(guān)參數(shù)

4.2仿真結(jié)果

儀表板仿真燈具布置于遮光板下表面，將探測(cè)器置于儀表板表面，從圖4所示的照度仿真效果圖可以看到，儀表板燈被點(diǎn)亮后，在儀表板垂直方向照度分布由上至下遞減，靠近儀表板燈發(fā)光處最亮，照度為1225lx，對(duì)比度0.86左右，在水平方向照度比較均勻，對(duì)比度0.96左右。

圖4　儀表板泛光燈仿真效果圖Fig.4　Simulation Effect of Instrument Board Flood Light

左/右操縱臺(tái)泛光燈仿真燈具布置于側(cè)操縱臺(tái)上方的窗戶下沿，將探測(cè)器設(shè)置在左/右操縱臺(tái)表面。從圖5所示的照度仿真效果圖可以看出，左/右操縱臺(tái)泛光燈給操縱臺(tái)表面提供了足夠的照度，平均照度在350lx左右，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5　左/右操縱臺(tái)泛光燈仿真效果圖Fig.5　Simulation Effect of L/R Pedestal Flood Light

中央操縱臺(tái)仿真燈具布置于布置于頂部控制板上，將探測(cè)器設(shè)置在中央操縱臺(tái)表面，從圖6所示的照度仿真效果圖可以看出，操縱臺(tái)表面照度均勻，平均照度在450lx左右，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6　中央操縱臺(tái)泛光燈仿真效果圖Fig.6　Simulation Effect of Centre Pedestal Flood Light

5結(jié)束語(yǔ)

本文從民用飛機(jī)泛光照明的基本要求出發(fā)，結(jié)合LED光源本身的特性和人體工效學(xué)的研究結(jié)果，通過(guò)光色分析、供電分析、布置分析和調(diào)光控制分析形成了一種方案：白光LED、28VDC供電、PWM調(diào)光。文章最后基于某型民用飛機(jī)的三維模型采用某公司提供的白光LED泛光燈進(jìn)行仿真測(cè)試，結(jié)果顯示其光學(xué)性能較好地達(dá)到了泛光照明的照度要求，為某型民用飛機(jī)的泛光照明設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)。

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Application of LED to Cockpit Flood Lighting in Civil Aircraft

Wang Suhuan

(dept.AVICAircraft,Xian710089,China)

Abstract：This paper started with the correlative standard of cockpit lighting in civil aircraft, and then the illumination requirements of flood lights were proposed. The advantages of LED for flood light were anatomized according to the character of LED source. On the basis of the character of LED and the research result of ergonomics, the analysis of flood lighting design was presented in detail in the following four aspects, such as light color, power supply, collocation and dimming control, and a project which were white light LED, 28VDC power supply and PWM dimming was produced. Finally, simulation test was putted in practice and the result showed that optical performance met better the requirement of flood light.

Key words:flood light; LED; dimming control

中圖分類號(hào)：TN2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.003