陈东辉
中航西飞民用飞机有限责任公司 陕西省西安市 710089
摘要：近年来我国大力发展民用飞机产业,然而国内对民用飞机驾驶舱照明的相关研究起步较晚。关于LED在民用飞机仪表板照明中的应用,还有很多值得研究的课题,包括其可行性如何、具体参数应该怎样选取等等。本论文对LED在民用飞机仪表板照明中的应用进行了探讨。
关键词：民用飞机；仪表板泛光照明；LED灯具
1 LED
LED发光二极管是利用PN结中少子与多子的复合实现发光的，发光波长对应于PN结的禁带宽度。LED用作照明光源，具有体积小、可靠性高、寿命长和亮度可调性好等优点。LED属于一次光源，在发光过程中，电能直接变成了光能，LED灯作为新光源，在与普通白炽灯保持同样亮度下，其耗电量只有后者的十分之一。与荧光灯相比较，LED不含有危害人体健康的汞，是无污染的光源。一般LED的寿命可以达到20000~100000h，远高于白炽灯，而且响应速度快。由于LED是固态光源，具有抗冲击的优点。
2 LED应用于飞机仪表板照明的优势和问题
2.1 LED应用于飞机仪表板照明的优势
LED被誉为继热辐射光源，气体放电光源之后的第三代光源。它的优势总结起来主要包括以下几点:寿命长，在很多应用中长于10年；更节能，利于环保；给设计提供更多的自由度；生动的饱和色彩，无需滤色片；光方向性强，增加了系统的效率；结实，防震；动态色彩控制，白光色温可调；深度调光而光色不变；瞬时启动，立即获得100%的光和色；光源中无汞；能冷启动；低压直流工作，更安全。
就飞机仪表板照明应用而言，LED较传统光源具有不少的优点。比如LED的功率较低，一般在0.03~1W，有利于飞机节能；LED可以做到无红外线辐射，不会干扰某些机载设备的工作；LED是固态光源，不像白炽灯那样有脆弱的灯丝，因此抗震性较强，适于较为恶劣的飞行条件。同时，由于工作稳定性高带来的飞机照明系统故障率的大幅降低，都使得飞机的维护成本减少。
2.2 LED应用于飞机仪表板照明的问题
飞机驾驶舱应用LED照明还是一个新的话题。不论是新型的民航客机使用LED作为驾驶舱照明光源，还是对原来使用传统光源的机型进行改造，都是一种新的尝试。总的来说，把LED应用于驾驶舱照明还需要进一步的研究，比如LED用作驾驶舱光源是否合适，如何根据驾驶员的实际需要来选择光源的亮度和色温，相关的标准应该如何制定等等。另外，现在的驾驶舱照明有LED和卤素灯构成，LED是使用直流电源(电流)控制，而卤素灯和荧光灯是电压控制(交流)，所以在使用LED照明的时候也对照明电力控制系统提出了较高的要求。
当然，LED作为新兴的照明光源，其本身的特性也有待提高，比如散热问题，随着功率的增加，LED灯具散热也会更困难，导致其寿命降低。以Goodrich公司的仪表照明灯为例，功率的增加使其寿命降低至1/10，如下表所示。另外，驾驶舱使用LED照明，要防止眩光和减少反光，防止视觉疲劳，灯具具有亮度可调，标一记符号的对比度也要适应视觉的感应需求。
表1 Goodrich公司仪表灯和燃料补给灯不同功率下的寿命比较
3 LED仪表板泛光灯的光学设计
3.1 LED仪表板泛光灯的设计难点
仪表板泛光灯属于特种灯具的范畴，其应用的特殊性给灯具设计带来的难点主要包括下列内容。
3.1.1 仪表板泛光灯的特殊性要求灯具的形状必须为一长条形，并且需要严格控制体积和厚度。如果采用大功率LED作为光源，其边长一般不小于5mm。因此，考虑到光形控制的需要，二次反射器或者透镜的尺寸通常在lcm*lcm*lcm以上。这给灯具体积的控制带来了很高的难度。
3.1.2 仪表板泛光灯安装在仪表前侧约3-5cm处，因此属于近场光学的问题。相对于路灯、室内顶灯等远场光学应用，其设计难度大很多。
3.1.3 从仪表板泛光照明的布局情况我们可以看出，仪表板泛光灯一般安装在仪表的侧上方，因此要求灯具朝向单侧出光。据调研，仪表板高度在12-20cm之间不等。这个尺寸相对于灯和仪表的距离((3-5cm)来说比较大，因此灯的侧向出光必须尽量限制在一个角度内并合理分布，才能实现仪表板的均匀泛光照明。此外，仪表高度的不确定也影响了设计方案的普适性。这些因素都导致结构和光学设计成为仪表板泛光灯设计的难点。
3.2 光学设计方案与模拟效果
根据实际情况，取灯具和仪表板被照面的侧向距离为5cm，仪表板的高度为15cm，长度为20cm，结合各标准以及工效学研究结果对仪表板泛光照明的要求，可以列出仪表板泛光灯的光学设计目标如表2所示。其中光输出要求可实现从最暗到最亮状态的调节。
表2仪表板泛光灯光学设计目标性能
LED光学设计的思路包括一次光学设计、二次反射器和透镜设计三种。为克服仪表板泛光灯的设计难点，达到灯具所需的性能目标，本文选用某款功率为1W的大功率白光LED两颗(其光效为651m@350mA，配光为朗伯型)，并提出一个可能的光学反射器设计方案。具体的技术手段和设计步骤如下所述。
3.2.1 实体建模。根据仪表板被照面和照度分布等情况，倒推灯具的出光分布情况，并由此确定反射器的形状。
3.2.2 定义系统几何模型中各个面的属性，如设置模型中LED光源的光线分布为朗伯型、光通量大小为651m，反射器表面材料为电镀铝，其反射系数为0. 85。
3.2.3 对己经构造的光学系统模型进行光学追迹，并对所追迹的光线进行分析。指标包括空间光强分布、被照面照度分布等等。
3.2.4 根据光学追迹的结果对反射器的形状和尺寸等进行修正和完善，直至追迹结果较好地达到预期的要求。
方案的最后结果如下图所示。两颗LED相隔l0cm，且它们的连线与仪表板的长度方向(垂直于纸面)平行。SMD封装形式的LED为半球形发光，在a角度内，LED光源发出的光直接照射在仪表板的近端。而a角度外的发光则经反射器反射后投射到仪表板的远端，从而实现仪表板整体的均匀照度分布。
仪表盘被照面
图1 光学设计文案结果示意图
通过实际安装使用后我们得出,大部分光线投射至被照面上。通过调整光源的位置、朝向、反射器的位置和形状等细节,在最亮状态下可以实现较为均匀的照明效果。可见在最亮状态下,照射在仪表板上的光通量为53.6lm,均匀度良好,各项指标均达到要求。
结束语：
总之，关于LED在民用飞机仪表板照明中的应用,还有很多值得研究的课题,包括其可行性如何、具体参数应该怎样选取等等。这正是本论文研究工作的意义所在。
参考文献：
[1]LED在民用飞机驾驶舱泛光照明中的应用[J]. 王素环. 照明工程学报. 2015(06)
[2]LED在民用飞机仪表板泛光照明中的应用[J]. 黄瑜,林燕丹,姚其,孙耀杰. 照明工程学报. 2014(02)
[3]民机驾驶舱光环境设计及视觉工效学研究[D]. 杨彪.复旦大学 2014
论文作者:陈东辉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/4
标签：仪表板论文; 光源论文; 飞机论文; 驾驶舱论文; 光学论文; 灯具论文; 反射论文; 《防护工程》2018年第9期论文;