LED在民用飛機(jī)駕駛艙泛光照明中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

　　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%。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，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)和SAE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和SAE － ARP1161，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

　　2、LED 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。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)簦?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。

　　3、LED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。GJB455－88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和SAE AS264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。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

　　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. 1 PWM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

　　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。

　　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. 2 LED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。

　　圖3 LED 泛光照明調(diào)光架構(gòu)

　　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)。