黃 瑜 林燕丹 姚 其 孫耀杰

(復(fù)旦大學(xué)電光源研究所，先進(jìn)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(jī)駕駛艙照明的重要組成部分。飛機(jī)駕駛艙照明系統(tǒng)，主要是指通過(guò)對(duì)頂部板、儀表板、中央操縱臺(tái)等區(qū)域的泛光照明設(shè)計(jì)以及飛行機(jī)組所需的局部照明設(shè)計(jì)，為飛行人員創(chuàng)造一個(gè)良好的視覺(jué)環(huán)境。儀表板泛光照明系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)涉及較多的實(shí)際工程問(wèn)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(jué)績(jī)效，從電氣和機(jī)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(gè)比較突出的問(wèn)題。在過(guò)去，傳統(tǒng)光源主導(dǎo)了民用飛機(jī)儀表板泛光照明的應(yīng)用。而LED作為世界上最先進(jìn)的照明光源之一，其發(fā)展已經(jīng)受到了各國(guó)的重視。一些廠商已經(jīng)嘗試把LED引入到飛機(jī)駕駛艙照明中。然而，關(guān)于LED在民用飛機(jī)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(jiàn)圖1。

圖1 儀表板泛光照明布局

2 民用飛機(jī)儀表板泛光照明的指標(biāo)和相關(guān)要求

總的來(lái)說(shuō)，飛機(jī)駕駛艙照明系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)與布局要注重功能性與舒適性，旨在為飛行員創(chuàng)造一個(gè)良好舒適的視覺(jué)環(huán)境，對(duì)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(jì)必須滿足特定的要求。針對(duì)儀表板泛光照明，主要看它的暗適應(yīng)性、視覺(jué)效果、判讀準(zhǔn)確性［1］。相應(yīng)地，必須根據(jù)實(shí)際情況對(duì)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(guó)外和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)兩類。其中，國(guó)外的常用標(biāo)準(zhǔn)有美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) (SAE)和美國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn) (MIL)，國(guó)內(nèi)則為航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(HB)和國(guó)軍標(biāo) (GJB)?？v觀飛機(jī)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(jī)的用途，同時(shí)還要考慮飛行速度、高度、駕駛員人機(jī)工效等方面的因素。目前主流的民用飛機(jī)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(duì)具體指標(biāo)的推薦也不盡相同［3～9］。對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)整理如表 1所示。

表1 各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀表板泛光照明的要求

3 LED應(yīng)用于飛機(jī)儀表板泛光照明的優(yōu)勢(shì)和問(wèn)題

3.1 LED應(yīng)用于飛機(jī)儀表板泛光照明的優(yōu)勢(shì)

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(diǎn)。比如LED的功率較低，一般在0.03～1W，有利于飛機(jī)節(jié)能;LED可以做到無(wú)紅外線輻射，不會(huì)干擾某些機(jī)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(qiáng)，適于較為惡劣的飛行條件。同時(shí)，由于工作穩(wěn)定性高帶來(lái)的飛機(jī)照明系統(tǒng)故障率的大幅降低，都使得飛機(jī)的維護(hù)成本減少。LED在這些方面的卓越性能引起了相關(guān)機(jī)構(gòu)的密切關(guān)注，比如美國(guó)聯(lián)邦航空委員會(huì) (FAA)已經(jīng)就LED在航空領(lǐng)域的應(yīng)用問(wèn)題開展了深入的討論和研究。

3.2 LED應(yīng)用于飛機(jī)儀表板泛光照明的問(wèn)題

應(yīng)該說(shuō)把LED應(yīng)用于飛機(jī)駕駛艙還是一個(gè)新的話題。無(wú)論是新型的民航客機(jī)如 A380、B787等使用LED作為駕駛艙照明光源，還是對(duì)原來(lái)使用傳統(tǒng)光源的機(jī)型進(jìn)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(jìn)一步的研究。比如，如何根據(jù)駕駛員的實(shí)際需要來(lái)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(jué)疲勞;目前駕駛艙照明主要表現(xiàn)為L(zhǎng)ED、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(shí)候也對(duì)照明電力控制系統(tǒng)提出了較高的要求。同時(shí)，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(huì)更困難，導(dǎo)致其壽命降低。

4 LED儀表板泛光燈的應(yīng)用實(shí)例

某機(jī)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(zhǎng)方體，長(zhǎng)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(guò)140g。為配合飛機(jī)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(shí)能適用于不同的場(chǎng)景，設(shè)計(jì)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(dá)到10000小時(shí)以上。光學(xué)特性方面，燈具出光不對(duì)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(qiáng)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(jì)

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(shí)，由于燈具和儀表板被照面的側(cè)向距離相對(duì)于儀表板的高度來(lái)說(shuō)比較小，在光學(xué)設(shè)計(jì)上屬于近場(chǎng)問(wèn)題。這些因素都導(dǎo)致結(jié)構(gòu)和光學(xué)設(shè)計(jì)成為儀表板泛光燈設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。至于熱學(xué)和電學(xué)設(shè)計(jì)，儀表板泛光燈與其他類型的燈具相比并沒(méi)有太大的區(qū)別。

根據(jù)實(shí)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(duì)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(jì)目標(biāo)如表2所示。其中光輸出要求可實(shí)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(jì)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(gè)可能的設(shè)計(jì)方案，其光強(qiáng)分布和照明效果分別如圖4和圖5所示?？梢?jiàn)在最亮狀態(tài)下，照射在儀表板上的光通量為53.6lm，均勻度良好，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求。

圖4 光學(xué)設(shè)計(jì)方案光強(qiáng)分布

圖5 光學(xué)設(shè)計(jì)方案照明效果

6 結(jié)語(yǔ)

作為一種新興光源，LED正在逐步滲透到照明的每一個(gè)角落。對(duì)于LED在民用飛機(jī)儀表板泛光照明中的應(yīng)用，還有很多實(shí)際問(wèn)題值得研究和探索。本文從民用飛機(jī)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(jī)儀表板泛光照明的優(yōu)勢(shì)和問(wèn)題。在實(shí)際應(yīng)用中，光學(xué)設(shè)計(jì)是儀表板泛光照明的難點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種可能的方案，其光學(xué)性能較好地達(dá)到了儀表板泛光照明的要求。

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

［2］蔣楓，汪慧麗.飛機(jī)駕駛艙照明的工程心理分析與工程設(shè)計(jì)實(shí)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(jī)座艙照明基本技術(shù)要求及測(cè)試方法.

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

［9］HB6491—91.飛機(jī)內(nèi)部照明設(shè)備通用要求.

［10］程繼金，自主創(chuàng)新.實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體光源技術(shù)在民航客機(jī)上的應(yīng)用.中國(guó)民航報(bào)，2007.