蘇 丹

(深圳市九洲光電科技有限公司,廣東 深圳 518057)

引言

LED光源作為一種新的照明光源正在快速進(jìn)入照明領(lǐng)域，相比于傳統(tǒng)光源，LED光源具有高光效、低能耗、長壽命、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，在照明領(lǐng)域具有鮮明的優(yōu)勢。隨著LED技術(shù)的發(fā)展，LED照明也逐步向特種照明領(lǐng)域滲透，目前已經(jīng)在汽車、鐵路、船舶及航天等領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。航天領(lǐng)域中，飛機(jī)航行燈用于夜間飛行時(shí)，引起相同空間飛行的其它飛機(jī)的注意，以避免飛機(jī)之間發(fā)生碰撞。以往飛機(jī)航行燈中使用的傳統(tǒng)光源壽命有限，而且在惡劣的飛行環(huán)境中，其壽命進(jìn)一步縮短，而因航行燈壽命問題而帶來的頻繁更換光源的情況，不僅導(dǎo)致高昂的維修費(fèi)用，嚴(yán)重時(shí)還會導(dǎo)致重大事故，因此將LED光源應(yīng)用在飛機(jī)航行燈中十分重要和迫切。

1 LED光源用于飛機(jī)航行燈具有明顯的優(yōu)點(diǎn)

首先，LED光源更容易設(shè)計(jì)成體積小、質(zhì)量輕的燈具。在飛行航天器中，設(shè)備的體積和質(zhì)量是重要的參數(shù)指標(biāo)，LED作為第4代光源，一方面本身具有體積小，質(zhì)量輕的先天優(yōu)勢；另一方面，由于其發(fā)光面積小，還很容易設(shè)計(jì)較小的二次光學(xué)結(jié)構(gòu)，相對傳統(tǒng)光源，能大幅減小燈具的體積和質(zhì)量，減輕航天器飛行負(fù)擔(dān)。

其次，LED燈具更容易被集成到控制系統(tǒng)中。LED本質(zhì)上作為半導(dǎo)體電子器件，容易被集成到控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和智能控制等功能。LED的控制方式較多，不管是有線還是無線，都能夠輕易實(shí)現(xiàn)；LED的調(diào)制頻率可以達(dá)到MHz以上，能夠準(zhǔn)確地完成對系統(tǒng)控制信號的響應(yīng)，且對自身性能無影響；LED光源的功耗低，不會造成系統(tǒng)的功率過載，從而提升控制系統(tǒng)的負(fù)載能力。

第三，使用LED燈具將會更方便地進(jìn)行飛行航天器的維護(hù)。相比傳統(tǒng)光源，LED具有更長的發(fā)光壽命和更低的光學(xué)衰減，能顯著延長燈具的生命周期，減少維護(hù)量。同時(shí)LED光源在使用時(shí)限超過本身壽命的情況下，不會立即熄滅造成功能失效，為航天器的維護(hù)提供安全和時(shí)間的保障。隨著LED技術(shù)的不斷進(jìn)步，其性能還會大幅地提升，將更有助于其在該領(lǐng)域的應(yīng)用。

2 用于飛機(jī)航行燈的LED光源的基本要求

首先，用于飛機(jī)航行燈的LED光源應(yīng)具有高安全性的特點(diǎn)。飛機(jī)系統(tǒng)中任何部件的功能失效都可能妨礙飛機(jī)繼續(xù)安全運(yùn)行或著落，對機(jī)組和乘客的生命安全造成危害，嚴(yán)重的會造成機(jī)毀人亡，所以在飛機(jī)安全性設(shè)計(jì)中，要求零部件功能失效的概率趨于不可能發(fā)生出現(xiàn)該情況的概率。因此在選取LED作為光源時(shí)，對其安全性須作重點(diǎn)評估，在飛機(jī)航行燈的應(yīng)用中，宜選用低壓小電流驅(qū)動、低熱阻高耐溫的光源，LED封裝材料須具有耐溫、防火、無毒無害的特點(diǎn)。

其次，用于飛機(jī)航行燈的LED光源應(yīng)具有高可靠性的特點(diǎn)。飛行航空器在飛行期間的環(huán)境條件較為惡劣，尤其對于工作于機(jī)艙外部的零部件來講，可靠性的要求更高。在飛行過程中，由于氣流的原因，機(jī)翼時(shí)刻經(jīng)受較為強(qiáng)烈的振動，這就要求選取的LED光源具有抗強(qiáng)振動的能力，而采用無金線的倒裝LED就具有明顯的優(yōu)勢；此外，高空環(huán)境的溫度可低至零下50 ℃，而著陸環(huán)境可高達(dá)45 ℃以上,不但要求LED能在高溫和低溫條件下正常工作，而且還要求其光學(xué)特性不發(fā)生較大變化，能經(jīng)受嚴(yán)格的冷熱沖擊；飛機(jī)的飛行高度較高，太陽光線由于缺少云層和臭氧層的阻擋，大量的有害輻射將直接照射機(jī)身，所以要求選取的LED要具有較強(qiáng)的抗有害輻射的能力，以保障航行燈的可靠性。

最后，用于飛機(jī)航行燈的LED光源應(yīng)具有高光學(xué)質(zhì)量的特點(diǎn)。光源的光學(xué)效率是重要的評價(jià)參數(shù)，飛機(jī)在飛行過程中，應(yīng)盡量減少能源消耗，而光效越高就越有助于節(jié)能；另外，LED光源的顏色穩(wěn)定性方面也要有良好性能，溫度的變化會引起色坐標(biāo)的漂移，必須選取光學(xué)參數(shù)熱穩(wěn)定性好的LED；對于有顏色區(qū)分要求的信號燈，要求LED的顏色一致性好，應(yīng)選擇波長單一性好、半波寬度窄的LED光源。

3 飛機(jī)前航行燈的配光要求

對飛機(jī)前航行燈來說，因?yàn)槠涔鈱W(xué)分布具有特定的要求，固定翼飛機(jī)左邊機(jī)翼要求安裝紅色前航行燈，右邊機(jī)翼要求安裝綠色前航行燈。圖1是飛機(jī)右前航行燈水平截面的配光要求示意圖，其為非對稱配光，以飛機(jī)飛行前進(jìn)方向?yàn)?°，右邊機(jī)翼前航行燈在0°方向至順時(shí)針10°方向角的光強(qiáng)的最小值為40 cd，10°方向角至順時(shí)針20°的方向角內(nèi)的光強(qiáng)的最小值為30 cd，20°方向角至順時(shí)針110°方向角內(nèi)的光強(qiáng)的最小值5 cd。左邊機(jī)翼的飛機(jī)左前航行燈的水平截面的配光要求與圖1中的對稱。

圖1 前航行燈水平面配光示意圖Fig.1 Horizontal section intensity distribution of aircraft navigation light

圖2是飛機(jī)前航行燈垂直截面水平面以上的配光要求示意圖，以飛機(jī)前進(jìn)方向作為0°方向角，在0°方向角往上至5°的方向角內(nèi)，光強(qiáng)的最小值應(yīng)為飛機(jī)前航行燈前行方向上最大值的0.9倍，在5°方向角往上至10°的方向角內(nèi)，光強(qiáng)的最小值為飛機(jī)前航行燈前行方向上最大值的0.8倍，在10°方向角往上至15°的方向角內(nèi)，光強(qiáng)的最小值為飛機(jī)前航行燈前行方向上最大值的0.7倍，在15°方向角往上至20°的方向角內(nèi)，光強(qiáng)的最小值為飛機(jī)前航行燈前行方向上最大值的0.5倍，在20°方向角往上至30°的方向角內(nèi)，光強(qiáng)的最小值為飛機(jī)前航行燈前行方向上最大值的0.3倍，在30°方向角往上至40°的方向角內(nèi)，光強(qiáng)的最小值為飛機(jī)前航行燈前行方向上最大值的0.1倍。水平面以下(即0°方向角往下)的角度內(nèi)的光強(qiáng)分布要求與圖2的分布對稱。

圖2 前航行燈垂直面配光示意圖Fig.2 Vertical section intensity distribution of aircraft navigation light

4 基于LED光源的飛機(jī)前航行燈光學(xué)透鏡設(shè)計(jì)

LED由于封裝尺寸、功率的多樣性，配光設(shè)計(jì)也較為靈活，通常情況下，可設(shè)計(jì)二次透鏡來滿足配光要求。透鏡的設(shè)計(jì)要以光學(xué)效率高、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高為前提合理進(jìn)行設(shè)計(jì)。本方案設(shè)計(jì)的透鏡可一次成型TIR(total internal reflect)透鏡， 光路原理如圖3所示，LED大角度出射光線首先以0°入射到P點(diǎn)(x1,y1)，經(jīng)過透鏡內(nèi)壁的折射再以a角度出射，入射到透鏡外邊界上的Q點(diǎn)(x2,y2)發(fā)生全反射，反射光線再次被反射到下一光學(xué)面的S(x3,y3)點(diǎn)，滿足全反射條件的光線將會繼續(xù)發(fā)射，不滿足全反射條件的光線將會以一定角度出射，兩部分光線最終形成所需的光學(xué)分布。在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)，通過將透鏡的模型數(shù)學(xué)化，再利用計(jì)算機(jī)編程，設(shè)定適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和約束條件，可以計(jì)算出透鏡的基線的數(shù)值解，最后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入結(jié)構(gòu)建模軟件可完成透鏡的建模。

圖3 前航行燈透鏡光路圖Fig.3 Optical path of aircraft navigation light lens

經(jīng)過上述步驟的設(shè)計(jì)，完成的飛機(jī)前航行燈透鏡如圖4所示。

圖4 前航行燈透鏡模型Fig.4 Lens model of aircraft navigation light

透鏡的光學(xué)系統(tǒng)由反光杯系統(tǒng)和棱鏡系統(tǒng)組成，從功能上講，反光杯系統(tǒng)對LED的光線進(jìn)行收集，并形成飛機(jī)前航行燈垂直截面的光學(xué)分布，棱鏡系統(tǒng)將會進(jìn)一步形成前航行燈水平截面的光學(xué)分布。飛機(jī)前航行燈由于左右兩邊的光源顏色不同，光源的主波長不同，相對于透鏡材料的折射率就不同，因此，左右前航行燈透鏡的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)須考慮這一問題。

5 飛機(jī)前航行燈光學(xué)模擬

圖5是設(shè)計(jì)的飛機(jī)前航行燈的光線追跡效果圖。將上述設(shè)計(jì)的透鏡裝配進(jìn)飛機(jī)前航行燈的結(jié)構(gòu)中，設(shè)定完LED光源的光譜屬性和透鏡及外殼材料的光學(xué)屬性后，即可進(jìn)行光線追跡。

圖5 光線追跡效果圖Fig.5 Light tracing sketch

圖6和圖7分別是本次設(shè)計(jì)完成的飛機(jī)前航行燈水平截面和垂直截面的光強(qiáng)分布圖，可以看出，光強(qiáng)分布能夠較好地滿足要求。本設(shè)計(jì)選用的RGB SMD LED，在以350 mA的典型電流驅(qū)動條件下，紅光可以輸出45 lm的光通量，綠光可以輸出60 lm的光通量，在LED功耗不超過1 W的功耗下，就能有良好的光學(xué)表現(xiàn)，若選取更高光效的LED，航行燈的功耗還會有較大程度的降低。

圖6 水平截面光強(qiáng)分布Fig.6 Intensity distribution on horizontal section

圖7 垂直截面光強(qiáng)分布Fig.7 Intensity distribution on vertical section

表1中列出了本次設(shè)計(jì)的飛機(jī)前航行燈在水平截面和垂直截面的光強(qiáng)分布值，從各個(gè)角度的光強(qiáng)數(shù)值來看，光學(xué)參數(shù)完全滿足要求，中心光強(qiáng)值高于最低要求的40 cd，具有良好的光學(xué)性能。

表1 前航行燈光強(qiáng)分布值Table 1 Intensity distribution data of navigation light

6 小結(jié)

與傳統(tǒng)光源相比，LED在光學(xué)二次配光、光學(xué)特性以及智能控制方面有顯著的優(yōu)勢，它的高可靠性、高安全性、高光效以及長壽命等特點(diǎn)，使得其在特種照明的領(lǐng)域擁有較為廣闊的應(yīng)用前景，隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，其技術(shù)性能和指標(biāo)將進(jìn)一步提升，將會促使它不斷進(jìn)入新的應(yīng)用領(lǐng)域，相信在未來，LED產(chǎn)品一定會在航空領(lǐng)域大放異彩。

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