LED在民用飛機駕駛艙泛光照明中的應用

王素環

(中航飛機研發中心，陜西 西安　710089)

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LED在民用飛機駕駛艙泛光照明中的應用

王素環

(中航飛機研發中心，陜西 西安710089)

摘要：本文從民用飛機駕駛艙照明的相關標準出發，提出了泛光照明的照度需求。結合LED光源本身的特性，剖析了LED應用于泛光照明的優勢。基于LED光源的特性和人體工效學的研究結果，從光色、供電、布置和調光控制等4方面對泛光照明的設計進行了詳細地分析說明，形成了一種方案：白光LED、28VDC供電、PWM調光。最后，選用合適的燈具進行仿真測試，結果顯示其光學性能較好地達到了泛光照明的要求。

關鍵詞：泛光照明；LED；調光控制

引言

飛機駕駛艙泛光照明用于照亮儀表板、左/右操縱臺以及中央操縱臺等區域。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，判讀和操縱的錯誤將增加，即“人為差錯率”上升。國外飛行事故統計分析資料介紹，“人為差錯”造成的事故占全部事故的40%，直升機達70%[1]。駕駛艙泛光照明不合理，引起視覺疲勞是造成“人為差錯”的直接原因之一。

本文首先分析研究駕駛艙照明的相關標準，提出泛光照明的設計需求。其次，結合LED光源本身的特性，剖析LED應用于泛光照明的優勢。再次，從光色、供電、布置和調光控制等4方面對泛光照明的設計進行詳細地分析說明，并形成了一種方案：白光LED、28VDC供電、PWM調光。最后，選用合適的燈具進行仿真測試，驗證設計的合理性。

1駕駛艙照明相關標準

現有的民用飛機駕駛艙照明的標準大致分為適航規章和行業標準。適航規章CCAR-25部僅對駕駛艙照明做了定性要求，尚未提出定量要求。而目前已有的國家軍用標準和航空工業標準，大多制定于20世紀80年代和90年代[2-7]，這些標準所提的照明技術參數已經不能完全符合現代民用飛機的需求。國外標準中最具代表性的是美國軍用標準[8,9]和SAE[10-18]標準，這些標準多數制定于2000年以后，能較好地體現現代照明技術的水平，可作為泛光照明的設計輸入。

通過對比研究相關標準，依據SAE-ARP4103[13]和SAE-ARP1161[15]，給出駕駛艙泛光照明的定量設計需求，詳見表1。

表1　泛光照明設計需求

2LED應用于泛光照明的優勢

泛光照明的合理設計涉及較多的實際工程問題，而照明光源的選用是其中一個比較突出的問題[19]。據調查，現役的民航客機多數使用傳統的白熾燈(尤其是鹵素燈)或熒光燈作為駕駛艙照明光源，而新型的民航客機，如A380和B787都不同程度上使用了LED。LED被引入到飛機駕駛艙照明，是出于它在某些方面所表現出的優勢，如節能、壽命長、穩定性和抗震性好等。

LED利用PN結中少子與多子的復合來實現發光，發光波長對應于PN結的禁帶寬度。LED用作照明光源具有體積小、可靠性高、能冷啟動、亮度可調性好、低壓直流工作更安全等優點。LED屬于一次光源，在發光過程中，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是固態光源，沒有活動部件和易損壞部件(如燈絲等)，抗振動性能好。LED的壽命一般可達到20000～100000小時，遠高于白熾燈，而且響應速度快。與熒光燈相比較，LED不含有危害人體健康的汞，是無污染的光源。

利用LED光源提高照明系統性能是飛機照明技術的發展方向。由于LED的可靠性高(國外供應商提供的泛光燈的MTBF值可達50000小時)，因此能大幅降低飛機照明系統的故障率，減少飛機的維護成本。

3LED泛光照明的設計分析

3.1光色分析

縱觀飛機駕駛艙照明的發展歷程，常用的有紅光、白光、藍白光和夜視綠等4種光色。GJB 455-88[2]認為座艙照明可以選擇紅光、白光和藍白光三種，并對其色度坐標范圍作了規定。SAE ARP1048[10]和SAE AS264[11]則只提到紅光和白光，且只要求紅光波長在600nm以上。MIL-DTL-7788H[9]則對4種光色均作了要求。

照明光色的選擇主要根據不同視覺的需要，也就是根據不同飛機的飛行任務需要和總體要求來選擇各自合適的照明顏色。一般情況下，對于民用飛機而言，飛機航程遠，飛行時間長，都十分強調為飛行員創造良好而舒適的工作條件及環境。由于飛行員長時間進行精細的作業，十分容易造成視覺疲勞，所以中遠程民用飛機的駕駛艙照明光色選用白色照明更為適宜[20]。對于飛行任務要求飛行員保持最佳外視力、也就是說對于中低空飛行，需要頻繁替換觀察艙內、艙外，飛行時間較短的飛機，駕駛艙選用紅光照明比較適合。對于飛行任務既要分辨顏色微弱差別，又要粗略觀察目標細節，選擇介于紅光和白光之間的藍白光比較合適。

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，也對飛機電源系統提出了較高的要求。據調查，國內外軍民用飛機所采用的電源系統主要有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等。前兩種電源系統不提供低壓直流電源，若使用LED燈，每個LED燈都必須配備一個電源盒，如此將增加照明系統的重量，而且系統的可靠性也會降低。后兩種電源系統直接提供28V直流電源，比較適合LED光源的使用。

3.3布置分析

布置分析就是根據駕駛艙總體布置和各系統的照明需求情況確定泛光燈的安裝位置，使安裝設計既能滿足總體和各系統的輸入需求，又能達到相關標準要求。駕駛艙空間有限，設備布置非常緊湊。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，提供一個舒適的光環境。

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

現代民用飛機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，側操作臺泛光燈布置于側操縱臺上方的窗戶下沿，中央操縱臺泛光燈布置于頂部控制板上。

3.4調光控制分析

3.4.1PWM調光

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

圖2　光通量與驅動電流的關系曲線Fig.2　Relation Curve of Luminous Flux and Driving Current

LED可實現快速開關，開關速度可高達微秒，是任何發光器件所無法比擬的，因此采用恒流源，用改變LED通斷時間的方法，就可以改變其亮度(在電流恒定的情況下，LED亮度與導通時間成正比)，即脈寬調制(PWM)調光法[21]。

PWM調光實質是通過PWM信號控制LED的通斷，在某一固定頻率下，通過調節脈沖的占空比來改變LED的通斷時間。在整個工作過程中LED的電流值或為零，或為一恒定值。由于利用了人眼的視覺暫留效應，所以在達到一定頻率后，人眼對LED的亮度感覺是連續穩定的光。

PWM調光相對于傳統串聯電阻降壓調光有較大的優勢，主要表現在以下幾個方面：

a)保證調光過程顏色的一致性：改變LED的電流會使LED的PN結溫度有所改變，從而造成發射光譜的功率分布發生變化，進而導致發光顏色改變。PWM調光只改變電流脈寬來調節LED亮度，在通電時間內電流值不變，因此PWM調光能保證調光過程顏色的一致性；

b)降低功耗：在暗狀態時，電壓調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調光可以避免此類功率消耗，因此能有效降低功耗；

c)便于實現總線控制技術。

3.4.2LED泛光照明的調光設計

對于泛光照明的調光，民用飛機采用分區域調光的控制方式。泛光照明分為5個照明區域：包括儀表板左側泛光照明、儀表板右側泛光照明、左操縱臺泛光照明、右操縱臺泛光照明和中央操縱臺泛光照明。相應地設置了5個區域調光旋鈕，每個調光旋鈕均可實現本區域泛光照明100%連續調節。

為了更好地保證光色均勻性和調光一致性，LED泛光照明采用PWM調光方法，并通過調光控制盒實現。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光信號傳輸給調光控制盒。調光控制盒通過硬線輸出PWM信號給各個區域的泛光燈，如圖3所示。

在飛機遭遇雷雨天氣的情況下，泛光照明可通過雷雨開關“STORM”統一控制。調光控制盒直接接收雷雨開關的模擬信號，并根據接收到的信號調整輸出，使駕駛艙內所有的泛光照明處于最亮狀態。

4仿真驗證

4.1仿真條件

圖3　LED泛光照明調光架構Fig.3　Dimming Architecture of LED Flood Lighting

此次仿真基于某型民用飛機的三維模型進行，選擇某公司提供的泛光燈作為仿真燈具，相關參數詳見表2。

表2　泛光燈相關參數

4.2仿真結果

儀表板仿真燈具布置于遮光板下表面，將探測器置于儀表板表面，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，靠近儀表板燈發光處最亮，照度為1225lx，對比度0.86左右，在水平方向照度比較均勻，對比度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/右操縱臺泛光燈仿真燈具布置于側操縱臺上方的窗戶下沿，將探測器設置在左/右操縱臺表面。從圖5所示的照度仿真效果圖可以看出，左/右操縱臺泛光燈給操縱臺表面提供了足夠的照度，平均照度在350lx左右，符合相關標準要求。

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

中央操縱臺仿真燈具布置于布置于頂部控制板上，將探測器設置在中央操縱臺表面，從圖6所示的照度仿真效果圖可以看出，操縱臺表面照度均勻，平均照度在450lx左右，符合相關標準要求。

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

5結束語

本文從民用飛機泛光照明的基本要求出發，結合LED光源本身的特性和人體工效學的研究結果，通過光色分析、供電分析、布置分析和調光控制分析形成了一種方案：白光LED、28VDC供電、PWM調光。文章最后基于某型民用飛機的三維模型采用某公司提供的白光LED泛光燈進行仿真測試，結果顯示其光學性能較好地達到了泛光照明的照度要求，為某型民用飛機的泛光照明設計提供一定依據。

參考文獻

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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：TN2

文獻標識碼：A

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