LED防撞燈光學系統(tǒng)的理論計算與仿真分析

汪雪玲，冶 振，馬軍祥

(蘭州萬里航空機電有限責任公司 730000)

引言

航空照明技術(shù)是一項在不斷發(fā)展的照明技術(shù)，可分為艙內(nèi)照明與機外照明兩部分，航空機外照明設(shè)備用于飛機起飛、著陸、滑行和航行時的飛行環(huán)境照明，是飛機照明系統(tǒng)的重要組成部分[1-3]。防撞燈系統(tǒng)屬于機外照明系統(tǒng)的一種，在飛機起飛、航行和降落等過程中起著標志飛機位置，為地面與他機提供醒目的防撞信號，一般位于垂直尾翼和機翼翼尖等位置，與航行燈相互協(xié)作，是飛機照明系統(tǒng)中不可或缺的重要部分。隨著飛機照明系統(tǒng)的發(fā)展，在實際工程應(yīng)用中，飛行環(huán)境、氣候環(huán)境以及人機工程等因素的復(fù)雜化，對航空機外照明防撞系統(tǒng)的要求越來越高，從照明設(shè)備的光性能、可靠性、氣動性、以及夜視兼容性等方面，使得航空機外照明防撞燈照明技術(shù)不斷的升級和發(fā)展，照明燈具形式也更豐富和多樣化，大大改善了航空機外照明環(huán)境條件。

1 防撞燈技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

防撞燈一般位于飛機機翼翼尖、翼尾和垂直尾翼部位，為他機提供告警信息，以防碰撞。早期的防撞燈利用脈沖氙燈照明技術(shù)實現(xiàn)防撞功能，脈沖氙燈采用螺旋形石英管作為燈管材料，以高質(zhì)密度電極為氙燈的電極，通過高壓電離氙氣分子，使能量通過預(yù)電離火花通道迅速釋放而發(fā)光，再加以白色燈罩或紅色燈罩產(chǎn)生高亮度白光或紅光，具有體積小、重量輕、發(fā)光亮度高的優(yōu)點。為某型機配套的帶有專用的電源盒的紅光脈沖氙燈式防撞燈結(jié)構(gòu)如圖1所示，該防撞燈具有體積小、重量輕的明顯優(yōu)勢，但因為光源發(fā)出的白光通過紅色燈罩產(chǎn)生高頻紅光，使得光電效率大大降低，且需配置單獨的控制盒來提供觸發(fā)和電源信號，不利于飛機的體積與重量控制要求。

圖1 某型機脈沖氙燈防撞燈Fig.1 Xenon Lamp anti-collision light of an aircraft

LED光源具有壽命長、可靠性高、功耗小、抗振性能好等特點，LED防撞燈很好地解決了原脈沖式氙氣燈防撞燈存在的故障率高、壽命短、維護成本高的技術(shù)難點。相較于脈沖氙燈作為光源的防撞燈，LED防撞燈在不規(guī)則的光分布情況下，配光形式更為靈活，通過合理分布不同方向的LED數(shù)量與排布，或?qū)ζ溥M行二次光學設(shè)計來改變光分布，可使得防撞燈光學系統(tǒng)更加節(jié)能。又因LED優(yōu)異的發(fā)光特性，顏色可供多種選擇、較大的色溫可選范圍以及紅外LED的良好夜視兼容性，使得LED防撞燈在近年來成為航空機外照明防撞燈的主流照明方式[4-6]。

2 防撞燈性能指標

根據(jù)CCAR-25-R4中第25.140 1條要求，防撞燈作用范圍必須至少達到飛機水平平面上、下各75度范圍內(nèi)的所有方向[7，8]。其顏色滿足第25.139 7條航空紅或航空白要求，具體要求如下：

(a)航空紅色

“y”不大于0.335；

“z”不大于0.002。

(b) 航空白色

“x”不小于0.300 且不大于0.540；

“y”不小于“x-0.040”或“yo-0.010”，取小者；

“y”不大于“x+0.020”，也不大于“0.636-0.400x”；

其中，“yo”為普朗克輻射器相對于所論“x”值的“y”坐標值。

防撞燈的有效閃爍頻率為40～100次/min，重疊區(qū)內(nèi)最高不超過180 次/min。有效光強采用下列關(guān)系式：

(1)

其中，Ie為有效光強；I(t)為作為時間的函數(shù)的瞬時光強；t2-t1為閃光持續(xù)時間。

紅光防撞燈的最小有效光強要求如表1所示。

表1 紅光防撞燈的最小有效光強Table 1 Minimum effective light intensity of red anti-collision light

白光防撞燈的有效光強是紅色防撞燈的5倍以上，其值如表2所示。白光防撞燈又叫高亮度白色頻閃燈，以一定的頻率閃爍，亮度很高。

表2 白光防撞燈的最小有效光強Table 2 Minimum effective light intensity of white anti-collision light

根據(jù)表2中白光防撞燈的光強與角度分布關(guān)系，進行描點繪圖，得到最小有效光強與垂直面內(nèi)角度θ的近似關(guān)系如圖2所示。

圖2 防撞燈有效光強近似分布圖Fig.2 Approximate distribution of effective light intensity of anti-collision light

3 LED的選型與理論計算

根據(jù)CCAR-25-R4指標要求，防撞燈最小照射范圍為：水平方向±90°、垂直方向±75°；顏色：航空白。考慮出光效率與封裝尺寸等因素，選用大功率的CREE XPL航空白顏色的LED來作為防撞燈的發(fā)光光源，色溫4 250 K、中性白，亮度高，對飛行員的視覺不會引起刺激和不適感。根據(jù)其伏安特性曲線與相對光通量效率曲線關(guān)系，可得該LED最大功率約為10 W，啟動電壓約為2.6 V，在1 050 mA@25 ℃下光通量為400 lm，1 050 mA@85 ℃下光通量為360 lm，1 050 mA電流下電壓約為2.95 V。

水平面內(nèi)要求光分布均勻，照射范圍為-90°～ 90°；水平面向上和向下(垂直面內(nèi))光分布呈階梯狀，照射范圍為-75°～ 75°，光通量與光強的關(guān)系為

I=Φ/Ω

(2)

因為一般光源的光強分布在各個方向上是不同的，所以在某一方向的光強Iv(φ,θ)與光通量Φv(φ,θ)的關(guān)系為

Iv(φ,θ)=dΦv(φ,θ)/dΩ

(3)

其中，IV表示在某方向的光強值，ΦV表示在包含該方向的微小立體角dΩ內(nèi)發(fā)出的光通量，可通過計算得出dΩ=sinθdθdφ,所以

(4)

將圖3中最小有效光強與角度的近似關(guān)系代入式(4)中，因為有效光強分布分別關(guān)于Z軸與水平面對稱，則得到最小有效光強所需的最小有效光通量約為

≈4088.4 lm

(5)

LED防撞燈觸發(fā)信號為+12 V，脈寬為(300±50)ms(t2-t1≈0.3s)，閃光頻率為(60±5)次/min，觸發(fā)信號序列如圖3所示。

根據(jù)防撞燈有效光強與峰值光強的關(guān)系式1，類比防撞燈有效光通量與峰值光通量的關(guān)系，則所需峰值光通量約為6 814 lm。考慮LED芯片正常使用時驅(qū)動電源的電源效率約為90%，仿真計算的損耗和實際應(yīng)用時燈具損耗約20%(由加工、裝配工藝等造成的損耗)，實際光通量為仿真光通量的70%，則仿真時所需最小光通量約為13 519.8 lm，選用單顆LED工作在1 050 mA電流@85 ℃下光通量約為360 lm，則所需LED數(shù)量最少為38顆。

圖3 觸發(fā)信號脈沖序列圖Fig.3 Trigger signal pulse sequence diagram

觸發(fā)信號占空比為0.3，該占空比為防撞燈高光強與熱量之間的一種平衡，是白光防撞燈經(jīng)過反復(fù)測試與試驗驗證所得。閃光頻率為(60±5)次/min，若頻率太低會降低LED防撞燈的醒目效果，若太高，則因超過人眼分辨閃爍頻率的極限而失去閃爍效果。

4 光學結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真分析

為保證CCAR-25-R4對防撞燈垂直方向階梯式光分布的要求，基于LED照明技術(shù)，采用反光杯進行二次配光設(shè)計，對LED的邊緣雜散光加以充分利用。如圖4所示，光源底座內(nèi)表面做拋光鍍鉻處理，呈拋物線形狀，作為LED反光面，兩組LED芯片分別置于兩個拋物面的焦點處，為保證防撞燈水平面向上和向下75°的照射范圍，拋物面高度在離中心線75°位置處截止。將該光源模型導(dǎo)入光學仿真軟件Tracepro中，根據(jù)光分布效果圖不斷優(yōu)化拋物線的大小與形狀、以及改變光源底座形狀來提高內(nèi)表面的反射率及光學系統(tǒng)整體效率，以確保系統(tǒng)足夠的光通量輸出。為最大化利用LED的發(fā)光效率，降低該光學系統(tǒng)熱阻，LED印制板采用導(dǎo)熱性能優(yōu)異的鋁基板，利用回流焊技術(shù)焊接LED，LED與鋁基板、鋁基板與光源底座間薄涂一層均勻的導(dǎo)熱硅脂，且光源底座采用高導(dǎo)熱率的鋁合金材料，以熱沉的形式幫助LED散熱，從而使其穩(wěn)定工作。

圖4 LED防撞燈光源底座結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure diagram of LED anti-collision light source base

LED防撞燈光源外形模型如圖5所示。燈罩材料采用有機玻璃，具有較高的透光率(92%以上)、極佳的耐候性且韌性好、重量輕等優(yōu)點，對LED光源起到了很好的物理防護作用。燈罩組件(含燈罩與密封圈)通過壓板壓接在光源底座上，為保證LED光源良好的密封性，壓板與光源底座間采用O型密封圈，且裝配時螺釘蘸密封膠進行濕裝配。燈罩與光源底座均采用流線型設(shè)計，結(jié)構(gòu)緊湊，充分利用了光源內(nèi)部空間資源且外形具有良好的氣動性，是航空機外照明設(shè)備的理想選擇。

圖5 LED防撞燈光源模型圖Fig.5 Source model of LED anti-collision light

將圖5的光源最終模型導(dǎo)入Tracepro光學仿真軟件中，進行光學仿真分析。設(shè)置燈罩的材料為有機玻璃PMMA，折射率為1.49，其光學屬性為理想透射體，拋光鍍鉻拋物面的光學屬性為100%反射鏡面，其余結(jié)構(gòu)均設(shè)為吸收體(100%吸收、無反射或透射)，加載CREE XPL的光源文件賦到每個LED發(fā)光面上，并將光通量大小設(shè)為400 lm/顆，合理設(shè)置光線數(shù)量后進行非序列光線追跡分析，得到該防撞燈光學系統(tǒng)光強分布圖(圖6)。

圖6 LED防撞燈光強分布圖Fig.6 Distribution of light intensity of LED anti-collision light

圖6(a)為該LED防撞燈在水平面內(nèi)的光強分布圖，圖6(b)為該LED防撞燈在垂直面內(nèi)的光強分布圖，均為極坐標下的光強分布。從圖6(a)、(b)中可看出，LED防撞燈水平面±90°內(nèi)光強分布均勻，垂直面±75°內(nèi)光強呈階梯式分布，滿足CCAR-25標準中對防撞燈光分布的要求。從圖6(a)中可看出，最大峰值光強值為6 049 cd，根據(jù)式(1)可計算得到最大有效光強值為3 629 cd；從圖6(b)中可看出，該系統(tǒng)輸出有效光通量為14 718 lm，最大峰值光強值為6 614 cd，根據(jù)式(1)可計算得到最大有效光強值為3 968 cd，水平面與垂直面內(nèi)光強余量充足，滿足標準要求。圖6(c)為該LED防撞燈光源底座內(nèi)表面未做拋光鍍鉻處理時(設(shè)置其光學屬性為吸收體)，在垂直面內(nèi)的光強分布圖，從該圖中可看出，輸出有效光通量為14 251 lm，最大峰值光強值為5 418 cd。對比圖6(b)的光分布效果圖，在垂直面0°～±5°范圍內(nèi)，內(nèi)表面鍍鉻處理的LED防撞燈系統(tǒng)光強分布更集中，光強提高了約20%，即在相同的光強輸出下，利用反光拋物面可使該光學系統(tǒng)更節(jié)能、更高效。

該LED防撞燈額定工作電壓為28 V，用Saber軟件進行電路仿真，得到該電路峰值總電流約為5.6 A，所以該LED防撞燈總耗電功率約為156.8 W。

則該光學系統(tǒng)的發(fā)光效率為η光=93.9 lm/W，該系統(tǒng)所采用的LED發(fā)光效率為116 lm/W(1 050 mA@85 ℃時)左右，說明該LED防撞燈光學系統(tǒng)較大程度地利用了LED芯片光效能，運行良好、設(shè)計合理。

5 結(jié)束語

LED照明技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外飛機照明系統(tǒng)中，近年來，隨著使用環(huán)境及功能要求的復(fù)雜性提高，對照明設(shè)備的光強、壽命、可靠性也提出了更高的要求，LED防撞燈的設(shè)計與應(yīng)用也成為機外照明領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。對于著陸燈、滑行燈、白光防撞燈等高光強照明設(shè)備，研制開發(fā)出更大功率、更高光效LED芯片是關(guān)鍵技術(shù)，再從芯片的封裝技術(shù)上提高對LED光效能的一次利用，從LED芯片生長、芯片封裝技術(shù)以及先進的二次配光技術(shù)等方面來提高高光強LED照明設(shè)備的電光轉(zhuǎn)換效率、降低功耗是未來航空機外照明技術(shù)的發(fā)展方向。