LED在民用飛機儀表板泛光照明中的應用*

黃 瑜 林燕丹 姚 其 孫耀杰

(復旦大學電光源研究所，先進照明技術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駕駛艙照明的重要組成部分。飛機駕駛艙照明系統，主要是指通過對頂部板、儀表板、中央操縱臺等區域的泛光照明設計以及飛行機組所需的局部照明設計，為飛行人員創造一個良好的視覺環境。儀表板泛光照明系統的合理設計涉及較多的實際工程問題，例如從人體工效學的角度要保證飛行員不易疲勞，而且保持較高的視覺績效，從電氣和機械的角度要做到符合駕駛艙應用要求等等。其中照明光源的選用是一個比較突出的問題。在過去，傳統光源主導了民用飛機儀表板泛光照明的應用。而LED作為世界上最先進的照明光源之一，其發展已經受到了各國的重視。一些廠商已經嘗試把LED引入到飛機駕駛艙照明中。然而，關于LED在民用飛機儀表板泛光照明中的應用，還有很多值得研究的課題，包括其可行性如何、具體參數應該怎樣選取等等。儀表板泛光照明布局見圖1。

圖1 儀表板泛光照明布局

2 民用飛機儀表板泛光照明的指標和相關要求

總的來說，飛機駕駛艙照明系統的合理設計與布局要注重功能性與舒適性，旨在為飛行員創造一個良好舒適的視覺環境，對于飛行安全具有重要作用。各部分的燈具選擇和布局設計必須滿足特定的要求。針對儀表板泛光照明，主要看它的暗適應性、視覺效果、判讀準確性［1］。相應地，必須根據實際情況對照明光色、亮度 (由背光和泛光照明共同提供)、照度等指標提出具體的要求。涉及這些要求的標準可分為國外和國內標準兩類。其中，國外的常用標準有美國機動車工程師學會標準 (SAE)和美國軍用標準 (MIL)，國內則為航空工業標準(HB)和國軍標 (GJB)。縱觀飛機發展的歷史，人們選作儀表板泛光照明的光色主要有紅光、白光、藍白光和夜視綠［2］。究竟選用什么光色，主要取決于飛機的用途，同時還要考慮飛行速度、高度、駕駛員人機工效等方面的因素。目前主流的民用飛機普遍采用藍白光 (如空客公司產品)和白光體制 (如波音公司產品)。而涉及亮度和照度的標準較多 (如 SAE的ARP4103、AS7788等)，對具體指標的推薦也不盡相同［3～9］。對這些標準整理如表 1所示。

表1 各標準對儀表板泛光照明的要求

3 LED應用于飛機儀表板泛光照明的優勢和問題

3.1 LED應用于飛機儀表板泛光照明的優勢

就駕駛艙照明應用而言，LED較傳統光源具有不少的優點。比如LED的功率較低，一般在0.03～1W，有利于飛機節能;LED可以做到無紅外線輻射，不會干擾某些機載設備的工作;LED是固態光源，不像白熾燈那樣有脆弱的燈絲，因此抗震性較強，適于較為惡劣的飛行條件。同時，由于工作穩定性高帶來的飛機照明系統故障率的大幅降低，都使得飛機的維護成本減少。LED在這些方面的卓越性能引起了相關機構的密切關注，比如美國聯邦航空委員會 (FAA)已經就LED在航空領域的應用問題開展了深入的討論和研究。

3.2 LED應用于飛機儀表板泛光照明的問題

應該說把LED應用于飛機駕駛艙還是一個新的話題。無論是新型的民航客機如 A380、B787等使用LED作為駕駛艙照明光源，還是對原來使用傳統光源的機型進行改造，在一定程度上也是一種嘗試。把LED應用于儀表板泛光照明還需要進一步的研究。比如，如何根據駕駛員的實際需要來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疲勞;目前駕駛艙照明主要表現為LED、鹵素燈和熒光燈共存［10］，其中 LED是使用直流電源 (電流)控制，而鹵素燈和熒光燈是電壓控制 (交流)，所以在使用LED照明的時候也對照明電力控制系統提出了較高的要求。同時，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燈具散熱也會更困難，導致其壽命降低。

4 LED儀表板泛光燈的應用實例

某機型采用了一款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。整體形狀近似于長方體，長度，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，燈具總體質量不超過140g。為配合飛機供電系統使用，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調、舒適，同時能適用于不同的場景，設計者還在燈具上添加了調光功能。據悉該款燈具的標稱壽命達到10000小時以上。光學特性方面，燈具出光不對稱，主要分布在法線單側45°內 (如圖 3)，且該范圍內最小光強為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儀表板泛光燈的設計

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上方，因此要求燈具朝向單側出光。同時，由于燈具和儀表板被照面的側向距離相對于儀表板的高度來說比較小，在光學設計上屬于近場問題。這些因素都導致結構和光學設計成為儀表板泛光燈設計的難點。至于熱學和電學設計，儀表板泛光燈與其他類型的燈具相比并沒有太大的區別。

根據實際情況，取燈具和儀表板被照面的側向距離為5cm，儀表板的高度為15cm，結合各標準對儀表板泛光照明的要求，可以列出儀表板泛光燈的光學設計目標如表2所示。其中光輸出要求可實現從最暗到最亮狀態的調節。

表2 儀表板泛光燈光學設計目標性能

根據目標性能要求，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)，并提出一個可能的設計方案，其光強分布和照明效果分別如圖4和圖5所示。可見在最亮狀態下，照射在儀表板上的光通量為53.6lm，均勻度良好，各項指標均達到要求。

圖4 光學設計方案光強分布

圖5 光學設計方案照明效果

6 結語

作為一種新興光源，LED正在逐步滲透到照明的每一個角落。對于LED在民用飛機儀表板泛光照明中的應用，還有很多實際問題值得研究和探索。本文從民用飛機儀表板泛光照明的基本要求出發，結合LED光源本身的特性，剖析了LED應用于民用飛機儀表板泛光照明的優勢和問題。在實際應用中，光學設計是儀表板泛光照明的難點。本文設計了一種可能的方案，其光學性能較好地達到了儀表板泛光照明的要求。

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

［2］蔣楓，汪慧麗.飛機駕駛艙照明的工程心理分析與工程設計實踐 ［J］.航空標準化，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.飛機座艙照明基本技術要求及測試方法.

［8］GJB1394—92.與夜視成象系統兼容的飛機內部照明.

［9］HB6491—91.飛機內部照明設備通用要求.

［10］程繼金，自主創新.實現半導體光源技術在民航客機上的應用.中國民航報，2007.