LED在民用飞机驾驶舱泛光照明中的应用

王素环

(中航飞机研发中心，陕西 西安　710089)



LED在民用飞机驾驶舱泛光照明中的应用

王素环

(中航飞机研发中心，陕西 西安710089)

摘要：本文从民用飞机驾驶舱照明的相关标准出发，提出了泛光照明的照度需求。结合LED光源本身的特性，剖析了LED应用于泛光照明的优势。基于LED光源的特性和人体工效学的研究结果，从光色、供电、布置和调光控制等4方面对泛光照明的设计进行了详细地分析说明，形成了一种方案：白光LED、28VDC供电、PWM调光。最后，选用合适的灯具进行仿真测试，结果显示其光学性能较好地达到了泛光照明的要求。

关键词：泛光照明；LED；调光控制

引言

飞机驾驶舱泛光照明用于照亮仪表板、左/右操纵台以及中央操纵台等区域。合理的驾驶舱泛光照明能保证飞行员看得快，看得清，又不易疲劳。否则，判读和操纵的错误将增加，即“人为差错率”上升。国外飞行事故统计分析资料介绍，“人为差错”造成的事故占全部事故的40%，直升机达70%[1]。驾驶舱泛光照明不合理，引起视觉疲劳是造成“人为差错”的直接原因之一。

本文首先分析研究驾驶舱照明的相关标准，提出泛光照明的设计需求。其次，结合LED光源本身的特性，剖析LED应用于泛光照明的优势。再次，从光色、供电、布置和调光控制等4方面对泛光照明的设计进行详细地分析说明，并形成了一种方案：白光LED、28VDC供电、PWM调光。最后，选用合适的灯具进行仿真测试，验证设计的合理性。

1驾驶舱照明相关标准

现有的民用飞机驾驶舱照明的标准大致分为适航规章和行业标准。适航规章CCAR-25部仅对驾驶舱照明做了定性要求，尚未提出定量要求。而目前已有的国家军用标准和航空工业标准，大多制定于20世纪80年代和90年代[2-7]，这些标准所提的照明技术参数已经不能完全符合现代民用飞机的需求。国外标准中最具代表性的是美国军用标准[8,9]和SAE[10-18]标准，这些标准多数制定于2000年以后，能较好地体现现代照明技术的水平，可作为泛光照明的设计输入。

通过对比研究相关标准，依据SAE-ARP4103[13]和SAE-ARP1161[15]，给出驾驶舱泛光照明的定量设计需求，详见表1。

表1　泛光照明设计需求

2LED应用于泛光照明的优势

泛光照明的合理设计涉及较多的实际工程问题，而照明光源的选用是其中一个比较突出的问题[19]。据调查，现役的民航客机多数使用传统的白炽灯(尤其是卤素灯)或荧光灯作为驾驶舱照明光源，而新型的民航客机，如A380和B787都不同程度上使用了LED。LED被引入到飞机驾驶舱照明，是出于它在某些方面所表现出的优势，如节能、寿命长、稳定性和抗震性好等。

LED利用PN结中少子与多子的复合来实现发光，发光波长对应于PN结的禁带宽度。LED用作照明光源具有体积小、可靠性高、能冷启动、亮度可调性好、低压直流工作更安全等优点。LED属于一次光源，在发光过程中，电能直接变成了光能，在与普通白炽灯保持同样亮度下，其耗电量只有后者的十分之一。LED是固态光源，没有活动部件和易损坏部件(如灯丝等)，抗振动性能好。LED的寿命一般可达到20000～100000小时，远高于白炽灯，而且响应速度快。与荧光灯相比较，LED不含有危害人体健康的汞，是无污染的光源。

利用LED光源提高照明系统性能是飞机照明技术的发展方向。由于LED的可靠性高(国外供应商提供的泛光灯的MTBF值可达50000小时)，因此能大幅降低飞机照明系统的故障率，减少飞机的维护成本。

3LED泛光照明的设计分析

3.1光色分析

纵观飞机驾驶舱照明的发展历程，常用的有红光、白光、蓝白光和夜视绿等4种光色。GJB 455-88[2]认为座舱照明可以选择红光、白光和蓝白光三种，并对其色度坐标范围作了规定。SAE ARP1048[10]和SAE AS264[11]则只提到红光和白光，且只要求红光波长在600nm以上。MIL-DTL-7788H[9]则对4种光色均作了要求。

照明光色的选择主要根据不同视觉的需要，也就是根据不同飞机的飞行任务需要和总体要求来选择各自合适的照明颜色。一般情况下，对于民用飞机而言，飞机航程远，飞行时间长，都十分强调为飞行员创造良好而舒适的工作条件及环境。由于飞行员长时间进行精细的作业，十分容易造成视觉疲劳，所以中远程民用飞机的驾驶舱照明光色选用白色照明更为适宜[20]。对于飞行任务要求飞行员保持最佳外视力、也就是说对于中低空飞行，需要频繁替换观察舱内、舱外，飞行时间较短的飞机，驾驶舱选用红光照明比较适合。对于飞行任务既要分辨颜色微弱差别，又要粗略观察目标细节，选择介于红光和白光之间的蓝白光比较合适。

3.2供电分析

LED使用低压直流电源(电流)控制，因此在使用LED照明时，也对飞机电源系统提出了较高的要求。据调查，国内外军民用飞机所采用的电源系统主要有115/200V 400Hz恒频交流、115/200V变频交流、28V低压直流以及28V直流和115/200V变频交流组成的混合电源系统等。前两种电源系统不提供低压直流电源，若使用LED灯，每个LED灯都必须配备一个电源盒，如此将增加照明系统的重量，而且系统的可靠性也会降低。后两种电源系统直接提供28V直流电源，比较适合LED光源的使用。

3.3布置分析

布置分析就是根据驾驶舱总体布置和各系统的照明需求情况确定泛光灯的安装位置，使安装设计既能满足总体和各系统的输入需求，又能达到相关标准要求。驾驶舱空间有限，设备布置非常紧凑。泛光灯的布置不仅要让飞行员看得清各操纵面板，还要尽量避免眩光，做到光线柔和，提供一个舒适的光环境。

图1　典型驾驶舱照明布局Fig.1　Typical Collocation of Cockpit Lighting

现代民用飞机驾驶舱灯具典型布置图如图1所示。仪表板泛光灯布置于遮光板下表面，侧操作台泛光灯布置于侧操纵台上方的窗户下沿，中央操纵台泛光灯布置于顶部控制板上。

3.4调光控制分析

3.4.1PWM调光

LED光特性通常描述为电流的函数，而不是电压的函数，即驱动电流在一定范围内变化时，LED光通量随着驱动电流增大而非线性增大(如图2所示)，因此采用恒流源驱动可以更好地控制LED亮度。

图2　光通量与驱动电流的关系曲线Fig.2　Relation Curve of Luminous Flux and Driving Current

LED可实现快速开关，开关速度可高达微秒，是任何发光器件所无法比拟的，因此采用恒流源，用改变LED通断时间的方法，就可以改变其亮度(在电流恒定的情况下，LED亮度与导通时间成正比)，即脉宽调制(PWM)调光法[21]。

PWM调光实质是通过PWM信号控制LED的通断，在某一固定频率下，通过调节脉冲的占空比来改变LED的通断时间。在整个工作过程中LED的电流值或为零，或为一恒定值。由于利用了人眼的视觉暂留效应，所以在达到一定频率后，人眼对LED的亮度感觉是连续稳定的光。

PWM调光相对于传统串联电阻降压调光有较大的优势，主要表现在以下几个方面：

a)保证调光过程颜色的一致性：改变LED的电流会使LED的PN结温度有所改变，从而造成发射光谱的功率分布发生变化，进而导致发光颜色改变。PWM调光只改变电流脉宽来调节LED亮度，在通电时间内电流值不变，因此PWM调光能保证调光过程颜色的一致性；

b)降低功耗：在暗状态时，电压调光电路的大部分功率耗散在电位器等阻性器件上，而采用PWM调光可以避免此类功率消耗，因此能有效降低功耗；

c)便于实现总线控制技术。

3.4.2LED泛光照明的调光设计

对于泛光照明的调光，民用飞机采用分区域调光的控制方式。泛光照明分为5个照明区域：包括仪表板左侧泛光照明、仪表板右侧泛光照明、左操纵台泛光照明、右操纵台泛光照明和中央操纵台泛光照明。相应地设置了5个区域调光旋钮，每个调光旋钮均可实现本区域泛光照明100%连续调节。

为了更好地保证光色均匀性和调光一致性，LED泛光照明采用PWM调光方法，并通过调光控制盒实现。泛光照明作为主照明的备用光源，出于安全余度的考虑，均采用硬线直接将模拟调光信号传输给调光控制盒。调光控制盒通过硬线输出PWM信号给各个区域的泛光灯，如图3所示。

在飞机遭遇雷雨天气的情况下，泛光照明可通过雷雨开关“STORM”统一控制。调光控制盒直接接收雷雨开关的模拟信号，并根据接收到的信号调整输出，使驾驶舱内所有的泛光照明处于最亮状态。

4仿真验证

4.1仿真条件

图3　LED泛光照明调光架构Fig.3　Dimming Architecture of LED Flood Lighting

此次仿真基于某型民用飞机的三维模型进行，选择某公司提供的泛光灯作为仿真灯具，相关参数详见表2。

表2　泛光灯相关参数

4.2仿真结果

仪表板仿真灯具布置于遮光板下表面，将探测器置于仪表板表面，从图4所示的照度仿真效果图可以看到，仪表板灯被点亮后，在仪表板垂直方向照度分布由上至下递减，靠近仪表板灯发光处最亮，照度为1225lx，对比度0.86左右，在水平方向照度比较均匀，对比度0.96左右。

图4　仪表板泛光灯仿真效果图Fig.4　Simulation Effect of Instrument Board Flood Light

左/右操纵台泛光灯仿真灯具布置于侧操纵台上方的窗户下沿，将探测器设置在左/右操纵台表面。从图5所示的照度仿真效果图可以看出，左/右操纵台泛光灯给操纵台表面提供了足够的照度，平均照度在350lx左右，符合相关标准要求。

图5　左/右操纵台泛光灯仿真效果图Fig.5　Simulation Effect of L/R Pedestal Flood Light

中央操纵台仿真灯具布置于布置于顶部控制板上，将探测器设置在中央操纵台表面，从图6所示的照度仿真效果图可以看出，操纵台表面照度均匀，平均照度在450lx左右，符合相关标准要求。

图6　中央操纵台泛光灯仿真效果图Fig.6　Simulation Effect of Centre Pedestal Flood Light

5结束语

本文从民用飞机泛光照明的基本要求出发，结合LED光源本身的特性和人体工效学的研究结果，通过光色分析、供电分析、布置分析和调光控制分析形成了一种方案：白光LED、28VDC供电、PWM调光。文章最后基于某型民用飞机的三维模型采用某公司提供的白光LED泛光灯进行仿真测试，结果显示其光学性能较好地达到了泛光照明的照度要求，为某型民用飞机的泛光照明设计提供一定依据。

参考文献

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[21] 陈大华. 绿色照明LED使用技术[M]. 北京：化学工业出版社，2009：40-41.

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

中图分类号：TN2

文献标识码：A

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