LED在民用飞机仪表板泛光照明中的应用*

黄 瑜 林燕丹 姚 其 孙耀杰

(复旦大学电光源研究所，先进照明技术教育部工程研究中心，上海 200433)

1 引言

仪表板泛光照明是飞机驾驶舱照明的重要组成部分。飞机驾驶舱照明系统，主要是指通过对顶部板、仪表板、中央操纵台等区域的泛光照明设计以及飞行机组所需的局部照明设计，为飞行人员创造一个良好的视觉环境。仪表板泛光照明系统的合理设计涉及较多的实际工程问题，例如从人体工效学的角度要保证飞行员不易疲劳，而且保持较高的视觉绩效，从电气和机械的角度要做到符合驾驶舱应用要求等等。其中照明光源的选用是一个比较突出的问题。在过去，传统光源主导了民用飞机仪表板泛光照明的应用。而LED作为世界上最先进的照明光源之一，其发展已经受到了各国的重视。一些厂商已经尝试把LED引入到飞机驾驶舱照明中。然而，关于LED在民用飞机仪表板泛光照明中的应用，还有很多值得研究的课题，包括其可行性如何、具体参数应该怎样选取等等。仪表板泛光照明布局见图1。

图1 仪表板泛光照明布局

2 民用飞机仪表板泛光照明的指标和相关要求

总的来说，飞机驾驶舱照明系统的合理设计与布局要注重功能性与舒适性，旨在为飞行员创造一个良好舒适的视觉环境，对于飞行安全具有重要作用。各部分的灯具选择和布局设计必须满足特定的要求。针对仪表板泛光照明，主要看它的暗适应性、视觉效果、判读准确性［1］。相应地，必须根据实际情况对照明光色、亮度 (由背光和泛光照明共同提供)、照度等指标提出具体的要求。涉及这些要求的标准可分为国外和国内标准两类。其中，国外的常用标准有美国机动车工程师学会标准 (SAE)和美国军用标准 (MIL)，国内则为航空工业标准(HB)和国军标 (GJB)。纵观飞机发展的历史，人们选作仪表板泛光照明的光色主要有红光、白光、蓝白光和夜视绿［2］。究竟选用什么光色，主要取决于飞机的用途，同时还要考虑飞行速度、高度、驾驶员人机工效等方面的因素。目前主流的民用飞机普遍采用蓝白光 (如空客公司产品)和白光体制 (如波音公司产品)。而涉及亮度和照度的标准较多 (如 SAE的ARP4103、AS7788等)，对具体指标的推荐也不尽相同［3～9］。对这些标准整理如表 1所示。

表1 各标准对仪表板泛光照明的要求

3 LED应用于飞机仪表板泛光照明的优势和问题

3.1 LED应用于飞机仪表板泛光照明的优势

就驾驶舱照明应用而言，LED较传统光源具有不少的优点。比如LED的功率较低，一般在0.03～1W，有利于飞机节能;LED可以做到无红外线辐射，不会干扰某些机载设备的工作;LED是固态光源，不像白炽灯那样有脆弱的灯丝，因此抗震性较强，适于较为恶劣的飞行条件。同时，由于工作稳定性高带来的飞机照明系统故障率的大幅降低，都使得飞机的维护成本减少。LED在这些方面的卓越性能引起了相关机构的密切关注，比如美国联邦航空委员会 (FAA)已经就LED在航空领域的应用问题开展了深入的讨论和研究。

3.2 LED应用于飞机仪表板泛光照明的问题

应该说把LED应用于飞机驾驶舱还是一个新的话题。无论是新型的民航客机如 A380、B787等使用LED作为驾驶舱照明光源，还是对原来使用传统光源的机型进行改造，在一定程度上也是一种尝试。把LED应用于仪表板泛光照明还需要进一步的研究。比如，如何根据驾驶员的实际需要来选择光源的亮度和色温;如何减少反光、防止各种眩光和视觉疲劳;目前驾驶舱照明主要表现为LED、卤素灯和荧光灯共存［10］，其中 LED是使用直流电源 (电流)控制，而卤素灯和荧光灯是电压控制 (交流)，所以在使用LED照明的时候也对照明电力控制系统提出了较高的要求。同时，LED作为新兴的照明光源，其本身的特性也有待提高。例如随着功率的增加，LED灯具散热也会更困难，导致其寿命降低。

4 LED仪表板泛光灯的应用实例

某机型采用了一款LED灯具为仪表板提供泛光照明。这款灯具的外观如图 2所示。整体形状近似于长方体，长度，宽度和厚度分别约为7cm，4cm和3cm。它的光源为48颗小功率的白光LED，灯具总体质量不超过140g。为配合飞机供电系统使用，这款灯具的工作电压为28V直流电，工作电流约为120mA。为保证驾驶舱照明整体协调、舒适，同时能适用于不同的场景，设计者还在灯具上添加了调光功能。据悉该款灯具的标称寿命达到10000小时以上。光学特性方面，灯具出光不对称，主要分布在法线单侧45°内 (如图 3)，且该范围内最小光强为35cd。此外，由于该款灯具形状普通、安装方便，也可以作为顶部板、断路器板泛光灯等使用。

图2 某仪表板泛光灯外观

图3 某仪表板泛光灯出光分布

5 LED仪表板泛光灯的设计

从图1中仪表板泛光照明的布局情况我们可以看到，仪表板泛光灯一般安装在仪表的侧上方，因此要求灯具朝向单侧出光。同时，由于灯具和仪表板被照面的侧向距离相对于仪表板的高度来说比较小，在光学设计上属于近场问题。这些因素都导致结构和光学设计成为仪表板泛光灯设计的难点。至于热学和电学设计，仪表板泛光灯与其他类型的灯具相比并没有太大的区别。

根据实际情况，取灯具和仪表板被照面的侧向距离为5cm，仪表板的高度为15cm，结合各标准对仪表板泛光照明的要求，可以列出仪表板泛光灯的光学设计目标如表2所示。其中光输出要求可实现从最暗到最亮状态的调节。

表2 仪表板泛光灯光学设计目标性能

根据目标性能要求，本文选用某款功率为1W的大功率白光LED两颗 (其光效为65lm@350mA，配光为朗伯型)，并提出一个可能的设计方案，其光强分布和照明效果分别如图4和图5所示。可见在最亮状态下，照射在仪表板上的光通量为53.6lm，均匀度良好，各项指标均达到要求。

图4 光学设计方案光强分布

图5 光学设计方案照明效果

6 结语

作为一种新兴光源，LED正在逐步渗透到照明的每一个角落。对于LED在民用飞机仪表板泛光照明中的应用，还有很多实际问题值得研究和探索。本文从民用飞机仪表板泛光照明的基本要求出发，结合LED光源本身的特性，剖析了LED应用于民用飞机仪表板泛光照明的优势和问题。在实际应用中，光学设计是仪表板泛光照明的难点。本文设计了一种可能的方案，其光学性能较好地达到了仪表板泛光照明的要求。

［1］陈方虎，岳红萍.飞机座舱导光板照明 ［J］.电子机械工程，2004(4)，pp.12～14.

［2］蒋枫，汪慧丽.飞机驾驶舱照明的工程心理分析与工程设计实践 ［J］.航空标准化，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.飞机座舱照明基本技术要求及测试方法.

［8］GJB1394—92.与夜视成象系统兼容的飞机内部照明.

［9］HB6491—91.飞机内部照明设备通用要求.

［10］程继金，自主创新.实现半导体光源技术在民航客机上的应用.中国民航报，2007.