LED在飞机航行灯中的应用及光学设计案例分析

苏 丹

(深圳市九洲光电科技有限公司,广东 深圳 518057)

引言

LED光源作为一种新的照明光源正在快速进入照明领域，相比于传统光源，LED光源具有高光效、低能耗、长寿命、高可靠性等优点，在照明领域具有鲜明的优势。随着LED技术的发展，LED照明也逐步向特种照明领域渗透，目前已经在汽车、铁路、船舶及航天等领域得到大量应用。航天领域中，飞机航行灯用于夜间飞行时，引起相同空间飞行的其它飞机的注意，以避免飞机之间发生碰撞。以往飞机航行灯中使用的传统光源寿命有限，而且在恶劣的飞行环境中，其寿命进一步缩短，而因航行灯寿命问题而带来的频繁更换光源的情况，不仅导致高昂的维修费用，严重时还会导致重大事故，因此将LED光源应用在飞机航行灯中十分重要和迫切。

1 LED光源用于飞机航行灯具有明显的优点

首先，LED光源更容易设计成体积小、质量轻的灯具。在飞行航天器中，设备的体积和质量是重要的参数指标，LED作为第4代光源，一方面本身具有体积小，质量轻的先天优势；另一方面，由于其发光面积小，还很容易设计较小的二次光学结构，相对传统光源，能大幅减小灯具的体积和质量，减轻航天器飞行负担。

其次，LED灯具更容易被集成到控制系统中。LED本质上作为半导体电子器件，容易被集成到控制系统中，实现远程和智能控制等功能。LED的控制方式较多，不管是有线还是无线，都能够轻易实现；LED的调制频率可以达到MHz以上，能够准确地完成对系统控制信号的响应，且对自身性能无影响；LED光源的功耗低，不会造成系统的功率过载，从而提升控制系统的负载能力。

第三，使用LED灯具将会更方便地进行飞行航天器的维护。相比传统光源，LED具有更长的发光寿命和更低的光学衰减，能显著延长灯具的生命周期，减少维护量。同时LED光源在使用时限超过本身寿命的情况下，不会立即熄灭造成功能失效，为航天器的维护提供安全和时间的保障。随着LED技术的不断进步，其性能还会大幅地提升，将更有助于其在该领域的应用。

2 用于飞机航行灯的LED光源的基本要求

首先，用于飞机航行灯的LED光源应具有高安全性的特点。飞机系统中任何部件的功能失效都可能妨碍飞机继续安全运行或着落，对机组和乘客的生命安全造成危害，严重的会造成机毁人亡，所以在飞机安全性设计中，要求零部件功能失效的概率趋于不可能发生出现该情况的概率。因此在选取LED作为光源时，对其安全性须作重点评估，在飞机航行灯的应用中，宜选用低压小电流驱动、低热阻高耐温的光源，LED封装材料须具有耐温、防火、无毒无害的特点。

其次，用于飞机航行灯的LED光源应具有高可靠性的特点。飞行航空器在飞行期间的环境条件较为恶劣，尤其对于工作于机舱外部的零部件来讲，可靠性的要求更高。在飞行过程中，由于气流的原因，机翼时刻经受较为强烈的振动，这就要求选取的LED光源具有抗强振动的能力，而采用无金线的倒装LED就具有明显的优势；此外，高空环境的温度可低至零下50 ℃，而着陆环境可高达45 ℃以上,不但要求LED能在高温和低温条件下正常工作，而且还要求其光学特性不发生较大变化，能经受严格的冷热冲击；飞机的飞行高度较高，太阳光线由于缺少云层和臭氧层的阻挡，大量的有害辐射将直接照射机身，所以要求选取的LED要具有较强的抗有害辐射的能力，以保障航行灯的可靠性。

最后，用于飞机航行灯的LED光源应具有高光学质量的特点。光源的光学效率是重要的评价参数，飞机在飞行过程中，应尽量减少能源消耗，而光效越高就越有助于节能；另外，LED光源的颜色稳定性方面也要有良好性能，温度的变化会引起色坐标的漂移，必须选取光学参数热稳定性好的LED；对于有颜色区分要求的信号灯，要求LED的颜色一致性好，应选择波长单一性好、半波宽度窄的LED光源。

3 飞机前航行灯的配光要求

对飞机前航行灯来说，因为其光学分布具有特定的要求，固定翼飞机左边机翼要求安装红色前航行灯，右边机翼要求安装绿色前航行灯。图1是飞机右前航行灯水平截面的配光要求示意图，其为非对称配光，以飞机飞行前进方向为0°，右边机翼前航行灯在0°方向至顺时针10°方向角的光强的最小值为40 cd，10°方向角至顺时针20°的方向角内的光强的最小值为30 cd，20°方向角至顺时针110°方向角内的光强的最小值5 cd。左边机翼的飞机左前航行灯的水平截面的配光要求与图1中的对称。

图1 前航行灯水平面配光示意图Fig.1 Horizontal section intensity distribution of aircraft navigation light

图2是飞机前航行灯垂直截面水平面以上的配光要求示意图，以飞机前进方向作为0°方向角，在0°方向角往上至5°的方向角内，光强的最小值应为飞机前航行灯前行方向上最大值的0.9倍，在5°方向角往上至10°的方向角内，光强的最小值为飞机前航行灯前行方向上最大值的0.8倍，在10°方向角往上至15°的方向角内，光强的最小值为飞机前航行灯前行方向上最大值的0.7倍，在15°方向角往上至20°的方向角内，光强的最小值为飞机前航行灯前行方向上最大值的0.5倍，在20°方向角往上至30°的方向角内，光强的最小值为飞机前航行灯前行方向上最大值的0.3倍，在30°方向角往上至40°的方向角内，光强的最小值为飞机前航行灯前行方向上最大值的0.1倍。水平面以下(即0°方向角往下)的角度内的光强分布要求与图2的分布对称。

图2 前航行灯垂直面配光示意图Fig.2 Vertical section intensity distribution of aircraft navigation light

4 基于LED光源的飞机前航行灯光学透镜设计

LED由于封装尺寸、功率的多样性，配光设计也较为灵活，通常情况下，可设计二次透镜来满足配光要求。透镜的设计要以光学效率高、结构简单、可靠性高为前提合理进行设计。本方案设计的透镜可一次成型TIR(total internal reflect)透镜， 光路原理如图3所示，LED大角度出射光线首先以0°入射到P点(x1,y1)，经过透镜内壁的折射再以a角度出射，入射到透镜外边界上的Q点(x2,y2)发生全反射，反射光线再次被反射到下一光学面的S(x3,y3)点，满足全反射条件的光线将会继续发射，不满足全反射条件的光线将会以一定角度出射，两部分光线最终形成所需的光学分布。在光学设计时，通过将透镜的模型数学化，再利用计算机编程，设定适当的边界条件和约束条件，可以计算出透镜的基线的数值解，最后将数据导入结构建模软件可完成透镜的建模。

图3 前航行灯透镜光路图Fig.3 Optical path of aircraft navigation light lens

经过上述步骤的设计，完成的飞机前航行灯透镜如图4所示。

图4 前航行灯透镜模型Fig.4 Lens model of aircraft navigation light

透镜的光学系统由反光杯系统和棱镜系统组成，从功能上讲，反光杯系统对LED的光线进行收集，并形成飞机前航行灯垂直截面的光学分布，棱镜系统将会进一步形成前航行灯水平截面的光学分布。飞机前航行灯由于左右两边的光源颜色不同，光源的主波长不同，相对于透镜材料的折射率就不同，因此，左右前航行灯透镜的结构参数设计须考虑这一问题。

5 飞机前航行灯光学模拟

图5是设计的飞机前航行灯的光线追迹效果图。将上述设计的透镜装配进飞机前航行灯的结构中，设定完LED光源的光谱属性和透镜及外壳材料的光学属性后，即可进行光线追迹。

图5 光线追迹效果图Fig.5 Light tracing sketch

图6和图7分别是本次设计完成的飞机前航行灯水平截面和垂直截面的光强分布图，可以看出，光强分布能够较好地满足要求。本设计选用的RGB SMD LED，在以350 mA的典型电流驱动条件下，红光可以输出45 lm的光通量，绿光可以输出60 lm的光通量，在LED功耗不超过1 W的功耗下，就能有良好的光学表现，若选取更高光效的LED，航行灯的功耗还会有较大程度的降低。

图6 水平截面光强分布Fig.6 Intensity distribution on horizontal section

图7 垂直截面光强分布Fig.7 Intensity distribution on vertical section

表1中列出了本次设计的飞机前航行灯在水平截面和垂直截面的光强分布值，从各个角度的光强数值来看，光学参数完全满足要求，中心光强值高于最低要求的40 cd，具有良好的光学性能。

表1 前航行灯光强分布值Table 1 Intensity distribution data of navigation light

6 小结

与传统光源相比，LED在光学二次配光、光学特性以及智能控制方面有显著的优势，它的高可靠性、高安全性、高光效以及长寿命等特点，使得其在特种照明的领域拥有较为广阔的应用前景，随着LED技术的不断发展和进步，其技术性能和指标将进一步提升，将会促使它不断进入新的应用领域，相信在未来，LED产品一定会在航空领域大放异彩。

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