蘇 丹

(深圳市九洲光電科技有限公司,廣東 深圳 518057)

引言

LED光源作為一種新的照明光源正在快速進入照明領域，相比于傳統(tǒng)光源，LED光源具有高光效、低能耗、長壽命、高可靠性等優(yōu)點，在照明領域具有鮮明的優(yōu)勢。隨著LED技術的發(fā)展，LED照明也逐步向特種照明領域滲透，目前已經在汽車、鐵路、船舶及航天等領域得到大量應用。航天領域中，飛機航行燈用于夜間飛行時，引起相同空間飛行的其它飛機的注意，以避免飛機之間發(fā)生碰撞。以往飛機航行燈中使用的傳統(tǒng)光源壽命有限，而且在惡劣的飛行環(huán)境中，其壽命進一步縮短，而因航行燈壽命問題而帶來的頻繁更換光源的情況，不僅導致高昂的維修費用，嚴重時還會導致重大事故，因此將LED光源應用在飛機航行燈中十分重要和迫切。

1 LED光源用于飛機航行燈具有明顯的優(yōu)點

首先，LED光源更容易設計成體積小、質量輕的燈具。在飛行航天器中，設備的體積和質量是重要的參數指標，LED作為第4代光源，一方面本身具有體積小，質量輕的先天優(yōu)勢；另一方面，由于其發(fā)光面積小，還很容易設計較小的二次光學結構，相對傳統(tǒng)光源，能大幅減小燈具的體積和質量，減輕航天器飛行負擔。

其次，LED燈具更容易被集成到控制系統(tǒng)中。LED本質上作為半導體電子器件，容易被集成到控制系統(tǒng)中，實現遠程和智能控制等功能。LED的控制方式較多，不管是有線還是無線，都能夠輕易實現；LED的調制頻率可以達到MHz以上，能夠準確地完成對系統(tǒng)控制信號的響應，且對自身性能無影響；LED光源的功耗低，不會造成系統(tǒng)的功率過載，從而提升控制系統(tǒng)的負載能力。

第三，使用LED燈具將會更方便地進行飛行航天器的維護。相比傳統(tǒng)光源，LED具有更長的發(fā)光壽命和更低的光學衰減，能顯著延長燈具的生命周期，減少維護量。同時LED光源在使用時限超過本身壽命的情況下，不會立即熄滅造成功能失效，為航天器的維護提供安全和時間的保障。隨著LED技術的不斷進步，其性能還會大幅地提升，將更有助于其在該領域的應用。

2 用于飛機航行燈的LED光源的基本要求

首先，用于飛機航行燈的LED光源應具有高安全性的特點。飛機系統(tǒng)中任何部件的功能失效都可能妨礙飛機繼續(xù)安全運行或著落，對機組和乘客的生命安全造成危害，嚴重的會造成機毀人亡，所以在飛機安全性設計中，要求零部件功能失效的概率趨于不可能發(fā)生出現該情況的概率。因此在選取LED作為光源時，對其安全性須作重點評估，在飛機航行燈的應用中，宜選用低壓小電流驅動、低熱阻高耐溫的光源，LED封裝材料須具有耐溫、防火、無毒無害的特點。

其次，用于飛機航行燈的LED光源應具有高可靠性的特點。飛行航空器在飛行期間的環(huán)境條件較為惡劣，尤其對于工作于機艙外部的零部件來講，可靠性的要求更高。在飛行過程中，由于氣流的原因，機翼時刻經受較為強烈的振動，這就要求選取的LED光源具有抗強振動的能力，而采用無金線的倒裝LED就具有明顯的優(yōu)勢；此外，高空環(huán)境的溫度可低至零下50 ℃，而著陸環(huán)境可高達45 ℃以上,不但要求LED能在高溫和低溫條件下正常工作，而且還要求其光學特性不發(fā)生較大變化，能經受嚴格的冷熱沖擊；飛機的飛行高度較高，太陽光線由于缺少云層和臭氧層的阻擋，大量的有害輻射將直接照射機身，所以要求選取的LED要具有較強的抗有害輻射的能力，以保障航行燈的可靠性。

最后，用于飛機航行燈的LED光源應具有高光學質量的特點。光源的光學效率是重要的評價參數，飛機在飛行過程中，應盡量減少能源消耗，而光效越高就越有助于節(jié)能；另外，LED光源的顏色穩(wěn)定性方面也要有良好性能，溫度的變化會引起色坐標的漂移，必須選取光學參數熱穩(wěn)定性好的LED；對于有顏色區(qū)分要求的信號燈，要求LED的顏色一致性好，應選擇波長單一性好、半波寬度窄的LED光源。

3 飛機前航行燈的配光要求

對飛機前航行燈來說，因為其光學分布具有特定的要求，固定翼飛機左邊機翼要求安裝紅色前航行燈，右邊機翼要求安裝綠色前航行燈。圖1是飛機右前航行燈水平截面的配光要求示意圖，其為非對稱配光，以飛機飛行前進方向為0°，右邊機翼前航行燈在0°方向至順時針10°方向角的光強的最小值為40 cd，10°方向角至順時針20°的方向角內的光強的最小值為30 cd，20°方向角至順時針110°方向角內的光強的最小值5 cd。左邊機翼的飛機左前航行燈的水平截面的配光要求與圖1中的對稱。

圖1 前航行燈水平面配光示意圖Fig.1 Horizontal section intensity distribution of aircraft navigation light

圖2是飛機前航行燈垂直截面水平面以上的配光要求示意圖，以飛機前進方向作為0°方向角，在0°方向角往上至5°的方向角內，光強的最小值應為飛機前航行燈前行方向上最大值的0.9倍，在5°方向角往上至10°的方向角內，光強的最小值為飛機前航行燈前行方向上最大值的0.8倍，在10°方向角往上至15°的方向角內，光強的最小值為飛機前航行燈前行方向上最大值的0.7倍，在15°方向角往上至20°的方向角內，光強的最小值為飛機前航行燈前行方向上最大值的0.5倍，在20°方向角往上至30°的方向角內，光強的最小值為飛機前航行燈前行方向上最大值的0.3倍，在30°方向角往上至40°的方向角內，光強的最小值為飛機前航行燈前行方向上最大值的0.1倍。水平面以下(即0°方向角往下)的角度內的光強分布要求與圖2的分布對稱。

圖2 前航行燈垂直面配光示意圖Fig.2 Vertical section intensity distribution of aircraft navigation light

4 基于LED光源的飛機前航行燈光學透鏡設計

LED由于封裝尺寸、功率的多樣性，配光設計也較為靈活，通常情況下，可設計二次透鏡來滿足配光要求。透鏡的設計要以光學效率高、結構簡單、可靠性高為前提合理進行設計。本方案設計的透鏡可一次成型TIR(total internal reflect)透鏡， 光路原理如圖3所示，LED大角度出射光線首先以0°入射到P點(x1,y1)，經過透鏡內壁的折射再以a角度出射，入射到透鏡外邊界上的Q點(x2,y2)發(fā)生全反射，反射光線再次被反射到下一光學面的S(x3,y3)點，滿足全反射條件的光線將會繼續(xù)發(fā)射，不滿足全反射條件的光線將會以一定角度出射，兩部分光線最終形成所需的光學分布。在光學設計時，通過將透鏡的模型數學化，再利用計算機編程，設定適當的邊界條件和約束條件，可以計算出透鏡的基線的數值解，最后將數據導入結構建模軟件可完成透鏡的建模。

圖3 前航行燈透鏡光路圖Fig.3 Optical path of aircraft navigation light lens

經過上述步驟的設計，完成的飛機前航行燈透鏡如圖4所示。

圖4 前航行燈透鏡模型Fig.4 Lens model of aircraft navigation light

透鏡的光學系統(tǒng)由反光杯系統(tǒng)和棱鏡系統(tǒng)組成，從功能上講，反光杯系統(tǒng)對LED的光線進行收集，并形成飛機前航行燈垂直截面的光學分布，棱鏡系統(tǒng)將會進一步形成前航行燈水平截面的光學分布。飛機前航行燈由于左右兩邊的光源顏色不同，光源的主波長不同，相對于透鏡材料的折射率就不同，因此，左右前航行燈透鏡的結構參數設計須考慮這一問題。

5 飛機前航行燈光學模擬

圖5是設計的飛機前航行燈的光線追跡效果圖。將上述設計的透鏡裝配進飛機前航行燈的結構中，設定完LED光源的光譜屬性和透鏡及外殼材料的光學屬性后，即可進行光線追跡。

圖5 光線追跡效果圖Fig.5 Light tracing sketch

圖6和圖7分別是本次設計完成的飛機前航行燈水平截面和垂直截面的光強分布圖，可以看出，光強分布能夠較好地滿足要求。本設計選用的RGB SMD LED，在以350 mA的典型電流驅動條件下，紅光可以輸出45 lm的光通量，綠光可以輸出60 lm的光通量，在LED功耗不超過1 W的功耗下，就能有良好的光學表現，若選取更高光效的LED，航行燈的功耗還會有較大程度的降低。

圖6 水平截面光強分布Fig.6 Intensity distribution on horizontal section

圖7 垂直截面光強分布Fig.7 Intensity distribution on vertical section

表1中列出了本次設計的飛機前航行燈在水平截面和垂直截面的光強分布值，從各個角度的光強數值來看，光學參數完全滿足要求，中心光強值高于最低要求的40 cd，具有良好的光學性能。

表1 前航行燈光強分布值Table 1 Intensity distribution data of navigation light

6 小結

與傳統(tǒng)光源相比，LED在光學二次配光、光學特性以及智能控制方面有顯著的優(yōu)勢，它的高可靠性、高安全性、高光效以及長壽命等特點，使得其在特種照明的領域擁有較為廣闊的應用前景，隨著LED技術的不斷發(fā)展和進步，其技術性能和指標將進一步提升，將會促使它不斷進入新的應用領域，相信在未來，LED產品一定會在航空領域大放異彩。

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