飛機駕駛艙泛光照明用于照亮儀表板、左/右操縱臺以及中央操縱臺等區(qū)域。合理的駕駛艙泛光照明能保證飛行員看得快，看得清，又不易疲勞。否則，判讀和操縱的錯誤將增加，即“人為差錯率”上升。國外飛行事故統(tǒng)計分析資料介紹， “人為差錯”造成的事故占全部事故的40%，直升機達70%。駕駛艙泛光照明不合理，引起視覺疲勞是造成“人為差錯”的直接原因之一。

　　本文首先分析研究駕駛艙照明的相關標準，提出泛光照明的設計需求。其次，結合LED 光源本身的特性，剖析LED 應用于泛光照明的優(yōu)勢。再次，從光色、供電、布置和調(diào)光控制等4 方面對泛光照明的設計進行詳細地分析說明，并形成了一種方案：白光LED、28VDC 供電、PWM 調(diào)光。最后，選用合適的燈具進行仿真測試，驗證設計的合理性。

　　1、駕駛艙照明相關標準

　　現(xiàn)有的民用飛機駕駛艙照明的標準大致分為適航規(guī)章和行業(yè)標準。適航規(guī)章CCAR － 25 部僅對駕駛艙照明做了定性要求，尚未提出定量要求。而目前已有的國家軍用標準和航空工業(yè)標準，大多制定于20世紀80年代和90年代，這些標準所提的照明技術參數(shù)已經(jīng)不能完全符合現(xiàn)代民用飛機的需求。國外標準中最具代表性的是美國軍用標準和SAE標準，這些標準多數(shù)制定于2000 年以后，能較好地體現(xiàn)現(xiàn)代照明技術的水平，可作為泛光照明的設計輸入。

　　通過對比研究相關標準， 依據(jù)SAE －ARP4103和SAE － ARP1161，給出駕駛艙泛光照明的定量設計需求，詳見表1。

　　表1 泛光照明設計需求

　　2、LED 應用于泛光照明的優(yōu)勢

　　泛光照明的合理設計涉及較多的實際工程問題，而照明光源的選用是其中一個比較突出的問題。據(jù)調(diào)查，現(xiàn)役的民航客機多數(shù)使用傳統(tǒng)的白熾燈( 尤其是鹵素燈) 或熒光燈作為駕駛艙照明光源，而新型的民航客機，如A380 和B787 都不同程度上使用了LED。LED 被引入到飛機駕駛艙照明，是出于它在某些方面所表現(xiàn)出的優(yōu)勢，如節(jié)能、壽命長、穩(wěn)定性和抗震性好等。

　　LED 利用PN 結中少子與多子的復合來實現(xiàn)發(fā)光，發(fā)光波長對應于PN 結的禁帶寬度。LED 用作照明光源具有體積小、可靠性高、能冷啟動、亮度可調(diào)性好、低壓直流工作更安全等優(yōu)點。LED屬于一次光源，在發(fā)光過程中，電能直接變成了光能，在與普通白熾燈保持同樣亮度下，其耗電量只有后者的十分之一。LED 是固態(tài)光源，沒有活動部件和易損壞部件( 如燈絲等) ，抗振動性能好。LED的壽命一般可達到20000～100000 小時，遠高于白熾燈，而且響應速度快。與熒光燈相比較，LED不含有危害人體健康的汞，是無污染的光源。

　　利用LED光源提高照明系統(tǒng)性能是飛機照明技術的發(fā)展方向。由于LED 的可靠性高( 國外供應商提供的泛光燈的MTBF 值可達50000小時) ，因此能大幅降低飛機照明系統(tǒng)的故障率，減少飛機的維護成本。

　　3、LED泛光照明的設計分析

　　3. 1 光色分析

　　縱觀飛機駕駛艙照明的發(fā)展歷程，常用的有紅光、白光、藍白光和夜視綠等4 種光色。GJB455－88認為座艙照明可以選擇紅光、白光和藍白光三種，并對其色度坐標范圍作了規(guī)定。SAE ARP1048和SAE AS264則只提到紅光和白光，且只要求紅光波長在600nm 以上。MIL－DTL－7788H則對4種光色均作了要求。

　　照明光色的選擇主要根據(jù)不同視覺的需要，也就是根據(jù)不同飛機的飛行任務需要和總體要求來選擇各自合適的照明顏色。一般情況下，對于民用飛機而言，飛機航程遠，飛行時間長，都十分強調(diào)為飛行員創(chuàng)造良好而舒適的工作條件及環(huán)境。由于飛行員長時間進行精細的作業(yè)，十分容易造成視覺疲勞，所以中遠程民用飛機的駕駛艙照明光色選用白色照明更為適宜。對于飛行任務要求飛行員保持最佳外視力、也就是說對于中低空飛行，需要頻繁替換觀察艙內(nèi)、艙外，飛行時間較短的飛機，駕駛艙選用紅光照明比較適合。對于飛行任務既要分辨顏色微弱差別，又要粗略觀察目標細節(jié)，選擇介于紅光和白光之間的藍白光比較合適。

　　3. 2 供電分析

　　LED使用低壓直流電源( 電流) 控制，因此在使用LED 照明時，也對飛機電源系統(tǒng)提出了較高的要求。據(jù)調(diào)查，國內(nèi)外軍民用飛機所采用的電源系統(tǒng)主要有115 /200V 400Hz恒頻交流、115/200V變頻交流、28V低壓直流以及28V 直流和115/200V變頻交流組成的混合電源系統(tǒng)等。前兩種電源系統(tǒng)不提供低壓直流電源，若使用LED燈，每個LED燈都必須配備一個電源盒，如此將增加照明系統(tǒng)的重量，而且系統(tǒng)的可靠性也會降低。后兩種電源系統(tǒng)直接提供28V 直流電源，比較適合LED 光源的使用。

　　3. 3 布置分析

　　布置分析就是根據(jù)駕駛艙總體布置和各系統(tǒng)的照明需求情況確定泛光燈的安裝位置，使安裝設計既能滿足總體和各系統(tǒng)的輸入需求，又能達到相關標準要求。駕駛艙空間有限，設備布置非常緊湊。

　　泛光燈的布置不僅要讓飛行員看得清各操縱面板，還要盡量避免眩光，做到光線柔和，提供一個舒適的光環(huán)境。

圖1 典型駕駛艙照明布局

　　現(xiàn)代民用飛機駕駛艙燈具典型布置圖如圖1所示。儀表板泛光燈布置于遮光板下表面，側操作臺泛光燈布置于側操縱臺上方的窗戶下沿，中央操縱臺泛光燈布置于頂部控制板上。

　　3. 4 調(diào)光控制分析

　　3. 4. 1 PWM調(diào)光

　　LED 光特性通常描述為電流的函數(shù)，而不是電壓的函數(shù)，即驅動電流在一定范圍內(nèi)變化時，LED光通量隨著驅動電流增大而非線性增大( 如圖2 所示) ，因此采用恒流源驅動可以更好地控制LED亮度。

圖2 光通量與驅動電流的關系曲線

　　LED可實現(xiàn)快速開關，開關速度可高達微秒，是任何發(fā)光器件所無法比擬的，因此采用恒流源，用改變LED通斷時間的方法，就可以改變其亮度( 在電流恒定的情況下，LED亮度與導通時間成正比) ，即脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)光法。

　　PWM調(diào)光實質是通過PWM 信號控制LED的通斷，在某一固定頻率下，通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來改變LED的通斷時間。在整個工作過程中LED 的電流值或為零，或為一恒定值。由于利用了人眼的視覺暫留效應，所以在達到一定頻率后，人眼對LED的亮度感覺是連續(xù)穩(wěn)定的光。

　　PWM調(diào)光相對于傳統(tǒng)串聯(lián)電阻降壓調(diào)光有較大的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

　　a) 保證調(diào)光過程顏色的一致性： 改變LED的電流會使LED的PN結溫度有所改變，從而造成發(fā)射光譜的功率分布發(fā)生變化，進而導致發(fā)光顏色改變。PWM調(diào)光只改變電流脈寬來調(diào)節(jié)LED 亮度，在通電時間內(nèi)電流值不變，因此PWM調(diào)光能保證調(diào)光過程顏色的一致性；

　　b) 降低功耗： 在暗狀態(tài)時，電壓調(diào)光電路的大部分功率耗散在電位器等阻性器件上，而采用PWM調(diào)光可以避免此類功率消耗，因此能有效降低功耗；

　　c) 便于實現(xiàn)總線控制技術。

　　3. 4. 2  LED泛光照明的調(diào)光設計

　　對于泛光照明的調(diào)光，民用飛機采用分區(qū)域調(diào)光的控制方式。泛光照明分為5個照明區(qū)域： 包括儀表板左側泛光照明、儀表板右側泛光照明、左操縱臺泛光照明、右操縱臺泛光照明和中央操縱臺泛光照明。相應地設置了5個區(qū)域調(diào)光旋鈕，每個調(diào)光旋鈕均可實現(xiàn)本區(qū)域泛光照明100%連續(xù)調(diào)節(jié)。

　　為了更好地保證光色均勻性和調(diào)光一致性，LED泛光照明采用PWM 調(diào)光方法，并通過調(diào)光控制盒實現(xiàn)。泛光照明作為主照明的備用光源，出于安全余度的考慮，均采用硬線直接將模擬調(diào)光信號傳輸給調(diào)光控制盒。調(diào)光控制盒通過硬線輸出PWM信號給各個區(qū)域的泛光燈，如圖3 所示。

圖3 LED 泛光照明調(diào)光架構

　　在飛機遭遇雷雨天氣的情況下，泛光照明可通過雷雨開關“STORM”統(tǒng)一控制。調(diào)光控制盒直接接收雷雨開關的模擬信號，并根據(jù)接收到的信號調(diào)整輸出，使駕駛艙內(nèi)所有的泛光照明處于最亮狀態(tài)。

　　4、仿真驗證

　　4. 1 仿真條件

　　此次仿真基于某型民用飛機的三維模型進行，選擇某公司提供的泛光燈作為仿真燈具，相關參數(shù)詳見表2。

　　表2 泛光燈相關參數(shù)

　　4. 2 仿真結果

　　儀表板仿真燈具布置于遮光板下表面，將探測器置于儀表板表面，從圖4所示的照度仿真效果圖可以看到，儀表板燈被點亮后，在儀表板垂直方向照度分布由上至下遞減，靠近儀表板燈發(fā)光處最亮，照度為1225lx，對比度0.86 左右，在水平方向照度比較均勻，對比度0.96左右。

圖4 儀表板泛光燈仿真效果圖

　　左/右操縱臺泛光燈仿真燈具布置于側操縱臺上方的窗戶下沿，將探測器設置在左/右操縱臺表面。

　　從圖5 所示的照度仿真效果圖可以看出，左/右操縱臺泛光燈給操縱臺表面提供了足夠的照度，平均照度在350lx左右，符合相關標準要求。

圖5 左/右操縱臺泛光燈仿真效果圖

　　中央操縱臺仿真燈具布置于布置于頂部控制板上，將探測器設置在中央操縱臺表面，從圖6 所示的照度仿真效果圖可以看出，操縱臺表面照度均勻，平均照度在450lx左右，符合相關標準要求。

圖6 中央操縱臺泛光燈仿真效果圖

　　5 結束語

　　本文從民用飛機泛光照明的基本要求出發(fā)，結合LED 光源本身的特性和人體工效學的研究結果，通過光色分析、供電分析、布置分析和調(diào)光控制分析形成了一種方案： 白光LED、28VDC 供電、PWM 調(diào)光。文章最后基于某型民用飛機的三維模型采用某公司提供的白光LED 泛光燈進行仿真測試，結果顯示其光學性能較好地達到了泛光照明的照度要求，為某型民用飛機的泛光照明設計提供一定依據(jù)。