[科普中国]-着陆灯

简介

一般而言，汽车在夜间行驶时需要汽车前大灯与路灯的照明，为夜间行驶提供一个良好的视觉环境。同样，民用飞机作为一种公共交通工具，在夜航着陆过程中也需要灯光照明。飞机自身装有大功率着陆灯，现代民航机场均配备助航灯光。它们形成一个组合系统，共同为飞机夜航着陆提供安全保障。

民机着陆灯为飞机夜航提供机外照明，民航规章CCAR121.323 (c)要求大型客机必须至少装有两个着陆灯。此类飞机根据光源的光学性能以及飞机座级大小的不同装有3~6盏着陆灯。典型的如某70座级飞机装有3个着陆灯，其光源为35 wHID灯;又如某150座级型飞机装有4个着陆灯，其光源为600 w卤素灯。1

着陆灯设计准则飞机着陆灯的设计目标是为飞机夜航着陆提供照明，具体讲就是从高度100ft 开始提供照明直至飞机触地、滑行的全阶段。飞机着陆灯最终能否达到此目标除取决于灯具的数量、安装位置外，更取决于正确的安装角度。在设计着陆灯时，首先根据飞机的气动布局以及着陆灯光源性能初步选择着陆灯的数量以及安装位置，然后根据飞机的理论着陆俯仰角度计算出着陆灯的安装角度，最后通过软件仿真得到着陆阶段的照射效果(“光照区域范围”和“光照亮度”，这也是后续评判着陆灯设计是否合格的主要考察指标)。当此结果与设计目标值不符时须返回初始设计，从修正安装角度、更换灯具、增减数量、调整安装位置等几个方面不断循环迭代设计，以达到最优的照射效果。

着陆灯安装位置与分工着陆灯安装位置有多种选择，可以安装在前起落架支柱上、主起落架支柱上、机翼前缘以及整流罩上等。

根据SAE-ARP693，可将飞机在进场、触地、滑行三种姿态下所需照明区域、照明指标作为着陆灯系统的设计要求。当单个着陆灯无法同时覆盖进场、触地、滑行三种姿态下所需照明区域时，可以对着陆灯系统进行分工。

着陆灯发光效率的提高着陆灯是一种基于热辐射原理研制而成的大功率封闭式白炽灯电光源，主要供飞机夜间飞行着陆使用。这种光源具有发光强度高、有效散射角大、寿命长、耐振动、热稳定性好的特点。一般由屏和锥组成外壳，壳体内装配有灯丝，锥体内抛物面镀膜，并充有保护性气体。当钨丝通电工作，加热到873 K，钨丝会产生热辐射，发出暗红色的可见光，一部分直接通过灯屏透射出去，一部分经锥内表面反射后射向前方。继续提高工作温度，钨丝辐射增加，当达到3100 K时，可见辐射的比例上升到1300，但红外辐射仍然是主要成分，占到总能量的6500~7000。所以，如何通过技术或工艺改进，增强可见光能量或使部分红外辐射转变为可见光，提高着陆灯的发光效率，成为大功率白炽灯研究的一项难点课题。

如果将有色玻璃屏(例如红色或黄色)制成灯，则屏只能透过自身颜色的光。这是因为，白炽灯发出的是连续光谱，所有谱线分布其中，有色玻璃屏会吸收掉部分同色光，使灯的发光强度下降。设想:如果在玻璃表面镀一层膜，对红外光谱起作用，就可能改进着陆灯的光效性能。

传统金属反射膜镀铝工艺技术成熟、成本低廉、为众多厂家广泛使用。但铝介质反射面对可见光的反射系数不够高，仅为80%左右;而且在空气中存储时间不能过长，易吸收水汽发生慢性化学反应，引起铝面剥落影响反射效果。Au, Ag, Cu等金属膜是常用的红外反射膜，对于形状比较复杂的着陆灯，采用蒸发法、喷射法、溅射法等工艺难度较大，而且成本偏高。比较可行的办法是在原铝膜的基础上，加镀多层光学保护膜以提高反射率，一般可以比铝膜增加15%以上，但其耐温性能较差，不适用于大功率白炽灯。

金属介质复合反射膜研究发现，只要灯泡外壳和灯丝结构合理，涂覆在灯泡壳内壁上的红外反射膜就能将钨丝产生的大量红外辐射反射回来，重新加热灯丝，从而减少维持灯丝于某一温度所需要的电功率，节约电能，提高灯效。作为白炽灯的红外反射膜，除采用TiOz-Ag-T10z外，还可采用ZnS-Ag-ZnS，两者的原理是一样的。其中的Ag具有很强的红外反射性能，但纯Ag可见光的透射率太低，只有在Ag的薄层两边各加上一层很薄的高折射率介质抗反射层，才可提高可见光的透射率。这样一种“三明治”式的红外反射膜，一般称为金属介质复合膜。

为了得到高的红外反射率和可见光透射率，Ag层和介质层的厚度必须控制很好。当Ag层太薄，为30埃时，膜层对红外的反射太少;而当银层太厚，为400埃时，在可见区的反射太强。当银层厚度为200埃时，膜层既有很强的红外反射，又具有很高的可见光透射率。TiOz-A g-TiOz复合膜各层的最佳厚度都是180埃。

采用该方案时，以450 W着陆灯为例，相同功率着陆灯，光效可以提高20%。在相同光效下，灯的功率可以下降15%，也就是说可以节约电能15%。从技术角度讲是很好的可选方案，但实际加工成本较高，膜系质量难以控制，不适合生产推广。

红外增透膜封闭式白炽灯，在灯设计上一般采用高色温灯丝或卤钨灯芯结构。灯丝在将电能转变成部分可见光能量的同时，还要产生大量的红外辐射和少量的紫外辐射，锥体内壁蒸镀的铝膜反射了大部分红外辐射，使得着陆灯屏表面温度急剧上升，大大超过玻璃承受的热稳定性，并加大屏和锥边缘封接处的温差，对于大功率及卤钨灯芯结构的着陆灯，温差超过120 度，其结果是导致屏和锥封接处的炸裂，影响灯的使用安全。

在封闭式白炽灯锥内表面镀上多层红外增透膜，其目的是对红外辐射具有极高的透射性，对可见光又达到很高的反射效果。在某型号着陆灯上采用红外增透膜后，其红外辐射透射率高达90%以上，屏温下降到150度，屏和锥之间的温差减小至20 度而可见光反射率超过95%，远大于铝膜80%的反射率，测试数据表明着陆灯的中心光强提高了近20%，寿命也从10 h提高到20 h以上。采用红外增透膜技术，虽然浪费了部分红外辐射的能量，但在提高灯丝发光效率，兼顾生产工艺的情况下，同样达到制灯的性能要求，应该是探讨摸索出的好方法。2

飞机着陆灯在驱鸟方面的作用据国外媒体报道，在“9·11”事件九周年纪念晚会上，作为纪念活动的一部分，世贸中心遗址上两个强光聚光灯照射出两个巨大的光柱。在强光照射时，光柱中出现了成千上万的白色小物体，如同暴风雪中飞舞的雪花。经证实，这些不明白色小物体其实是成千上万只鸟儿。美国鸟类专家对这些鸟类进行鉴定后认为，它们应该是橙尾鸥莺、黄柳莺、画眉鸟、比氏夜鹑、巴尔的摩金莺以及各种唐纳雀。这些鸟类被强光吸引，并完全迷失了方向，直到组织方特意关闭灯光20min，它们才得以逃脱。

在飞机上安装灯光来驱鸟的方法已经酝酿考虑了近30年，它通过提高飞机相对于鸟类的视觉可视度从而刺激鸟类的躲避行为。

1976年，在评估英国商用飞机发生的313起鸟撞事件中，Thorpe 发现73%的鸟撞事件发生在白天，而这其中50%发生在飞机灯光可能没有打开的飞行状态下。

值得注意的是，这些死鸟大多表现为腹部受伤，这说明飞鸟已经发生了躲避行为，但是来不及避开飞机。在飞机来临时，鸟儿受惊，通常会转弯，随即就将其腹部暴露在飞机面前。尽管这些事实数据暗示鸟儿没有及时感觉到飞机来临从而未能避免鸟撞，但是对于鸟类面临飞机时的反应距离，还没有方法能做定量评估。这就很难对机载灯光的驱鸟效果做出科学的评估。

不过美国内布拉斯加州一林肯大学两位动物研究人员专家Bradley F. Blackwell和Glen E. Burn-hardt设计了一项“鸟与机车实验”，量化了飞机脉冲式白光着陆灯在刺激鸟儿躲避行为中的功效。3