對(duì)于飛機(jī)制造商和運(yùn)營(yíng)商而言，LED技術(shù)有望保持飛機(jī)運(yùn)行更長(zhǎng)時(shí)間，同時(shí)降低維護(hù)成本并降低功耗。由于消除了經(jīng)常更換燒壞的白熾燈泡的需要，構(gòu)建可靠的外部照明系統(tǒng)的重要性，即使持續(xù)暴露于顆粒磨損，熱和化學(xué)應(yīng)力，仍能保持安全的光輸出水平對(duì)于操作者實(shí)現(xiàn)LED技術(shù)的好處。
飛行員在惡劣天氣條件下觀看和觀看的能力，特別是在繁忙的機(jī)場(chǎng)和附近，對(duì)確保公眾安全至關(guān)重要。外部飛機(jī)照明是一個(gè)關(guān)鍵組件，有助于提供必要的可視性。飛機(jī)照明遵循海洋應(yīng)用中使用的一般慣例，以幫助識(shí)別飛機(jī)之間的定位，并有幾個(gè)單獨(dú)的照明系統(tǒng)，以幫助識(shí)別過(guò)程，包括位置和防撞燈，在某些情況下，結(jié)冰，著陸和出租車(chē)燈[1,2] ，3,4]幾種SAE標(biāo)準(zhǔn)[3,4,5]清楚地確定了防撞和位置燈的光輸出要求。
為了確保長(zhǎng)壽命和可靠的性能，用于飛機(jī)照明應(yīng)用的鏡頭蓋必須提供一致的光傳輸，在暴露于惡劣條件下時(shí)材料降低最少。在這項(xiàng)研究中，磨損測(cè)試是在三種不同的噴氣式飛機(jī)鏡片材料，熱強(qiáng)化硼硅酸鹽玻璃(Kopp 9000)，硬涂層聚碳酸酯(?？寺R)和航空級(jí)丙烯酸樹(shù)脂(Plexiglas II UVA)上進(jìn)行的，以證明其適用性適用于極端的航空環(huán)境。Taber磨損和高速微粒測(cè)試結(jié)果表明，與塑料相比，玻璃具有顯著的耐磨性優(yōu)勢(shì)。與玻璃相比，在聚碳酸酯中觀察到嚴(yán)重的傳輸損失，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了工業(yè)來(lái)源[理論上或認(rèn)為可接受的]傳輸損耗[6]。在照明燈具設(shè)計(jì)和維護(hù)過(guò)程中，耐磨性，即外部鏡片能夠承受這些惡劣環(huán)境的能力必須是高優(yōu)先級(jí)，否則在應(yīng)用中無(wú)法實(shí)現(xiàn)LED技術(shù)的潛在成本節(jié)省。
鏡片材料
外部飛機(jī)照明裝置使用透明鏡頭來(lái)覆蓋和保護(hù)光源，最常見(jiàn)的鏡頭材料是玻璃或塑料。玻璃透鏡通常由硼硅酸鹽或鈉鈣硅酸鹽組合物制成，并且可以退火或熱強(qiáng)化(回火)狀態(tài)提供。塑料鏡片最常由聚碳酸酯或丙烯酸制成，有或沒(méi)有硬涂層，以提高耐用性[6]。表I提供了這三種材料的總結(jié)比較。
表I：測(cè)試材料的比較性質(zhì)
硼硅酸鹽玻璃具有出色的光學(xué)性能，暴露在氣流中時(shí)的耐用性，以及承受高工作溫度的能力。它具有抗機(jī)械和化學(xué)磨損的能力，并在應(yīng)用中保持高水平的透光性。塑料鏡片可減少鏡片重量并提供良好的抗沖擊性，但它們對(duì)化學(xué)和機(jī)械降解非常敏感。強(qiáng)烈和長(zhǎng)時(shí)間暴露在紫外線下，例如太陽(yáng)輻射，對(duì)玻璃沒(méi)有影響，但會(huì)導(dǎo)致塑料變脆和變色。兩種材料都可以模塑成形狀或輪廓[6]。
應(yīng)用性能
燈罩或鏡頭對(duì)于保護(hù)光源(如白熾燈泡或LED)免受氣流惡劣環(huán)境的影響至關(guān)重要，同時(shí)傳輸盡可能多的光線，以創(chuàng)建高效且有效的系統(tǒng)。根據(jù)SAE AS8037C，“所使用的燈罩或?yàn)V色器不易支持燃燒，其構(gòu)造應(yīng)使其在正常使用過(guò)程中不會(huì)改變形狀或永久改變顏色或形狀或遭受任何明顯的光傳輸損失?！盵3 ]
在外部商用和軍用噴氣式飛機(jī)鏡頭所經(jīng)歷的苛刻，苛刻的環(huán)境中，有必要選擇能夠提供一致性能的材料。
圖1示出了用于翼尖燈組件的聚碳酸酯透鏡的光強(qiáng)度損失的示例。SAE指南和支持文獻(xiàn)證實(shí)了塑料蓋的光輸出損失，并推薦使用塑料鏡頭輸出降低的假設(shè)設(shè)置燈具.6用塑料鏡片設(shè)計(jì)的夾具必須允許20-40%的傳輸損失，或者通過(guò)更高的補(bǔ)償瓦數(shù)白熾燈，更多LED，更高強(qiáng)度的LED，或使用更多電力驅(qū)動(dòng)更低亮度LED以獲得更高亮度。此外，SAE還建議在燈具使用壽命期間預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)LED減少光輸出的指導(dǎo)原則，進(jìn)一步需要仔細(xì)考慮照明設(shè)計(jì)。7所有這些補(bǔ)償設(shè)計(jì)解決方案都傾向于增加擁有和維護(hù)帶有塑料透鏡的燈具的總成本，以維持所需的光輸出。一般而言，透射損失將對(duì)透鏡所需的光度光輸出產(chǎn)生負(fù)面影響，這可能導(dǎo)致安全隱患，因?yàn)楣怆S后會(huì)散射。
圖1：樣品翼尖外部燈組件經(jīng)歷的塑料透鏡光強(qiáng)度損失。從SAE ARP5637 [6]轉(zhuǎn)載的數(shù)據(jù)
實(shí)驗(yàn)程序
兩種不同的測(cè)試方法用于評(píng)估硼硅酸鹽玻璃和塑料的耐磨性。Taber Abrasion測(cè)試方法是一種行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方案，用于說(shuō)明從塑料到玻璃到陶瓷的材料的耐磨性[8]。設(shè)計(jì)用于模擬飛行中飛機(jī)表面的侵蝕效應(yīng)的高速微粒沖擊試驗(yàn)用于說(shuō)明玻璃和聚碳酸酯在更類(lèi)似應(yīng)用的環(huán)境中的耐磨性。
泰伯磨損法
Taber Abrasion測(cè)試方法是根據(jù)ASTM D1044指南開(kāi)發(fā)和使用的[8]。Taber Abrasion Model 174用于研磨樣品。Taber測(cè)試實(shí)驗(yàn)程序遵循ASTM D1044指南，但有以下三個(gè)例外：1。真空噴嘴具有8mm直徑的開(kāi)口代替推薦的11mm直徑，2。分光光度計(jì)用于測(cè)量透射率以代替霧度，和3.樣品運(yùn)行超過(guò)建議的100個(gè)循環(huán)超過(guò)2,000個(gè)循環(huán)，以幫助模擬材料在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的耐磨性。
圖2： Taber磨損試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備的示意圖
該方法中的磨損通過(guò)摩擦磨損作用來(lái)模擬，該摩擦磨損作用是通過(guò)測(cè)試樣品與砂輪的滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)接觸而產(chǎn)生的。當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪子沿著從樣品軸線切向移位的水平軸在相反方向上由樣品驅(qū)動(dòng)。一個(gè)研磨輪將試樣向外朝向周邊摩擦，另一個(gè)向內(nèi)朝向中心摩擦。輪子在試樣表面上橫過(guò)一個(gè)完整的圓圈，顯示出相對(duì)于材料編織或紋理的所有角度的耐磨性[8]。
高速微粒磨損試驗(yàn)
2017年9月27日，在萊特 - 帕特森空軍基地的美國(guó)空軍粒子侵蝕試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行了高速微粒磨損試驗(yàn)，由戴頓研究所(UDRI)維護(hù)和運(yùn)營(yíng)，為國(guó)際航空航天界服務(wù)。為軍事和商業(yè)測(cè)試提供訪問(wèn)。粒子侵蝕試驗(yàn)裝置，或“除塵器”，是在1983年設(shè)計(jì)和建造的，用于模擬飛行到塵埃環(huán)境中的飛機(jī)表面的侵蝕效應(yīng)[9]。下面提供測(cè)試裝置的示意圖。
圖3：高速微粒沖擊磨損試驗(yàn)方法和設(shè)備的示意圖
在六個(gè)玻璃和硬涂層聚碳酸酯樣品上進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)樣品為4.75“直徑(x3)，3.75”方形(x3)，測(cè)試裝置由五個(gè)獨(dú)立的可變參數(shù)組成，這些參數(shù)定義了表II中提供的測(cè)試期間的暴露環(huán)境。
表II：高速微粒沖擊磨損試驗(yàn)變量參數(shù)
玻璃和硬涂層聚碳酸酯的樣品在規(guī)定的沖擊角下暴露于周期性和增加水平的顆粒(沙子)以模擬飛機(jī)照明鏡片應(yīng)用。沙子對(duì)樣品的侵蝕和沖擊由排列系統(tǒng)控制，以確保在限定的測(cè)試樣品區(qū)域內(nèi)均勻和一致的磨損。
結(jié)果與討論
Taber磨損結(jié)果
硼硅酸鹽玻璃，硬涂層聚碳酸酯和丙烯酸樹(shù)脂(Plexiglas II UVA)樣品的Taber磨損結(jié)果如圖4所示。這些材料的透射率相對(duì)于測(cè)試設(shè)備上增加的循環(huán)次數(shù)作圖。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，樣品表現(xiàn)出透射性的降低。與硬涂層塑料樣品相比，硼硅酸鹽玻璃顯示出顯著更小的傳輸損失。
圖4： Taber磨損試驗(yàn)中增加的循環(huán)(暴露)后玻璃和聚合物樣品的明視透射
結(jié)果表明，與硬涂層聚碳酸酯和丙烯酸樹(shù)脂相比，硼硅酸鹽玻璃的耐磨性存在顯著差異。在1000次循環(huán)時(shí)，玻璃比聚碳酸酯和丙烯酸樹(shù)脂顯示出大于20%的透光率。玻璃在更高的循環(huán)次數(shù)下繼續(xù)與聚碳酸酯分離，保持90%以上的透射率，聚碳酸酯在1500次循環(huán)時(shí)僅顯示約65%的透射率，在2000次循環(huán)時(shí)僅顯示55%的透射率。此外，即使丙烯酸纖維傳輸在500次循環(huán)后平穩(wěn)，玻璃傳輸仍然比丙烯酸傳輸級(jí)別高得多(約25%)。
高速微粒測(cè)試結(jié)果
高速微粒測(cè)試結(jié)果如表III所示。隨著模擬大氣顆粒物(沙子)的暴露增加，樣品傳輸減少。直觀地說(shuō)，我們可以將增加的沙子暴露量等同于更多的累計(jì)飛行小時(shí)數(shù)。因此，鏡片材料的設(shè)計(jì)目標(biāo)是盡可能保持透光率。
表III：試驗(yàn)結(jié)果 - 高速微粒磨損試驗(yàn)
兩種材料之間的透射水平開(kāi)始相似，但隨著曝光量的增加而不同。硼硅酸鹽玻璃樣品對(duì)顆粒具有始終如一的更高耐磨性，從而提供更長(zhǎng)時(shí)間的高透射率。表III表明，與硬涂層聚碳酸酯相比，玻璃需要幾乎兩倍的沙子暴露量才能降至低于70%的透射率。而且，在聚碳酸酯的傳輸損耗達(dá)到約50%的曝光水平下，玻璃的傳輸損耗僅為約70%。在該測(cè)試中，玻璃明顯優(yōu)于塑料，并且與Taber磨損測(cè)試的結(jié)果很好地相關(guān)。
高速微粒沖擊試驗(yàn)的另一個(gè)關(guān)鍵結(jié)果是塑料材料中傳動(dòng)性降低的潛在嚴(yán)重程度。設(shè)計(jì)過(guò)量光輸出到燈具的SAE指南僅表明聚碳酸酯的潛在傳輸損耗接近35%，如圖1所示[6]。該測(cè)試顯示出更顯著的光損失，接近40%是可能的。塑料的額外傳輸損耗可能更加顯著，并且可能需要設(shè)計(jì)具有更大損耗的燈具以便滿足規(guī)定的SAE光輸出水平。或者，在發(fā)生不安全的重大傳輸損失之前，需要更頻繁地修理或更換塑料透鏡，以維持所需的光輸出水平，
結(jié)論
外部飛機(jī)照明應(yīng)用中鏡頭的關(guān)鍵功能是保持一致的光傳輸，以確保最高級(jí)別的安全性。Taber磨損和高速微粒沖擊測(cè)試為比較當(dāng)前飛機(jī)鏡片材料以確定適用性提供了有效手段。在增加的循環(huán)和暴露時(shí)，玻璃繼續(xù)保持比塑料顯著更高的透射水平。測(cè)試表明，在外部噴氣式飛機(jī)照明應(yīng)用中，玻璃的耐磨性將明顯優(yōu)于塑料的耐磨性。
由于機(jī)身在不同的環(huán)境中被壓入幾乎連續(xù)的服務(wù)中，使用能夠承受微粒磨損，熱和化學(xué)應(yīng)力的材料將降低外部燈具的總擁有成本。當(dāng)考慮安全性，可靠性和維護(hù)協(xié)議的余量時(shí)，玻璃是商用和軍用噴氣式飛機(jī)上外部燈具的最佳選擇。測(cè)試清楚地表明，玻璃鏡片可以承受航空航天的惡劣操作環(huán)境比塑料鏡片更長(zhǎng)時(shí)間，有助于提供一致，可靠和安全的飛行環(huán)境。
1參考文獻(xiàn)：
[1] Lombardo，D。(2000)。飛機(jī)系統(tǒng)。第2版。Blacklick，USA：
McGraw-Hill Professional Publishing
[2] SAE ARP693D著陸和滑行燈 - 安裝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)
[3] SAE AS8037C飛機(jī)位置燈最低性能標(biāo)準(zhǔn)
[4] SAE AS8017D防撞
燈系統(tǒng)最低性能標(biāo)準(zhǔn)
[5] SAE AIR1106B影響飛機(jī)導(dǎo)航
和防撞燈可視性的因素
[6] SAE ARP5637飛機(jī)
外部照明塑料鏡頭的設(shè)計(jì)和維護(hù)注意事項(xiàng)
[7] SAE ARP6253 LED和飛機(jī)應(yīng)用
[8] STM標(biāo)準(zhǔn)D1044,2013，“
透明塑料耐表面磨損的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法”，ASTM國(guó)際公司，
West Conshohocken，PA，2013，www.astm.org
[9]代頓大學(xué)研究所，空軍研究實(shí)驗(yàn)室
材料和制造：顆粒侵蝕測(cè)試儀器：
使用政策，操作程序和樣本配置。
Dayton，OH，2012，https：//www.udri.udayton.edu
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