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外部飛機照明用透明透鏡材料的磨損

來源：m.szhtlp.com.cn 發布時間：2018-11-13 返回

對于飛機制造商和運營商而言，LED技術有望保持飛機運行更長時間，同時降低維護成本并降低功耗。由于消除了經常更換燒壞的白熾燈泡的需要，構建可靠的外部照明系統的重要性，即使持續暴露于顆粒磨損，熱和化學應力，仍能保持安全的光輸出水平對于操作者實現LED技術的好處。

　　飛行員在惡劣天氣條件下觀看和觀看的能力，特別是在繁忙的機場和附近，對確保公眾安全至關重要。外部飛機照明是一個關鍵組件，有助于提供必要的可視性。飛機照明遵循海洋應用中使用的一般慣例，以幫助識別飛機之間的定位，并有幾個單獨的照明系統，以幫助識別過程，包括位置和防撞燈，在某些情況下，結冰，著陸和出租車燈[1,2] ，3,4]幾種SAE標準[3,4,5]清楚地確定了防撞和位置燈的光輸出要求。

　　為了確保長壽命和可靠的性能，用于飛機照明應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材料降低最少。在這項研究中，磨損測試是在三種不同的噴氣式飛機鏡片材料，熱強化硼硅酸鹽玻璃(Kopp 9000)，硬涂層聚碳酸酯(模克隆AR)和航空級丙烯酸樹脂(Plexiglas II UVA)上進行的，以證明其適用性適用于極端的航空環境。Taber磨損和高速微粒測試結果表明，與塑料相比，玻璃具有顯著的耐磨性優勢。與玻璃相比，在聚碳酸酯中觀察到嚴重的傳輸損失，并遠遠超過了工業來源[理論上或認為可接受的]傳輸損耗[6]。在照明燈具設計和維護過程中，耐磨性，即外部鏡片能夠承受這些惡劣環境的能力必須是高優先級，否則在應用中無法實現LED技術的潛在成本節省。

　　鏡片材料

　　外部飛機照明裝置使用透明鏡頭來覆蓋和保護光源，最常見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化(回火)狀態提供。塑料鏡片最常由聚碳酸酯或丙烯酸制成，有或沒有硬涂層，以提高耐用性[6]。表I提供了這三種材料的總結比較。

　表I：測試材料的比較性質

　　硼硅酸鹽玻璃具有出色的光學性能，暴露在氣流中時的耐用性，以及承受高工作溫度的能力。它具有抗機械和化學磨損的能力，并在應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，但它們對化學和機械降解非常敏感。強烈和長時間暴露在紫外線下，例如太陽輻射，對玻璃沒有影響，但會導致塑料變脆和變色。兩種材料都可以模塑成形狀或輪廓[6]。

　　應用性能

　　燈罩或鏡頭對于保護光源(如白熾燈泡或LED)免受氣流惡劣環境的影響至關重要，同時傳輸盡可能多的光線，以創建高效且有效的系統。根據SAE AS8037C，“所使用的燈罩或濾色器不易支持燃燒，其構造應使其在正常使用過程中不會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。”[3 ]

　　在外部商用和軍用噴氣式飛機鏡頭所經歷的苛刻，苛刻的環境中，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度損失的示例。SAE指南和支持文獻證實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設置燈具.6用塑料鏡片設計的夾具必須允許20-40%的傳輸損失，或者通過更高的補償瓦數白熾燈，更多LED，更高強度的LED，或使用更多電力驅動更低亮度LED以獲得更高亮度。此外，SAE還建議在燈具使用壽命期間預測和設計LED減少光輸出的指導原則，進一步需要仔細考慮照明設計。7所有這些補償設計解決方案都傾向于增加擁有和維護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，透射損失將對透鏡所需的光度光輸出產生負面影響，這可能導致安全隱患，因為光隨后會散射。

圖1：樣品翼尖外部燈組件經歷的塑料透鏡光強度損失。從SAE ARP5637 [6]轉載的數據

　　實驗程序

　　兩種不同的測試方法用于評估硼硅酸鹽玻璃和塑料的耐磨性。Taber Abrasion測試方法是一種行業標準測試方案，用于說明從塑料到玻璃到陶瓷的材料的耐磨性[8]。設計用于模擬飛行中飛機表面的侵蝕效應的高速微粒沖擊試驗用于說明玻璃和聚碳酸酯在更類似應用的環境中的耐磨性。

　　泰伯磨損法

　　Taber Abrasion測試方法是根據ASTM D1044指南開發和使用的[8]。Taber Abrasion Model 174用于研磨樣品。Taber測試實驗程序遵循ASTM D1044指南，但有以下三個例外：1。真空噴嘴具有8mm直徑的開口代替推薦的11mm直徑，2。分光光度計用于測量透射率以代替霧度，和3.樣品運行超過建議的100個循環超過2,000個循環，以幫助模擬材料在更長時間內的耐磨性。

　圖2： Taber磨損試驗方法和試驗設備的示意圖

　　該方法中的磨損通過摩擦磨損作用來模擬，該摩擦磨損作用是通過測試樣品與砂輪的滑動旋轉接觸而產生的。當轉盤旋轉時，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動。一個研磨輪將試樣向外朝向周邊摩擦，另一個向內朝向中心摩擦。輪子在試樣表面上橫過一個完整的圓圈，顯示出相對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

　　2017年9月27日，在萊特 - 帕特森空軍基地的美國空軍粒子侵蝕試驗設施進行了高速微粒磨損試驗，由戴頓研究所(UDRI)維護和運營，為國際航空航天界服務。為軍事和商業測試提供訪問。粒子侵蝕試驗裝置，或“除塵器”，是在1983年設計和建造的，用于模擬飛行到塵埃環境中的飛機表面的侵蝕效應[9]。下面提供測試裝置的示意圖。

　圖3：高速微粒沖擊磨損試驗方法和設備的示意圖

　　在六個玻璃和硬涂層聚碳酸酯樣品上進行測試。每個樣品為4.75“直徑(x3)，3.75”方形(x3)，測試裝置由五個獨立的可變參數組成，這些參數定義了表II中提供的測試期間的暴露環境。

表II：高速微粒沖擊磨損試驗變量參數

　　玻璃和硬涂層聚碳酸酯的樣品在規定的沖擊角下暴露于周期性和增加水平的顆粒(沙子)以模擬飛機照明鏡片應用。沙子對樣品的侵蝕和沖擊由排列系統控制，以確保在限定的測試樣品區域內均勻和一致的磨損。

　　結果與討論

　　Taber磨損結果

　　硼硅酸鹽玻璃，硬涂層聚碳酸酯和丙烯酸樹脂(Plexiglas II UVA)樣品的Taber磨損結果如圖4所示。這些材料的透射率相對于測試設備上增加的循環次數作圖。隨著循環次數的增加，樣品表現出透射性的降低。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磨損試驗中增加的循環(暴露)后玻璃和聚合物樣品的明視透射

　　結果表明，與硬涂層聚碳酸酯和丙烯酸樹脂相比，硼硅酸鹽玻璃的耐磨性存在顯著差異。在1000次循環時，玻璃比聚碳酸酯和丙烯酸樹脂顯示出大于20%的透光率。玻璃在更高的循環次數下繼續與聚碳酸酯分離，保持90%以上的透射率，聚碳酸酯在1500次循環時僅顯示約65%的透射率，在2000次循環時僅顯示55%的透射率。此外，即使丙烯酸纖維傳輸在500次循環后平穩，玻璃傳輸仍然比丙烯酸傳輸級別高得多(約25%)。

　　高速微粒測試結果

　　高速微粒測試結果如表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，我們可以將增加的沙子暴露量等同于更多的累計飛行小時數。因此，鏡片材料的設計目標是盡可能保持透光率。

表III：試驗結果 - 高速微粒磨損試驗

　　兩種材料之間的透射水平開始相似，但隨著曝光量的增加而不同。硼硅酸鹽玻璃樣品對顆粒具有始終如一的更高耐磨性，從而提供更長時間的高透射率。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到約50%的曝光水平下，玻璃的傳輸損耗僅為約70%。在該測試中，玻璃明顯優于塑料，并且與Taber磨損測試的結果很好地相關。

　　高速微粒沖擊試驗的另一個關鍵結果是塑料材料中傳動性降低的潛在嚴重程度。設計過量光輸出到燈具的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，并且可能需要設計具有更大損耗的燈具以便滿足規定的SAE光輸出水平。或者，在發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，

　　結論

　　外部飛機照明應用中鏡頭的關鍵功能是保持一致的光傳輸，以確保最高級別的安全性。Taber磨損和高速微粒沖擊測試為比較當前飛機鏡片材料以確定適用性提供了有效手段。在增加的循環和暴露時，玻璃繼續保持比塑料顯著更高的透射水平。測試表明，在外部噴氣式飛機照明應用中，玻璃的耐磨性將明顯優于塑料的耐磨性。

　　由于機身在不同的環境中被壓入幾乎連續的服務中，使用能夠承受微粒磨損，熱和化學應力的材料將降低外部燈具的總擁有成本。當考慮安全性，可靠性和維護協議的余量時，玻璃是商用和軍用噴氣式飛機上外部燈具的最佳選擇。測試清楚地表明，玻璃鏡片可以承受航空航天的惡劣操作環境比塑料鏡片更長時間，有助于提供一致，可靠和安全的飛行環境。

　　1參考文獻：

　　[1] Lombardo，D。(2000)。飛機系統。第2版。Blacklick，USA：

　　McGraw-Hill Professional Publishing

　　[2] SAE ARP693D著陸和滑行燈 - 安裝設計標準

　　[3] SAE AS8037C飛機位置燈最低性能標準

　　[4] SAE AS8017D防撞

　　燈系統最低性能標準

　　[5] SAE AIR1106B影響飛機導航

　　和防撞燈可視性的因素

　　[6] SAE ARP5637飛機

　　外部照明塑料鏡頭的設計和維護注意事項

　　[7] SAE ARP6253 LED和飛機應用