Řešení, teoretické výsledky a praktické výstupy náhrady letecké halogenové žárovky s LED zdrojem světla v sestupovém návěstidle APAPI.

Transkript

1 Řešení, teoretické výsledky a praktické výstupy náhrady letecké halogenové žárovky s LED zdrojem světla v sestupovém návěstidle APAPI. The Solution, Theorecical Results and Practical Outputs of the Exchange of Halogen Bulb to Led Light Source in the APAPI Indicator Ing. Radim Bloudíček, Ph.D. Univerzita obrany, radim.bloudicek@unob.cz, Doc. Ing. Štefan Lužica, CSc. Univerzita obrany, stefan.luzica@unob.cz, Ing. Stanislav Rydlo, CSc. Univerzita obrany, stanislav.rydlo@unob.cz Resumé: Článek řeší problematiku náhrady inkadescentního zdroje světla, halogenové letecké žárovky, v sestupovém návěstidle APAPI a PAPI (Abbrivated Precision Approach Path Indicator) LED zdrojem světla vysoké světelné účinnosti (Luminous Efficacy). Článek prezentuje výsledky pracovního týmu katedry Leteckých elektronických systémů, v rámci ověření vědeckých postupů ve sféře: realizovatelnosti náhrady halogenové letecké žárovky s LED zdrojem světla vysoké svítivosti, viditelnosti sestupového návěstidla v nehomogenním vzdušném prostředí, konstrukční návrh světelné optické jednotky sestupového návěstidla PAPI a APAPI s LED zdrojem světla, změření kmitočtového spektra a distribučního diagramu sestupového návěstidla s inkadescentním a LED zdrojem světla. The paper solves a problematics of exchange the incandescent light source halogen bulb in the approach lightning systems PAPI and APAPI (Abbreviated Precision Approach Path Indicator) to LED light source with high luminous efficacy. The paper presents the results of Department of Air Electrical Systems workgroup and their scientific methods in the sphere of exchanging standard halogen bulb to high luminous flux LED light sources in inhomogeneous atmosphere. In addition it shows LED PAPI and APAPI optical unit design, measuring of the frequency spectrum and its light distribution diagram with incandescent and LED Light sources. -35-

2 1 Úvod Světelná sestupová soustava pro vizuální přiblížení letadel na přistání PAPI nebo APAPI je základním světelným prvkem letištních světelných soustav stálých i operačních vojenských letišť [ČOS ], [ČOS ]. Systém PAPI nebo APAPI zabezpečuje (umožňuje) světelné vyhodnocení polohy letadla vzhledem k sestupové čáře ve vertikální rovině v etapě přiblížení letadla na přistání na bázi vizuálního kontaktu pilota se světly sestupové soustavy. Je to vizuální srovnatelnost vyhodnocení polohy letadla ve vertikální rovině s elektronickým zobrazením sestupové čáry GP (Glide Path) na křížovém indikátoru CPI (Cross Pointer Indicator) systému přibližovacích majáků ILS. Posádka letadla/pilot v noci za normálních povětrnostních podmínek (VMC Visual Meteorological Conditions) je schopná s využitím PAPI dokončit přibližovací manévr následným bezpečným přistáním i bez elektronické podpory GP. Za ztížených povětrnostních podmínek (IMC Instrument Meteorological Conditions) PAPI napomáhá zkrátit adaptační čas zraku pilota po vylétnutí z mraků v ICAO CAT II a III, a tak zvýšit bezpečnost, spolehlivost i kontinuitu letového provozu [1]. Požadavek celosvětové úspornosti elektrické energie (atomových, tepelných a vodních elektráren), jednoznačně směruje k využití obnovitelných zdrojů elektrické energie založené na fotovoltaických nebo hybridních fotovoltaických zdrojů elektrické energie. Tato skutečnost požaduje i náhradu halogenové letištní žárovky s malou světelnou účinností LED zdrojem světla typu SMD (Surface Monted Device) o vysoké svítivosti i světelné účinnosti. Problém spočívá ve značné technické, elektronické i světelné odlišnosti halogenových letištních žárovek (jednoduchost, ale velmi malá světelná účinnost) od SMD LED zdrojů světla, které jsou plošným zdrojem o různé chromatičnosti světla, mají nesrovnatelnou konstrukční odlišnost od inkadescentních zdrojů světla, což vede k úplné přestavba optické jednotky PAPI nebo APAPI, nutnosti účinného chlazení, avšak odměnou je vysoká světelná účinnost a využitelnost místního solárního panelu jako zdroje elektrické energie. Světový výrobci letištních světelných systémů ALS (Airport Lighting Systems) uvedli na trh systém APAPI pro operační letiště, ale maticovým rozmístěním (32 LED diod střední svítivosti) relativně velkých rozměrů (velká pasivní chladící soustava). Výše uvedené technické odlišností LED zdrojů světla od klasických halogenových letištních žárovek mají za následek požadavek komplexní přestavby optické i zdrojové jednotky sestupového návěstidla PAPI nebo APAPI. Skupina Radiolektronických systémů K-206 své vědecko výzkumní úsilí zaměřila na využiti LED zdrojů světla typu SMD LED čipu, respektive COB (Chip On Board) LED zdrojů světla -36-

3 velmi vysokého světelného toku [cd] a světelné účinnosti K = /P [cd/w = cd.sr.w -1 ] v optické jednotce PAPI nebo APAPI. 2 Teoretická část řešeného problému určení viditelnosti sestupového návěstidla PAPI nebo APAPI v nehomogenním vzdušném prostředí počítačovou podporou Vzdálenost R [m] navázání vizuálního kontaktu se světly sestupových návěstidel PAPI nebo APAPI s pilotem v etapě přiblížení na přistání závisí na následujících veličinách: svítivosti světelného návěstidla I [cd], meteorologické (dráhové) dohlednosti Dm [m], prahovém kontrastu jasu pozadí Kp a na prahovém osvětlení oka pilota/pozorovatele Ep [lx]. Je vyjádřen v implicitním matematickým vztahem, nazývaným též Allardovým zákonem: R Dm.logK p E p 2 I R log Dm (1) Svítivost I udává prostorovou hustotu světelného toku zdroje světla ve směru přiblížení letadla na přistání v prostorovém úhlu. Svítivost lze určit pouze pro bodový zdroj světla, tj. pro zdroj, jehož rozměry jsou zanedbatelné v porovnání se vzdáleností R zdroje světla PAPI nebo APAPI. Tato podmínka je vždy splněna pro světelné sestupové návěstidlo systému PAPI nebo APAPI a jejich viditelnosti v etapě přiblížení letadel na přistání. Přímé vyjádření viditelnosti sestupového návěstidla R z rovnice (1) je nemožné (rovnice o dvou různých základech logaritmu), proto bylo nutné hledat odpovídající řešení počítačovou podporou ve vývojovém prostředí MATLAB. Výsledkem řešení je graficko číselné určení hodnoty svítivosti I [cd] v závislosti na viditelnosti sestupového návěstidla R [m] v etapě přesného přiblížení letadla na přistání pro zadané hodnoty meteorologické dohlednosti Dm [m] a prahovém kontrastu jasu pozadí Kp. Prahové osvětlení oka pilota/pozorovatele Ep [lx] pro denní a noční období, jakož i pro bílou a červenou barvu světla jsou pevnou součásti programu. Grafické zobrazení svítivosti zdroje světla I v závislosti na viditelnosti světla R je obr. 1. Hodnoty meteorologické dohlednosti Dm [m], rozsahu stupnice viditelnosti světelného návěstidla R [m] a prahového kontrastu jasu pozadí Kp se zadává zápisem do okének ovládacího panelu, viz. obr

4 Obr. 1: Grafické zobrazení svítivosti zdroje světla I [cd] v závislosti na viditelnosti zdroje světla R [m] navázání kontaktu s pilotem se zdrojem světla Obr. 2: Ovládací panel programu pro výpočet svítivosti světelného zdroje Programem určená hodnota svítivosti zdroje světla pro I. CAT ICAO přistávacích minim je minimálně I = 1, cd ve dne. K této hodnotě má odpovídat minimální svítivost LED zdroje světla I. 3 Výběr LED zdroje světla Technologie výroby LED zdrojů světla v posledním desetiletí značně postoupila. Od klasických LED diod malé a střední svítivosti technologie směrovala k integrovaným LED zdrojům světla SMD typu COB (Chip on Board) o normalizovaných rozměrech při různých hodnotách svítivostí, tj. od jednotek až k tisícům candel. Rozdíl mezi LED diodou a COB LED zdrojem světla lze charakterizovat následovně: 1. Každá LED dioda je samostatnou elektrosoučástkou. Pro získání požadovaného světelného výkonu (svítivosti) I [cd] musí být spojeno do matice typu m x n nebo m x m LED diod i s předřadnými odpory. Po elektrické stránce se matice skládá z různorodých součástek, kde ani jednotlivé LED diody nemají shodné elektrické parametry, v důsledku toho dochází u nich po určitém čase k destrukci, což vede jednak ke změně svítivostí (rozhození svítivosti matice) a postupně k úplné poruše LED zdroje světla. Po optické stránce je nutný upravit světelný paprsek každé LED diody -38-

5 přídavnou optikou pro dosažení požadované světelné charakteristiky distribučního diagramu. 2. Zcela jiná je elektrická a světelná charakteristika SMD COB LED zdrojů světla. COB LED zdroje světla lze přirovnat integrovanému obvodu, který obsahuje, jak matici světlo emitující prvky, tak jejich integrované předřadné odpory. COB LED zdroj světla je velice homogenní prvek se shodnými elektrickými vlastnostmi materiálu, tudíž nedochází u nich ke zničení jednotlivých prvků jako u matice LED. Po světelné stránce COB vyzařuje optický svazek kuželovitého tvaru s úhlem 135 na každou stranu, který není nutné dále upravovat jako u LED diody přídavnou optikou. Díky výrobní technologii lze COB světelné prvky vyrábět v různých tvarech (pro široké uplatnění v běžném životě byl zaveden jednotný tvar, obr. 3) a výkonech od 1 až do 300 Wattů, různé barvy emitovaného světla a s různým DC napájecím napětím. COB prvky mají proti LED maticím vyšší světelný výkon při stejném elektrickém příkonu. Navíc je u nich díky podkladní kovové desce zajištěn lepší odvod ztrátového tepla. V blízké budoucnosti se očekává výroba COB zdrojů světla napájené se střídavým AC proudem. Konstrukční provedení COB LED zdroje světla je obr. 3. Tvar a rozměry COB LED zdroje světla bílé i červené barvy jsou normalizované. Výhodou stejných rozměrů COB LED čipu emitující bílé a červené světlo a spočívá v univerzálnosti jak držáku, tak aktivního, pasivního nebo kombinovaného chladicího systému. Obr. 3: Pohled na COB LED zdroj světla (vlevo) rozměry a provedení jsou shodné jak pro COB LED diodu emitující bílé světlo i červené světlo jsou shodné Pro osazení sestupového návěstidla typu PAPI firmy ELTODO byly vybrané následující typy COB LED zdrojů světla, viz Tab

6 COB LED zdroj světla emitující bílé světlo teplé COB LED zdroj světla emitující červené světlo barvy Výrobce Shenzhen Vanq Technology Co., Ltd Výrobce Shenzhen Vanq Technology Co., Ltd Typ VQ-P100W - warm Typ VQ-P100W red white Vstupní napětí V DC Vstupní napětí V Vstupní proud 3,5 A Vstupní proud 2,45 A Světelný tok lm Světelný tok lm Vyzařovací úhel 1200 Vyzařovací úhel 1200 Barevná teplota K Vlnová délka světla 630 nm Tab. 1: Hodnota prahového osvětlení oka E0 v závislosti na barvě světla 4 Spektrální charakteristiky zdrojů světla PAPI V sestupovém návěstidle PAPI firmy ELTODO zdrojem světla je letištní halogenová žárovka typu OSRAM - Pk30d 200W emitující bílé světlo teplé barvy. Červené světlo se získává pomocí červeného filtru umístěné v optické jednotce sestupového návěstidla. Laboratorně změřená spektrální charakteristika bílého světla letištní halogenová žárovka typu OSRAM - Pk30d 200W je na obr. 4. Obr. 4: Spektrální charakteristika halogenové žárovky OSRAM - Pk30d 200W Laboratorně změřené spektrální charakteristiky vybraných COB LED zdrojů světla emitující bílé a červené světlo jsou na obr

7 Obr. 5: Spektrální charakteristiky COB LED zdrojů světla Na obr. 6 je znázorněna požadovaná charakteristika svítivosti návěstidel PAPI daná předpisem ICAO Annex 14, kde jsou znázorněny hodnoty minimální svítivosti v červeném sektoru (v závorkách jsou hodnoty pro redukovanou soustavu APAPI). Hodnoty pro bílý sektor musí být minimálně dvakrát až šest a půl krát větší než pro červený sektor. Obr. 6: Charakteristika svítivosti sestupového návěstidel předepsaná předpisem L 14 Na speciálním laboratorním pracovišti pro měření hodnot osvětlení sestupového návěstidla bylo realizované komplex měření hodnot osvětlení E [lx] sestupového návěstidla v 2D zobrazení. Grafické uspořádání naměřených hodnot osvětlení sestupového návěstidla po přepočtení na hodnoty svítivosti v podobě distribučního diagramu je na obr

8 Obr. 7: Grafické zobrazení přepočtených hodnoty osvětleni svítivosti E [lx] na svítivost I [cd] sestupového návěstidla PAPI Tento složitý kombinovaný matematicko grafický proces pozůstávající z ručně realizovaného měření, programem řízený matematický přepočet intenzity světla [lx] na svítivost [cd] jakož i programem podporované grafické zobrazení distribučního diagramu sestupového návěstidla, tvoří základní proces pro světelné srovnání podobnosti sestupového návěstidla s LED zdrojem světla s reálným sestupovým návěstidlem PAPI firmy ELTODO halogenovou letištní žárovkou. Na základě početní a grafické podobnosti distribučních diagramů lze zhodnotit (bylo zhodnocené) použitelnost nově realizovaného sestupového návěstidla s LED zdrojem světla. 5 Laboratorní konstrukce optického systému sestupového návěstidla s COB LED zdrojem světla Na základě komplexní analýzy byla konstrukčně navržená a prakticky realizovaná optická jednotka sestupového návěstidla s LED zdrojem světla, obr. 8. Výsledky laboratorního měření ukazují reálnost nahrazeni letištní halogenové žárovky v sestupovém návěstidle PAPI nebo APAPI s COB LED zdrojem světla. -42-

9 Obr. 8 Fotografický pohled na sestupové návěstidlo s COB LED zdrojem světla v optické jednotce sestupového návěstidla 6 Závěr Výsledky vědecké práce, jakož i inženýrské výstupy včetně realizovaných měření převedené v rámci Projektu pro rozvoj pracoviště K Komplexní letecký elektronický systém pro UAS ukazují reálnost náhrady klasického incadescentního zdroje světla halogenové letištní žárovky s nízkou účinností s moderním LED zdrojem světla typu COB s vysokou světelnou účinností K [lm/w]. Literatura [1] Bloudíček, Radim, Rydlo, Stanislav, Modern light sources in the airport lightning systems, 2011, Brno, In International Conference on Military Technologies, ISBN , University of Defence, pp [2] Lužica, Štefan, 2013, Tvorba návrhu návěstidla pro mobilní letiště LED světelným zdrojem (In Czech). Department of Air Electrical Systems, Brno, University of Defence. [3] Svoboda, Petr, 2014, Návrh řešení LED sestupového návěstidla pro vojenské letiště (In Czech), Brno, Department of Air Electrical Systems, University of Defence. [4] Úřad pro obrannou standardizaci katalogizaci a státní ověřování jakosti, 2004, Světelné zabezpečení letišť (In Czech), ČOS Prague. Dedikace Projekt byl podpořen institucionální podporou na rozvoj výzkumné organizace Projekt pro rozvoj pracoviště K206 - Komplexní letecký elektronický systém pro UAS -43-