Постоянные обновления моделей воздушных судов и требований снижения метеоминимума аэродромов, при котором возможны полёты, заставляют совершенствовать радиотехническое обеспечение и комплексы светосигнального оборудования (КССО). Радиотехнические средства обеспечивают безопасность подлёта воздушного судна к аэродрому, а светосигнальные средства используются на конечных стадиях посадки, при пробеге и движении по элементам аэродрома.

Согласно нормам Международной организации гражданской авиации, посадка самолётов в условиях плохой видимости подразделяется на три эксплуатационные категории, характеризующиеся пределами дальности видимости огней взлётно-посадочной полосы и высотами принятия решения [1]. Таким образом, КССО являются одним из основных элементов аэродрома и должны обеспечивать регулярность и безопасность полётов авиации ночью и в условиях плохой видимости.

Основные направления совершенствования комплексов светосигнального оборудования: повышение надёжности, увеличение срока службы, снижение потребляемой энергии и массогабаритных показателей, улучшение эксплуатационных и технико-экономических характеристик. Для анализа возможностей совершенствования существующих комплексов и внедрения энергосберегающих технологий при проектировании и эксплуатации светосигнального оборудования аэродромов необходимо рассмотреть комплексы светосигнального оборудования, применяемые для обеспечения посадки на различных объектах.

Анализ состояния вопроса исследований

В обзорной работе [2] рассмотрены существующие комплексы светосигнального оборудования аэродромов и вертодромов, представлены схемы их размещения, основные характеристики, конструкции огней. Показано, что в качестве источников света КССО, в основном, используются лампы накаливания (ЛН) и кварцево-галогенные ЛН, некоторые характеристики которых представлены в табл. 1.

Из табл. 1 видно, что источники света имеют светоотдачу от 13,8 до 24 лм/Вт, при этом их средний срок службы не превышает 1000 часов в номинальном режиме эксплуатации. Однако большую часть времени светосигнальные огни эксплуатируются в режимах пониженной мощности, поэтому срок их службы может достигать 3000 часов. Из анализа характеристик существующих источников света, представленных в табл. 2, видно, что их энергетическая эффективность и срок службы различаются [3, 4].

Повышение требований к надёжности комплексов светосигнального оборудования и повсеместное внедрение энергосберегающих технологий обуславливают необходимость замены используемых источников света на более эффективные. Самыми высокими характеристиками обладают светоизлучающие диоды (СИД), которые приобретают все большую распространённость и доступность, обусловленную их достоинствами, среди которых:

– высокая надёжность;

– срок службы достигает 100 000 часов;

– светоотдача достигает 170 лм/Вт;

– отсутствие в большинстве случаев сложной пускорегулирующей аппаратуры;

– вибростойкость и ударопрочность;

– малые размеры;

– устойчивость к низким температурам;

– экологичность.

Современные СИД излучают как в больших, так и в малых телесных углах, что позволяет в ряде случаев обходиться без формирующих световой поток оптических элементов. Полезное излучение может быть сформировано с любой пространственной конфигурацией, что создаёт удобства проектирования оптических модулей и световых приборов с наиболее эффективным его использованием. Время достижения номинальной яркости на четыре порядка меньше времени разгорания лампы накаливания и до тысячи раз быстрее разрядных ламп. Благодаря этим достоинствам световые и светосигнальные приборы на светоизлучающих диодах могут устанавливаться как на стационарных объектах, так и на транспортных средствах [2].

Пути решения задачи энергосбережения и повышения надёжности КССО

На основе исследований светодиодной техники были созданы и освоены в производстве в серию светосигнальные огни кругового обзора с СИД. Они предназначены для световой маркировки или светоограждения высотных и протяжённых объектов, препятствий, наличие которых может влиять на безопасность полётов воздушных судов ночью и в сумерках, а также днём в условиях плохой видимости. Для данных светосигнальных приборов на светоизлучающих диодах достигнуто энергосбережение 85 %, по сравнению с аналогичными на лампах накаливания [2].

Светосигнальные огни на светодиодах разрабатываются по двум направлениям:

– создаются принципиально новые конструкции огней, использующие все преимущества светоизлучающих диодов;

– устанавливаются светодиодные источники света в ранее разработанных конструкциях огней, работавших с лампами накаливания.

Следует отметить, что успехи достигнуты в обоих указанных выше направлениях. Так, в РЖД имеется большой опыт внедрения светоизлучающих диодов во все сферы своей деятельности. Большой спектр работ ведётся в области железнодорожной светосигнальной техники совместно с ведущими институтами (ВНИИЖТ, ВНИСИ, ВНИИОФИ и др.). Ведутся работы в стратегических государственных направлениях – получение высокоэффективного твердотельного источника света и разработка энергосберегающих источников света [5].

В настоящее время достигнуты показатели энергосбережения от 35 до 40 % на каждый заменяемый светосигнальный прибор. Кроме положительных экономических сторон внедрения и эксплуатации разработанных светосигнальных систем есть крайне важный аспект повышения надёжности оборудования, а значит и повышения безопасности. Главное концептуальное преимущество светодиодных систем перед системами на основе ламп накаливания – матричная (блочная) система источников света. В случае аварийной ситуации это позволяет гарантировать пусть не полную, но работоспособность изделия и не потребует вмешательства в момент движения. Другими словами, разработанное светодиодное оборудование подвижного состава позволяет в большинстве случаев продолжить безопасное движение до места его ремонта.

Кроме разработки новых светосигнальных приборов есть опыт модернизации существующих. Примером может служить предлагаемая для ж/д светофоров лампа на основе светоизлучающих диодов, полностью заменяющая существующую, но при этом сохраняющая все преимущества светоизлучающих диодов перед лампой накаливания и не требующая абсолютно никаких изменений в конструкции светофора и интерфейса управления в системе [5].

При проектировании комплексов светосигнального оборудования вместе с энергетическими характеристиками источника света необходимо учитывать и спектральные характеристики, сопоставляя их со спектральной чувствительностью человеческого глаза. Свет, генерируемый источником, должен иметь такое спектральное распределение плотности энергетической яркости, которое обеспечивало бы ему однозначное присвоение того или иного цвета. Выбор цветности сигнала важен с точки зрения наибольшей надёжности его различения и сохранения постоянства в течение всего времени наблюдения. Важно, чтобы отдельные цвета при восприятии наблюдателем не смешивались. Рекомендуемые координаты цветности обычно определяются не только спектральными характеристиками источника света и применяемых светофильтров, но и спектральными свойствами атмосферы, а также углом наблюдения. При малых углах наблюдения красная поверхность может выглядеть жёлтой, жёлтая – белой, зелёная – сине-зелёной [1]. Требования для сигнальных огней, применяемых в авиации, определяются большими скоростями и плотностью движения, требованиями к безопасности. Неверное определение цвета огней может привести к ошибкам в установлении положения воздушного судна в пространстве, что, в свою очередь, может повлиять на безопасность полёта.

Оптимальное восприятие глазом возможно при облучении сетчатки узкополосным источником света, основная плотность излучения которого сосредоточена в узком диапазоне длин волн. В качестве примера такого источника света на рис. 1 представлен красный светоизлучающий диод с максимумом излучения на длине волны 650 нм.

На графике представлены кривые относительной спектральной чувствительности различных типов колбочек человеческого глаза. Действие узкополосного источника света направлено в узкую область спектральной чувствительности глаза, что и формирует отклик об однозначности цвета. Так, одним из специфических является жёлтый свет с доминирующей длиной волны около 590 нм, при восприятии которого не удаётся избежать смешанной работы разных типов колбочек. Он изначально является смешением основных цветов: именно по этой причине пороговая освещённость и требуемая сила источника света должны быть больше, чем у других цветов, при условии сохранения одинаковой вероятности правильного восприятия цвета [6].

Эффективность источника света лучше всего оценивать с точки зрения восприятия его спектра глазным аппаратом. На рис. 2 представлен пример такой оценки для галогенной лампы накаливания.

На графике представлены: Ф(L) – спектральная функция распределения энергии излучения лампы накаливания, V(L) – спектральная функция чувствительности глаза, реакция Ф(L)*V(L) человеческого глаза на данный тип источника света, или эффективность источника света с учётом его восприятия. Из графика видно, что из всей излученной лампой энергии глаз воспринимает по всему спектру всего около 30 %, а остальная часть излучения воспринята не будет. В существующем светосигнальном оборудовании для получения необходимого цвета в основном используются светофильтры, снижающие яркость огня. В результате применения светофильтра энергоэффективность источника света ещё больше уменьшается.

С появлением белых светоизлучающих диодов узкий спектр перестал быть их отличительным и приоритетным качеством. В настоящее время СИД всё чаще стали применяться в освещении, что в основном связано с их спектральными характеристиками. Качество света, создаваемого белыми светоизлучающими диодами, по спектральным составляющим своего излучения лучше других, используемых в освещении, источников света подходит для восприятия глазом.

Результаты оценки эффективности белого СИД с T=2900 K представлены на рис. 3.

Из представленного на рисунке графика видно, что в данном случае энергоэффективность источника света выше, однако заметен провал излучения в синей части спектра в диапазоне длин волн примерно от 430 до 510 нм, что может негативно сказаться на видимости объектов с цветами, находящимися в этой части спектра. Поэтому для получения объективной оценки энергоэффективности источника света был проведён их анализ с точки зрения восприятия глазным аппаратом. За 100 % была взята та часть энергии, которая может быть воспринята глазом в одном из восьми рекомендованных для анализа ГОСТ 23198–94 участков спектра. На основе анализа результатов исследований [6, 7] получено:

где L1 и L2 – нижняя и верхняя границы выбранного диапазона соответственно; 
Фi(L) – спектральная функция распределения 
энергии излучения источника света; 
V(L) – спектральная функция чувствительности глаза.

Результаты данного анализа представлены на рис. 4.

Из графиков видно, что наибольшую эффективность имеет солнечный свет с Т=6000 К, который лучше всего воспринимается глазным аппаратом. Источники света на МГЛ имеют довольно равномерное спектральное распределение энергии, но требуют применения источников света большей мощности, чем например, светоизлучающие диоды с Т=2900 К и Т=3300 К. Натриевые лампы, широко распространенные в уличном освещении, имеют максимум энергетической эффективности в области жёлтого цвета и практически нулевую по всему остальному спектру. Поэтому для равенства восприятия с источником излучения белого цвета, спектр излучения которого лучше воспринимается глазом, необходима большая интенсивность, а следовательно, большее потребление энергии. Таким образом, для обеспечения энергоэффективности при проектировании и модернизации светосигнального оборудования необходимо учитывать не только ту световую отдачу, которую можно получить от данного источника света, но и его спектральную эффективность с точки зрения восприятия человеческим глазом.

В связи с большой стоимостью комплексов светосигнального оборудования аэродромов не всегда имеется возможность экспериментальной оценки изменения его характеристик, связанной с заменой источника света. На процесс восприятия пилотом воздушного судна светосигнальной картины аэродрома может повлиять ряд факторов, такие как изменение углового распределения силы света, распределения яркости по поверхности светосигнального прибора, спектральной характеристики источника света, силы света прожектора и т. д. Оценку влияния этих факторов, а также оценку эффективности вновь создаваемого и модернизируемого комплекса светосигнального оборудования можно проводить, используя математическое моделирование. Основные положения модели, а также результаты моделирования видимости огней комплексов светосигнального оборудования аэродрома представлены в [8–9]. С помощью данной разработки и алгоритмов можно оценить влияние изменений параметров КССО на восприятие светосигнальной картины аэродрома пилотом воздушного судна. Для этого необходимо провести измерение характеристик отдельных типов светосигнального оборудования, входящих в КССО, а затем с помощью предложенных алгоритмов моделировать восприятие пилотом воздушного судна светосигнальной картины аэродрома и её динамику в процессе посадки.

Внедрение светоизлучающих диодов в светосигнальное оборудование в РЖД уже сейчас позволило достигнуть снижения потребления энергии на 35–40 % [5] для каждого источника света. Имеется также опыт создания заградительных огней на СИД, для которых достигнуто снижение потребления энергии на 85 % по сравнению с аналогичными на лампах накаливания. Кроме энергосбережения использование СИД позволяет повысить эксплуатационные и технико-экономические характеристики светотехники. Таким образом, имеется значительный потенциал применения источника света на основе светоизлучающих диодов для модернизации существующих и проектирования перспективных комплексов светосигнального оборудования. Успешный опыт внедрения светодиодов во многие сферы деятельности подтверждает эти выводы. Предложенный способ минимизации затрат на разработку и испытания КССО позволит значительно ускорить и упростить внедрение светоизлучающих диодов в светосигнальное оборудование аэродромов.