商业飞机航行灯制造技术分析

C919

近日，我国首款国际主流水准的国产大型客机C919在上海浦东国际机场成功首飞，这标志着我国民用航空领域的一次重大跨越。C919实现了102项关键技术的攻关突破，是“中国制造”结出的硕果。

此次C919飞机照明的设计中，复旦大学光源与照明工程系教授林燕丹参加了两个大飞机重大专项“大客飞机客舱情景照明机理研究”以及“大客飞机驾驶舱照明人机工效研究”;

复旦大学光源与照明工程系教授孙耀杰参加了大型客机联合工程队，承担大飞机重大专项：“大型客机驾驶舱照明”、“大型客机客舱照明”的人机功效，照明测控与仿真系统的研究。

先来回顾一下C919的客舱情景照明设计

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除了客舱及驾驶舱照明

航行灯也非常重要

守护着飞机的飞行安全

下面为大家解析商业飞机航行灯制造技术

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航空工业是现代工业技术的集成应用，组成一架飞机的零部件数量达到几百万。与军用飞机的生产理念不同的是，商业飞机非常注重生产批量和成本控制。因此，全球化的工业生产协作是一种很好的生产模式，空中客车A300系列和波音737系列就是成功的典范。本文主要介绍飞机航行灯(卤钨光源)的设计和制造要点。

飞机航行灯的光电特征参数与设计要求

在飞机巡航时，安装在机翼的信号灯是用于表示自身位置和运动方向，便于避让和识别的灯具。按照国际规则;左翼红灯，右翼绿灯，尾翼白灯。翼灯的灯光水平扩散角为100度，尾灯为140度;有持续工作和闪光工作两种状态。每个航行灯的组件包括两只独立运行的低压卤钨灯管，常用类型为以下三种规格。

表1. 航行灯的主要光电特征参数。

图1. 28V/100W航行灯(卤钨光源)实物外形。

可以看出：对于低电压，低功率的卤钨灯，发光效率达到18lm/w，平均寿命达到2000小时，这样的指标要远高于国内对于通用照明卤钨灯的要求。航空用的卤钨灯除了考虑常规技术问题以外，更需要重点关注的是：特殊的使用环境对灯泡寿命的影响。飞机着陆时所承受的冲击力量和机翼减速板产生的强烈震动，会大幅度降低使用寿命，某上市公司生产的卤钨灯，就因为仅有几十小时实际使用寿命，而被航空公司拒绝。以空客320机务维护为例，工时单价280RMB，更换一只灯泡的人工费用远远大于材料费用。因此，要求灯泡在可靠性和稳定性的前提下，满足长寿命的性能，实属不易。

参照国外样品和标准，以28V/100W为例，给出灯管的外形及结构设计如下：

图2. 卤钨灯管外形及结构尺寸〖2〗

考虑灯管在飞机高速运动中的工作条件，以及在起飞和降落过程中所承受的冲击速度可达到数G(重力加速度)，灯丝结构是重点细节，采用多跳节组成形式，在一根灯丝上的不同位置，设计其不同的结构，完成导电，发光，支撑的不同的功能。灯丝的丝脚需要穿入紧密芯丝，可以保证安全通过大电流，支撑结构在保证灯丝不变形的同时，决不能与灯丝螺圈形成短路;金属灯头与引出钼杆采用氩弧焊密实焊接，连接灯座后，接触可靠容易散热。这些都是保障灯管2000小时寿命的重要前提。

航行灯原材料品质管控与制造过程

钨丝，石英管与气体是制造卤钨灯的三大原材料，它们的品质是制灯的先天因素。可以欣慰的是：无论是使用日本产原材料还是使用中国产原材料，都可以生产出合格的产品。其中的关键是：原材料必须经过检测，以挑选出符合制灯要求的特性。〖3〗标准化流程如下：

石英管肌理测试-----------压强实验↘

钨丝金相观察------灯丝绕制→→

氪气+卤钨循环剂预混合成份确认↗

1. 石英管的断面观察实验过程和压力测试

灯用石英管，其实有很高的技术要求，早在上世纪80年代，和日本岩崎(EYE)进行技术交流时，我们发现日本公司对石英管的羟基含量有定量测试手段。东南大学诸玉华教授等人用回旋质谱分析灯泡残余气体。受到启发，笔者将四极质谱仪首次应用在制灯工艺，通过测试石英管的放气成份，挑选可以用来制作金属卤化物灯的材料。同样，航空器中的卤钨灯，从夏季停机坪机翼表面80℃左右到起飞后高空温度在冰点以下，环境温度的急剧变化同时要求石英管具有良好的热稳定性和韧性。早期国产石英管无法满足这些要求，只能使用美国GE公司和OSRAM的石英管，内径8MM外径10MM这种进口牌号的石英管在中国许多工厂也有使用，用于生产OEM出口高附加值产品，新增加的测试手段是应用扫描电子显微镜(SEM)对其断面进行肌理观察。〖4〗

图3.这是放大50倍下的断面照片，可以看出肌理清晰，纹路均匀;说明石英管在熔炼生产过程中，无污染，一致性好。使用PHILIPS，OSRAM以及国产优质产品都可以有相似结果。

图4.边缘有明显缺陷的石英管

图5.肌理有明显缺陷的石英管

以技术手段筛选合格的供应商，并与之进行良好的沟通，协助某石英管工厂进行了大规模技术改造和工艺升级，改善后的石英管与GE公司牌号具有相同的观察效果。经过初步加工的石英管还需模拟点灯环境下的压力测试：一个可以达到300℃的工作容器，压强达到2个大气压时，保持10分钟，如果完好无损，评为合格。

2. 钨丝的加工过程与灯丝定型排气点灯再结晶形成

曾几何时，日本钨丝在中国十分抢手;一些工厂把使用日本钨丝作为品质保证的手段，却不知道为什么日本钨丝好用的事出有因。本文作者之一有在日本钨丝工厂的研修工作经历，熟悉日本钨丝的《细化原则》，即钨丝加工的工艺过程要和灯丝设计，定型过程，初次点灯工艺相匹配〖5〗。因其内容较多，将在专门文章中叙述;这里直接给出结论：中国钨丝和日本钨丝的原材料都是中国钨粉或者棒料，因此，只要你的加工过程合理有效，本质上中国钨丝和日本钨丝的效果是一样的好用。正确的流程是a,首先进行钨丝裂纹探伤，以剔除钨丝内在缺陷产品。b，进行钨丝金相组织分析c.钨丝电解清洗，清除表面缺陷。

一般低电压大功率灯丝，设计上都不得不选用相对较粗的钨丝，以10V/100W为例：钨丝当量(230MG)时，钨丝直径d=0.276mm，芯线直径D=0.6mm，简单计算一下其截面周长;L(钨丝外表面)=(2d+D)×∏=3.61mm，L(钨丝内表面)=D×∏=1.88mm，L(钨丝外表面)/L(钨丝内表面)=1.92;

也就是说：粗钨丝在绕制灯丝时，在沿芯线曲率半径的绕制力作用下，外园表面被强烈拉伸，贴近芯线的内侧则被强烈挤压，其变化率达192%。这种情况下，钨丝内部的细小缺陷都会造成晶体的破碎，分层;成为影响寿命的重要因素。绕制合格的灯丝在1700℃定型时，要控制晶体形成速度，直到排气初次点灯，完成二次再结晶形成咬合状燕尾结构，稳定的钨丝晶界具有天然的抗震性。否则，会出现不可逆转的断丝机会。大多数制灯厂缺乏与钨丝厂就成型机理充分沟通，而仅仅注重提供样品实验形式。

图6.灯丝定型良好的金相

图7.放大100倍的钨丝再结晶图

从图片资料中可以看出：只有钨丝无缺陷，才能初步保障灯丝无缺陷。对短寿命灯泡断丝进行的失效分析发现：100左右出现的断丝，多数是由钨丝内在缺陷造成;电子显微镜下的高倍数相片反映了钨丝晶界滑动以及熔断过程。而1000小时左右出现的断丝，主要是由钨丝表面的尖刺和异物粘连，造成阻值改变，形成热点而逐渐烧毁。

图8.短寿命(800)灯泡的断丝照片

图9.短寿命断丝在放大100倍，300倍，1000倍观察下，钨丝晶界变动〖6〗

3.气体的预混合及其规范使用

最简单的制灯设计方法当然是使用氙气，即可以提升光通量，又可以降低灯丝设计工作温度，从而有效保障寿命指标;昂贵的氙气价格，将大幅提高制灯成本，工厂会无利可图;使用Kr气可以降低成本，但制灯工艺难度加大;使用预混合+高压方式可以取得最佳的性价比。

卤钨循环剂也是灯内必须填充的物质之一;两种不同成分的物质在混合中出现不均匀是常见现象，所以，要保证制灯的一致性，必须准确测定预混合气体的成分比例，充分均匀混合后，一次排气分离时，尽可能提高充气压力;然后将灯管放入液氮容器中冷冻，二次分离后实现增压。这样的工艺技术已经成熟推广，应用在多种卤钨灯的生产中。〖7〗需要指出的是：高端卤钨灯产品，大多采用了金属真空排气系统，便于和预混合气体钢瓶的连接;还可以用来提升灯泡的一次充气压力以及批量生产中的可靠性和一致性，克服了传统玻璃真空系统的许多不足。

结束语

商业飞机航行灯的生产在中国已经历时10年，数十万只卤钨灯管出口至日本后，经过检测挑选换包装发往美国，作为飞机常用消耗品备件分配给全世界主要航空公司，当然包括返销给中国三大航空公司。经过跨国公司的运作，其产品价值提升10倍。作为世界工厂的中国，低端制造产能过剩;高端产品制造不足的现象依然存在。照明产品同样面临转型升级压力，希望我国照明工业不仅有提供简单，低值的规模产品的上市公司，也能够发展出一批专业生产高品质，高附加值的科技型产品中小企业。

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文丨李亚滨 赵伟 潘有彬

编辑丨 李杰