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驾驶舱风挡:飞机“眼睛”的故事(图)
来源:《中国民航报》2018-05-21 15:49:00

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2018年5月14日,四川航空一架空客A319飞机从重庆飞拉萨。在巡航阶段,驾驶舱右座前风挡玻璃意外破裂脱落,机组紧急下降高度并备降成都。

而在一个多月前,美国西南航空一架波音737飞机的发动机叶片断裂,打穿了飞机客舱的窗户,飞机紧急下降。

这两起飞机严重机械故障事件都因为飞行机组的成功处置而安全落地。一时间,飞机风挡再次成为大家关注的话题。人们不禁要问:飞机的玻璃窗户结实吗?我们乘坐飞机还安全吗?

飞机“眼睛”的由来

如果将飞机比作人的话,那么飞机驾驶舱风挡玻璃这一航空结构透明件就是飞机的“眼睛”。飞机风挡的设计制造历史,其实也是一部飞机的发展史。

早期的飞机压根儿就没有风挡,飞行员只戴一副风镜。后来在飞行员和旅客的鼓励下,制造商生产出带风挡的飞机。上世纪20年代,飞机风挡最早使用的是普通玻璃;后来随着飞机飞行速度的加快,开始使用复合玻璃;在上世纪50年代后,变成了有机玻璃或钢化玻璃的多层复合结构风挡。

第二次世界大战后,飞机开始变成增压飞行,为了提高风挡的抗鸟撞能力及防止飞机座舱玻璃突然破裂,美国和苏联开展了有机玻璃拉伸定向方面的研究工作。飞机风挡逐渐往一体化、集成化与轻薄化方向发展,也更加注重透明件的人机功效,实现光学性能、结构强度与特殊功能的综合优化,为飞行员提供更加安全、舒适、高效的驾驶环境。

早期飞机的主风挡还使用平面玻璃,多数采用的是非承载的结构形式,由主风挡、侧窗和固定窗共6块玻璃组成。风挡仅承受自身的气密载荷,而不参与机身载荷的传递,因此非承载式风挡的窗框比较笨重,气动阻力大。到20世纪末,新一代飞机采用了流线型机头的双曲风挡设计,曲面质量高,外形比较美观,减少了风挡数量和机头阻力,并减轻了机头重量。例如,我们的国产大飞机C919飞机驾驶舱就采用了4块曲面承重风挡的宽视窗设计,感觉就是一个全景天窗,为机组提供了非常开阔的视野。

随着科技的发展,制造技术向高可靠性、低成本、高效率、低应力方向发展,材料技术更加追求多功能性、智能化、轻量化。波音787飞机4扇式风挡与飞机外形浑然天成,风挡玻璃热加工成曲面,符合空气动力学。同样,波音787飞机还改变了滑动侧窗设计,让风挡免受破坏性负载。其复合结构风挡玻璃最外层采用化学钢化玻璃以提高强度和耐磨性,内层选用定向有机玻璃。二者的结合既减轻了整体重量,又保证了足够的结构安全性能。

飞机“眼睛”的功能

对于现代民航客机来说,风挡玻璃并不是薄薄的一层,而是像千层饼那样有多层结构,这使得单一玻璃破裂也难以影响飞机的飞行安全。空客A320飞机的风挡重量约为35千克,总厚度3厘米~4厘米。风挡玻璃共有3层,最外层为热钢化玻璃,中层和内层为化学强化玻璃。各层玻璃通过聚氨酯层和PVB层粘连在一起,旨在提高飞机防鸟击能力和失效安全能力。最外层钢化玻璃的内侧安装有透明的导电覆盖膜用于除冰,而内层的玻璃之间有除雾层。

在正常情况下,驾驶舱风挡可以承受5倍飞机最大内外压差载荷;在一层结构层(内层或者中层)破裂后,仍然可以承受2倍最大压差的载荷,是非常安全的。另外,风挡还可以承受1.8公斤的鸟在最快飞行速度(约0.8倍音速)下的撞击。据统计,鸟撞风挡/座舱盖的次数占所有鸟撞事故的21.4%,居首位。为避免飞行员受到尖锐碎片的严重伤害,风挡玻璃的内层必须采用非碎裂性材料。

风挡玻璃是飞机重要的功能部件。作为机身的一部分,它不仅要保持机头流线型外形,还具有保证结构完整安全和提供清晰视野的功能。作为飞机的“眼睛”,它要有良好的光学性能,为飞行员提供良好的视野。

飞机的风挡如何确保飞机在大雨中安全落地?其实,最早的民航客机外层风挡上有雨刮器,并且会涂抹防雨剂。防雨剂是在风挡外形成一层厌水的膜,让雨水在表面形成水滴状并快速滑落。防雨剂最早在空客飞机上使用,由于早期的防雨剂含有氟利昂,自1996年起被禁止使用。而现在的飞机风挡外层会有特殊的防雨材料,让雨水不沾在玻璃上。而且飞机的驾驶舱玻璃是微凸流线型的,可以实现气动除冰。飞机在高速飞行状态下,风挡边缘产生一些涡流,更容易带走积冰或者雨水。

可见,为飞行员提供清晰的视野并非易事。风挡玻璃必须具备除冰、除雾、泄静电、防雨水等多种功能,能通过电加热、雨刷等措施保证在特殊气象条件下飞行员有清晰的视野。飞机前风挡是由多层玻璃复合而成的,不仅提高了风挡的强度,也为其他功能的扩展留下了空间,其中之一就是电加温技术。如波音777飞机的风挡加温是自动打开的,并在飞机关车后关闭。

一次罕见的驾驶舱开“天窗”

四川航空飞机风挡破裂脱落事件发生后,中国民航立即对同一型号飞机的风挡玻璃进行了排查,并展开调查。

那么,什么会导致如此结实的飞机风挡玻璃破裂呢?从理论上讲,起因大致可分为两类:一是外物损伤,如鸟击、冰击、雷击;二是风挡和相关系统问题,如风挡玻璃有质量问题,玻璃加热系统发生故障导致过热,或飞机风挡安装有问题。但无论何种原因破裂,都不能爆碎,应该在破裂后保持原有完整性,这是飞机设计的安全标准。

在商业飞行超过百年的历史中,风挡玻璃发生像川航这样严重的事件实属罕见。飞机因为风挡破损而造成的严重释压,几乎是飞行员遇到的最严重的故障。美国事故调查委员会曾做过测试,当一架波音747飞机上出现一个0.3平方米的洞,坐在洞旁边的人会被大约半吨的力向外拉扯,直到100秒钟后飞机内外气压取得平衡。

1990年6月10日7时20分,英国航空5390航班准时从英国伯明翰起飞,前往西班牙马拉加。机长是42岁的兰开斯特,经验丰富;副驾驶是39岁的阿奇森,有7500小时飞行经历。当飞机爬升到5400米时,驾驶舱开了一个“天窗”,风挡玻璃突然消失,机长兰开斯特的上半身被巨大的气流吸出飞机。千钧一发之际,冲进驾驶舱的空服人员奥格登抓住了兰开斯特的腰带,副驾驶阿奇森则在全力地控制飞机。

因为驾驶舱风挡玻璃脱落,虽然飞机已经在下降高度,但机舱内的温度很快降到了零下17摄氏度。副驾驶阿奇森将飞机的飞行高度调整到3000米,这一高度的大气中富含氧气,而且没有其他飞机飞行。机组将飞机减速到300公里每小时,并向地面报告紧急情况。然而,呼啸的风声让阿奇森完全听不清塔台的回复,他焦急地等待地面同意落地的指令。

最终,在风挡玻璃脱落后的第22分钟,副驾驶阿奇森成功将飞机降落在跑道上,机上所有旅客毫发无损。机长兰开斯特和空服人员奥格登被送往医院,经过治疗后身体都康复了。

英航事后调查发现,风挡玻璃脱落的原因竟然是螺丝钉!这架飞机在起飞前27小时曾更换风挡玻璃,维修主管确认,在90颗固定风挡玻璃的螺丝钉中,有84颗的直径比设计规格细0.026英寸(0.66毫米),其余6颗的长度比设计规格短0.1英寸(2.5毫米)。这84颗稍微细一些的螺丝钉是导致风挡玻璃高空脱落的罪魁祸首。

这次事故让飞机设计人员发现,如果从飞机内侧安装风挡玻璃,会比从外侧安装更牢固,因为高空中的空气压力是内部高于外部的。如果从内侧安装风挡玻璃,那么大部分空气压力将由玻璃外侧的窗框承受,而不是小小的螺栓。所以,飞机此后就改进了安装方式,现在安装更换风挡是一件非常慎重的事情。如果一架空客A320飞机要更换风挡,更换程序包括拧拆装螺丝、拆装盖板、铲除密封胶后再涂抹等,由4名机务人员花12个小时才能完成工作。

当然,即使风挡玻璃破裂,受过严格训练的飞行员也能驾驶飞机安全落地。随着技术的进步,飞机上的窗户只会越来越多、越来越大。空客公司已经在2010年巴黎航展上提出了全透明飞机的设计理念。可以肯定的是,飞机的“眼睛”会越来越明亮,飞行也会越来越安全。(《中国民航报》特约撰稿人 姚永强)

责任编辑:wanglei
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