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43度恒温超级涂层 飞机风挡玻璃有多娇气?

 2018-05-16 来源:翼周刊 作者:FEI  [投稿排行榜]
2018-05-16 17:14:54

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  想象一下飞机的风挡的工作环境,从夏季高温50-60度的机场起飞,20分钟后到达零下40度的万米高空,享受着时速900公里的自然风和机舱内外的压力差。接受温度、高度、速度的三重考验。

  三层防护

  飞机的风挡玻璃起初就是为飞行员遮风避雨的,因为更早期的飞机压根就没有风挡,飞行员只有一副风镜。

  后来在飞行员和乘客鼓励下,制造商生产带篷子的飞机,这下就舒服了。不过那时候的飞机没有增压技术飞不高,所以风挡有点像今天的私家车风挡,能加温但复杂程度不如今天的飞机。

  飞机风挡进化史大约是这个样子:上世纪20年代用的是平板退火玻璃→30年代曲胶层纤维素复合玻璃→40年代用热淬火胶层聚乙烯醇玻璃→50年代以后是有机玻璃或钢化玻璃的多层复合结构风挡。

  我们在博物馆看到的老飞机,很多风挡玻璃都发黄了,这就是早期纤维素酯类玻璃的缺点。

  如今的波音、空客飞机的风挡更像是一块透明的玻璃墙,性能不俗,重量不轻。一块A320的风挡玻璃重达35公斤

  既要承受压力、温度变化,又要承受鸟击不碎。所以现代客机风挡采用三层加密设计。

  空客320大修窗框拆解,螺丝口要涂抹油灰和锌络酸盐,主要起到防腐作用,而且上紧螺丝要使用扭力扳手。

  分为外层钢化玻璃、中层树脂玻璃、内层化学钢化玻璃,玻璃与玻璃之间还有其他材料的涂层和胶层。

  中层和内层风挡玻璃是机身结构的一部分,根据飞机风挡制造商PPG的数据,每层厚度约为8毫米,承担着气压负载。

  中层风挡是一个防失效结构,如果内层玻璃破裂,它可以防止碎片飞溅,同时也承担着一定的结构负载。

  外层风挡玻璃厚度约为3mm,是一个坚硬耐磨的刚性表面,是外来物冲击飞机的第一道防线,起到防止外来物体损伤和磨损的屏障作用,比如能抵抗1.8公斤重的鸟,以600公里时速撞击。

  越南航空A321客机前风挡加温短路导致风挡破裂,更换一次程序包括拧拆装螺丝,拆装盖板,铲除密封胶后在涂抹,4个机务12小时完成。

  43度恒温加热

  在外层和中层之间有一个纳米厚的导电涂层,采用氧化铟锡,氧化铟锡是一种N型氧化物半导体,主要的特性是其电学传导和光学透明的组合,其价格昂贵。

  在导电层与风挡内部通过汇流条连接,电流通过汇流条进入导电层,氧化铟锡涂层通电产生热量为风挡加热。风挡加温控制组件使风挡温度保持在43度

  由于涂层原因,每个风挡导电层的电阻不一样,一般会在风挡上有电阻代码标识,不同代码代表不同的导电层的电阻值,便于匹配电压与导电层电阻。

  根据波音737NG排故手册,飞行中,若风挡温度小于37度时,加温电路连通加温;当达到43度时,会降低电流保持温度;如果温度超过62度时,继电器断电,加热电路切断。

  加温是防止风挡结冰,飞机在中低空飞行时,空气中的水汽大,有利于结冰;而高空的空气干燥,不具备结冰条件,但在提高安全的前提下,依然要开启。

  有知乎网友说,加温不仅是为了防冰防雾,而是保证玻璃强度。飞机驾驶舱风挡用的不是普通玻璃,而是复合材料,低温下会变脆,所以加热。

  美国航空周刊曾在一篇《风挡失效》的文章中提及,温度的变化会导致玻璃弹性发生变化。 因为寒冷的窗户很脆弱,抵抗撞击的能力尤其鸟击的能力较弱,而温暖的窗户则更能抵抗撞击造成的损害。

  另外,有20%的风挡故障来自加热失效,加热失效警告发出不久后,一扇窗户开始破裂,风挡必须在短时间内承受温差导致的热胀冷缩,而产生的局部应力变化,此时,机组立刻采取应急处置程序。

  图:空客320的侧窗上也的风挡温度传感器

  在挡风玻璃内有恒温器,以防止过度加热,但恒温器或温度传感器有可能会失效。 如果在飞行中发生这种情况,飞机的速度将被限制。 如果在地面误操作加热,并且没有冷空气降温,可能会导致过热,从挡风玻璃上观察时景物出现波浪变形。

  从波音777飞机开始时 ,风挡加温是自动打开,并在最后关闭,这一改进旨在从繁琐的“家务”劳动中解脱,消除潜在隐患更专注飞行。

  曲面大屏玻璃

  在波音787的4扇式风挡出现之前,客机的风挡玻璃受成本、工艺、力学结构、技术限制,都是近乎于平面的6扇窗结构。为了与787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。注意过787机头的网友肯定会发现,787的风挡面积很大,而且不能打开。国产C919也是采用这种设计。

  这就是驾驶舱设计的思路差异,驾驶舱风挡设计者必须与不同的安装要求相抗衡。在以往的飞机上,例如767、777、A330等,窗框被固定在机身结构中,机长可以在地面开窗通风,但这意味着玻璃不能承重。

  为了提高结构可靠性,波音787取消了滑动侧窗设计,旨在让风挡免受破坏性负载。

  图:A350风挡温度传感器

  空客A350也曾想采用4扇式风挡,但是这就需要对机头进行重新设计,重新风动吹风,而且时间和成本上也耽误不起,无奈只有采用老式六扇式风挡。

  潮湿短路引发爆炸

  2013年1月15日,一架塞斯纳奖状X公务机,从萨摩亚飞往悉尼的途中,高度45000英尺平飞,EICAS显示左风挡加温故障,2分钟后左风挡外层爆裂,机组立即带上氧气面罩下降高度,宣布处于紧急状态MAYDAY MATDAY,并转向附近的斐济纳迪国际机场,飞行员报告风挡裂缝没有扩大,安全落地。

  澳洲交通安全委员会(ATSB)调查结果,风挡玻璃飞行时间3200小时,其顶部密封件磨损,水气进入汇流条,并导致汇流条与加热膜之间的电气连接失效。 最终加热膜开始烧坏,进而导致玻璃外部非结构面层的电弧和失效。

  图:破裂左前风挡

  NASA曾做过测试,当一架波音747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秒后飞机内外气压取得平衡。

  外层风挡破裂的飞机正在降落,客机的外层风挡上会涂抹防雨剂,也称为厌水涂层,所以不能再干风挡上开启雨刮器。

  图:防雨剂效果,左未涂,右涂抹。

  关于防雨剂多说一句,防雨剂最早使用在空客飞机上,由于早期的防雨剂含有氟利昂,在1996年1月1日起开始被禁。1998年,空客找到了不错的替代品,满足环保和适航的要求。

  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。

  风挡遭鸟击保持形状完好,看残肢这鸟真不小,不过也有鸟击撞穿后伤及机组的案例发生。鸟击测试更多的是侧重验证发动机的防护能力,压缩空气炮在不到一秒的时间内模拟鸟群撞击,向飞机的发动机叶片发射8只刚解冻的重量达到680克的鸡。模拟了高速飞行状态下的鸟群撞击。

  在正常情况下,驾驶舱玻璃可以承受5倍飞机最大内外压差载荷,当一层破损后,仍然可以承受2倍最大压差的载荷,也是非常安全的。有时我们会看到飞机玻璃破碎严重,但绝对比我们想象的要坚固的多。

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