為了防止在飛行中破裂，飛機擋風玻璃都加了哪些buff？

來自專欄了不起的中國製造

出品| 網易新聞

作者| 陳俊宇，清華大學機械工程系博士研究生

　　5月14日，川航的一架客機在高空飛行時駕駛艙擋風玻璃突然破裂並脫落，造成機艙失壓，在危急的情況下，機長依靠二十年的飛行經驗，手動操控，成功迫降，挽救了乘客和機組人員的生命安全，成為了當之無愧的「英雄」。

　　在為英雄機長、機組以及地勤人員點贊的同時，我們也不能忽視這是一起航空安全事件。川航擋風玻璃事故原因仍在調查之中，但擋風玻璃破碎與飛行環境和玻璃質量是分不開的。

　　可能有很多人要問了：飛機擋風玻璃有哪些特性？又是怎麼應對高空惡劣的飛行環境的呢？

　　看完下面的介紹，你就會明白了。

（一）川航飛行的環境：低溫、低壓、氧氣稀薄

　　飛行環境分為大氣飛行環境和空間飛行環境，其中大氣飛行環境是飛機的主要飛行環境。飛機通常飛行在大氣層的平流層底部區域，該區域大氣垂直運動很少，以平流運動為主，飛機在其中受力比較穩定，這就是我們在飛機上大多數時候不會感到顛簸的原因。

　　平流層雲層少，顆粒物含量少，能見度很高，飛鳥一般無法達到這一飛行高度，能有效避免和鳥類相撞。

　　平流層的海拔高度受所處緯度影響，中國所處的中緯度地區平均海拔在10～12千米以上。按照中國民航規定，像川航本次執飛的中型以上的民航飛機要在海拔7-12千米的高空飛行。

　　大氣層空氣密度和壓強隨高度的增加按指數規律下降，最後接近真空。可以這樣理解：某區域的氣壓值，等於該區域單位面積上的大氣柱的重量，高度越高，壓在其上的空氣柱越短，大氣壓也就越低。

　　目前中國採用的是國際標準大氣，在30000英尺（9144米）的高空，壓強為301hPa（即30kPa），僅相當於水平面平均氣壓（101.3kPa）的30%。

　　在低空2-3千米範圍，飛機內部氣壓與地面維持相同。隨著飛行高度的增加，飛機氣壓隨外界大氣壓減小而減小，使內外壓強差維持恆定，以防止飛機內外壓差過大發生機體爆炸或突然失壓導致的人員瞬間傷亡。

　　高空中的溫度等於高空中氣團的溫度，氣團是大量空氣長時間停留在某一地區形成的溫度、濕度和其他物理性質基本相同的大範圍空氣團，所佔空間很大，垂直厚度達到幾千米至十幾千米，其溫度由該地區地理環境和地標性質決定。

　　陽光烤暖了大地，使得地表底層氣團溫度升高，密度減小上升。上升時氣團膨脹，對外做功，內能減少，溫度降低。因此，距離地面越高的地方，空氣溫度越低。大約每升高1km，氣溫降低6℃（如上表所示）。在10000米高空，氣溫降低至-50℃。高度超過11000米後，氣溫維持在-56.5℃。

　　飛機在環境低溫、低壓、缺氧的高空中飛行時，擋風玻璃為我們隔絕了一切惡劣條件，創造了舒適安全的機艙環境。而它自己，卻需要抵抗外界低溫、內外巨大的壓強差，以及升降過程中飛鳥撞擊等不利條件。

　　那麼，飛機擋風玻璃具備哪些特性讓它可以如此出色地完成任務呢？

（二）飛機擋風玻璃：集玻璃加工所有高精尖技術於一身

　　擋風玻璃是由美國福特汽車創始人亨利·福特在被玻璃碎片劃傷後發明的。他將兩塊玻璃夾在一起，中間用一層PVC塑料隔開，既能有效防止外部玻璃破碎對人的傷害，又能起到良好的減震效果。

　　後來，這種「三明治」結構的設計思路一直沿用了下來，並應用在飛機上。隨著技術要求的提高，飛機擋風玻璃製造幾乎涵蓋了玻璃加工的所有高精尖技術，因此被稱為「玻璃加工技術之花」。

　　飛機擋風玻璃是飛機重要的結構功能部件，必須具有多種功能特性。

　　一是作為機身的一部分，擋風玻璃必須具有足夠的強度，並保持流線型外形，以承受各種飛行狀態下的機艙氣壓、氣動荷載和衝擊，還要保證使用的可靠性和儘可能長的使用壽命；

　　二是作為透明觀察窗，擋風玻璃必須具備良好的光學性能，能夠提供清晰的視界。在細節上，還要求機窗具備除霧、泄靜電、防雨水等多種功能。

　　飛機擋風玻璃技術就是要通過材料選取、結構設計、製造工藝、測試評價等方面的研究來同時滿足上述力學、光學、電學等性能的特殊要求。

（1）多層複合結構使機窗更加安全、可靠

　　為保證足夠的力學性能，提高機窗的剛度和強度，平面型擋風玻璃採用了物理鋼化技術；而曲面型擋風玻璃為保證光學性能的要求，多採用表面離子交換增強技術，成本也更高。因此，客機一般採用平面型機窗，而戰鬥機等採用曲面型機窗。

　　在玻璃單片強度一定的情況下，為滿足抗鳥撞要求，只能提高玻璃的總厚度。

　　此外，如果仔細觀察，你還會發現每一扇機窗都是圓角，曲線設計將壓力分散到邊緣的每一點上，而不像正方形窗將壓力集中在尖銳的角上（工程中將其稱為應力集中點），這樣可以降低機窗破碎的幾率。

　　在結構上，擋風玻璃採用多層複合結構來保證玻璃破碎後的安全性。

　　如圖所示，外層①是一個保護層，中間層②、內層③為結構層，每個結構層都可以單獨承受增壓載荷。

　　加溫膜④可以實現電加溫，能在飛機飛行中除冰、化霜，保證特殊氣象條件下駕駛員擁有足夠的視界。加溫膜必須保證溫度的均勻性，否則會引起擋風玻璃失效甚至發生玻璃炸裂。比如有的玻璃杯常常一加熱水就會爆炸，就是性能不佳、突然受熱不均造成的。

　　兩個夾層⑤是作為粘結材料的中間層膠片，其可靠性對擋風玻璃的安全使用非常重要。

　　對於擋風玻璃來說，膠合層出泡、脫膠和玻璃炸裂是其主要失效模式，因此，開發耐候性能優異的膠接材料成為行業重要要求。

　　此外，玻璃與機身連接方式直接影響玻璃的抗撞擊強度，玻璃邊部良好的密封也可保護膠合層和電加熱元件免受環境濕氣的侵蝕。

（2）多種光學性能要求擋風玻璃必須提供清晰明亮的視野

　　飛機擋風玻璃本質上畢竟還是玻璃，在低溫、低壓、雲霧的高空飛行環境中提供清晰明亮的視野是擋風玻璃的天職。

　　光學性能是影響擋風玻璃製造成品率的首要因素，因此擋風玻璃在製造過程中需要考慮透光度、霧度、光學角偏差、光學畸變、雙目視差、副像偏高、眩光性能等光學性能指標，這就需要依靠玻璃精確成型技術、玻璃鍍膜技術以及層合技術的支持。

　　此外，塗層和鍍膜技術還可以實現許多附加功能。例如，在玻璃外表面製備疏水或憎水塗層可以防雨。而鍍制不同的透明導電薄膜可以實現電磁波屏蔽、雷達波隱身、熱反射等功能。

（三）中國製造的高強度玻璃比鋼材還要強，但關鍵技術上仍有差距

　　目前全球大型飛機製造主要被美國、法國壟斷，為其配套供應擋風玻璃的分別是美國、法國和英國的三家公司，他們的產品代表了世界領先水平，也壟斷著機窗市場。

　　近年來，擋風玻璃技術發展呈現輕量化、高可靠性、長壽命、多功能的趨勢。其中，玻璃增強新技術的開發一直是機窗製造技術的核心和熱點，美國和法國公司採用鈉鉀體系的熔鹽進行離子交換增強，開發了高強度玻璃，並已經進行商業化應用。

　　美、法、德等國家開發了鋰、鋁、硅組分的專用平板玻璃，強度和應力層深度比普通化學鋼化玻璃高50%以上，強度接近400Mpa，除了適應高空氣壓差外，還能夠在保持抗鳥撞的特性前提下，有效減薄玻璃厚度，顯著減輕機窗重量。

　　中國的第一塊飛機擋風玻璃是1958年建材總院研製成功的。60年來，經過幾代科技人員的努力，完成了國產飛機所有機型的玻璃研發配套任務，包括30多個品種60多種規格的航空玻璃，使中國成為繼美、英、法、俄等少數幾個能自行研製飛機玻璃的國家之一。

　　中國建築材料科學研究總院針對玻璃增強技術開展了多年的研究，開發的綜合增強技術可將普通浮法玻璃的強度提高到400MPa以上，比普通的鋼材還要強，基本達到了國外產品的先進水平。

　　不過，由於缺乏大型客機的實際應用經驗，中國在擋風玻璃的許多關鍵技術上與發達國家仍有較大差距。

　　截至2017年底，中國民航運營機隊總規模達到3200多架，居世界前列，民航市場總規模也已躍居世界第二。然而由於沒有掌握核心技術，中國每年僅維修更換玻璃的費用就達數億元。

結語

　　雖然中國高強度玻璃強度達到了世界先進水平，第一架國產大飛機C919舷窗就安裝了國產飛機擋風玻璃，但中國仍急需在技術、工藝上有所突破，提升整體的設計、開發和製造能力，才能將飛機的「生命之窗」牢牢把握在手中，打破國外公司在這一領域的壟斷。

作為世界上認知度最高的標籤，中國製造（Made in China）正尋求戰略升級。「了不起的中國製造」專欄，力邀行業權威、資深玩家，呈現他們眼中的中國創新之路。

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編輯| 孫健航、史文慧