43度恆溫 超級塗層 飛機風擋玻璃有多嬌氣?

43度恒温 超级涂层 飞机风挡玻璃有多娇气?

想象一下飛機的風擋的工作環境,從夏季高溫50-60度的機場起飛,20分鐘後到達零下40度的萬米高空,享受著時速900公里的自然風和機艙內外的壓力差。接受溫度、高度、速度的三重考驗。

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現代客機駕駛艙風擋玻璃

三層防護

飛機的風擋玻璃起初就是為飛行員遮風避雨的,因為更早期的飛機壓根就沒有風擋,飛行員只有一副風鏡。

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後來在飛行員和乘客鼓勵下,製造商生產帶篷子的飛機,這下就舒服了。不過那時候的飛機沒有增壓技術飛不高,所以風擋有點像今天的私家車風擋,能加溫但複雜程度不如今天的飛機。

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飛機風擋進化史大約是這個樣子:上世紀20年代用的是平板退火玻璃→30年代曲膠層纖維素複合玻璃→40年代用熱淬火膠層聚乙烯醇玻璃→50年代以後是有機玻璃或鋼化玻璃的多層複合結構風擋。

我們在博物館看到的老飛機,很多風擋玻璃都發黃了,這就是早期纖維素酯類玻璃的缺點。

如今的波音、空客飛機的風擋更像是一塊透明的玻璃牆,性能不俗,重量不輕。一塊A320的風擋玻璃重達35公斤

既要承受壓力、溫度變化,又要承受鳥擊不碎。所以現代客機風擋採用三層加密設計。

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空客320大修窗框拆解,螺絲口要塗抹油灰和鋅鉻酸鹽,主要起到防腐作用,而且上緊螺絲要使用扭力扳手。

分為外層鋼化玻璃、中層樹脂玻璃、內層化學鋼化玻璃,玻璃與玻璃之間還有其他材料的塗層和膠層。

中層和內層風擋玻璃是機身結構的一部分,根據飛機風擋製造商PPG的數據,每層厚度約為8毫米

,承擔著氣壓負載。

中層風擋是一個防失效結構,如果內層玻璃破裂,它可以防止碎片飛濺,同時也承擔著一定的結構負載。

外層風擋玻璃厚度約為3mm,是一個堅硬耐磨的剛性表面,是外來物衝擊飛機的第一道防線,起到防止外來物體損傷和磨損的屏障作用,比如能抵抗1.8公斤重的鳥,以600公里時速撞擊。

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越南航空A321客機前風擋加溫短路導致風擋破裂,更換一次程序包括擰拆裝螺絲,拆裝蓋板,剷除密封膠後在塗抹,4個機務12小時完成。

43度恆溫加熱

在外層和中層之間有一個納米厚的導電塗層,採用氧化銦錫,氧化銦錫是一種N型氧化物半導體,主要的特性是其電學傳導和光學透明的組合,其價格昂貴。

在導電層與風擋內部通過匯流條連接,電流通過匯流條進入導電層,氧化銦錫塗層通電產生熱量為風擋加熱。風擋加溫控制組件使風擋溫度保持在43度

由於塗層原因,每個風擋導電層的電阻不一樣,一般會在風擋上有電阻代碼標識,不同代碼代表不同的導電層的電阻值,便於匹配電壓與導電層電阻。

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根據波音737NG排故手冊,飛行中,若風擋溫度小於37度時,加溫電路連通加溫;當達到43度時,會降低電流保持溫度;如果溫度超過62度時,繼電器斷電,加熱電路切斷。

加溫是防止風擋結冰,飛機在中低空飛行時,空氣中的水汽大,有利於結冰;而高空的空氣乾燥,隨不具備結冰條件,但在提高安全的前提下,依然要開啟。

有知乎網友說,加溫不僅是為了防冰防霧,而是保證玻璃強度。飛機駕駛艙風擋用的不是普通玻璃,而是複合材料,低溫下會變脆,所以加熱。

美國航空週刊曾在一篇《風擋失效》的文章中提及,溫度的變化會導致玻璃彈性發生變化。 因為寒冷的窗戶很脆弱,抵抗撞擊的能力尤其鳥擊的能力較弱,而溫暖的窗戶則更能抵抗撞擊造成的損害。

另外,有20%的風擋故障來自加熱失效,加熱失效警告發出不久後,一扇窗戶開始破裂,風擋必須在短時間內承受溫差導致的熱脹冷縮,而產生的局部應力變化,此時,機組立刻採取應急處置程序。

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空客320的側窗上也的風擋溫度傳感器

在擋風玻璃內有恆溫器,以防止過度加熱,但恆溫器或溫度傳感器有可能會失效。 如果在飛行中發生這種情況,飛機的速度將被限制。 如果在地面誤操作加熱,並且沒有冷空氣降溫,可能會導致過熱,從擋風玻璃上觀察時景物出現波浪變形。

從波音777飛機開始時 ,風擋加溫是自動打開,並在最後關閉,這一改進旨在從繁瑣的“家務”勞動中解脫,消除潛在隱患更專注飛行。

曲面大屏玻璃

在波音787的4扇式風擋出現之前,客機的風擋玻璃受成本、工藝、力學結構、技術限制,都是近乎於平面的6扇窗結構。為了與787飛機外形渾然天成,風擋玻璃熱加工成曲面,符合空氣動力學。注意過787機頭的網友肯定會發現,787的風擋面積很大,而且不能打開。國產C919也是採用這種設計。

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這就是駕駛艙設計的思路差異,駕駛艙風擋設計者必須與不同的安裝要求相抗衡。在以往的飛機上,例如767、777、A330等,窗框被固定在機身結構中,機長可以在地面開窗通風,但這意味著玻璃不能承重。

為了提高結構可靠性,波音787取消了滑動側窗設計,旨在讓風擋免受破壞性負載。

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A350風擋溫度傳感器

空客A350也曾想採用4扇式風擋,但是這就需要對機頭進行重新設計,重新風動吹風,而且時間和成本上也耽誤不起,無奈只有採用老式六扇式風擋。

潮溼短路引發爆炸

2013年1月15日,一架塞斯納獎狀X公務機,從薩摩亞飛往悉尼的途中,高度45000英尺平飛,EICAS顯示左風擋加溫故障,2分鐘後左風擋外層爆裂,機組立即帶上氧氣面罩下降高度,宣佈處於緊急狀態MAYDAY MATDAY,並轉向附近的斐濟納迪國際機場,飛行員報告風擋裂縫沒有擴大,安全落地。

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澳洲交通安全委員會(ATSB)調查結果,風擋玻璃飛行時間3200小時,其頂部密封件磨損,水氣進入匯流條,並導致匯流條與加熱膜之間的電氣連接失效。 最終加熱膜開始燒壞,進而導致玻璃外部非結構面層的電弧和失效。

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破裂左前風擋

NASA曾做過測試,當一架波音747上出現一個0.3平方米的洞,坐在洞旁邊的人會被大約半噸的力向外拉扯,直到100秒後飛機內外氣壓取得平衡。

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外層風擋破裂的飛機正在降落,客機的外層風擋上會塗抹防雨劑,也稱為厭水塗層,所以不能再幹風擋上開啟雨刮器。

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防雨劑效果,左未塗,右塗抹。

關於防雨劑多說一句,防雨劑最早使用在空客飛機上,由於早期的防雨劑含有氟利昂,在1996年1月1日起開始被禁。1998年,空客找到了不錯的替代品,滿足環保和適航的要求。

防雨劑是在風擋外形成一層厭水的膜,讓雨水在表面形成水滴狀並快速滑落。

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風擋遭鳥擊保持形狀完好,看殘肢這鳥真不小,不過也有鳥擊撞穿後傷及機組的案例發生。鳥擊測試更多的是側重驗證發動機的防護能力,壓縮空氣炮在不到一秒的時間內模擬鳥群撞擊,向飛機的發動機葉片發射8只剛解凍的重量達到680克的雞。模擬了高速飛行狀態下的鳥群撞擊。

在正常情況下,駕駛艙玻璃可以承受5倍飛機最大內外壓差載荷,當一層破損後,仍然可以承受2倍最大壓差的載荷,也是非常安全的。有時我們會看到飛機玻璃破碎嚴重,但絕對比我們想象的要堅固的多。


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