川航迫降事件发生后，飞机座舱风挡玻璃在9000多米高空脱落成为关注焦点。是质量问题还是外力所致？如何避免此类事件再次发生？（更多精彩请看“川航客机迫降事件专题”，访问：http://t.cn/R3pHUlL）
采访专家：
曹春晓（中国科学院院士、航空材料专家）
王亚男（《航空知识》杂志主编、航空专家）
官卫东（中国航空工业原特种飞行器研究所市场部副部长）
5月14日早上，川航空客A319飞机执飞重庆-拉萨航班任务，在飞经成都空管区域巡航时，该飞机驾驶舱右座前风挡玻璃突然破裂并脱落，造成飞机客舱失压，旅客氧气面罩掉落。在机长刘传健老练沉着的操作下，航班成功降落在成都双流机场，避免了一场空难。
在机组接受了来自各方鲜花和掌声之后，一个问题不能不被提出来，航班的驾驶舱右座前风挡玻璃究竟为何破碎？风挡玻璃中藏着哪些秘密？它的风险在哪里？
与机翼、发动机和飞行控制等很多复杂技术相比，飞机的座舱风挡玻璃似乎并没有什么技术含量。但事实上，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，还担负着保证结构完整安全和提供清晰视界的功能。它相当于飞机的“眼睛”，直接关系到飞行员和整个飞机的安全，能实实在在地体现飞机研发的技术实力。
▲川航空客A319飞机驾驶舱右座前风挡玻璃突然破裂并脱落（图片来自网络）
♢♢♢
风挡玻璃究竟为何破碎？
川航空客A319飞机究竟为何破碎脱落，直到现在依旧还是个迷。这并不是普通的玻璃，请看下面的A319飞机风挡玻璃结构示意图：
空客飞机手册的信息显示，本次事故的A319飞机的前风挡玻璃有6层，从外到内分别是：外层①、加温涂层④、夹层⑤、中间层②、夹层⑤、内层③。
其中，外层为热钢化玻璃，外层接着的加温涂层是透明的导电覆盖膜-加热膜，主要是用于除冰。飞机在空中飞行时一直要接受低温的挑战，其外界温度最低会低至零下60多度，加温涂层的除冰功能可以让风挡玻璃保持一定的强度和韧性。中间层和内层称为结构层，无论中间层或者内层，根据设计要求任何一层都具有承担两倍于飞机最大内外压差（（约1.3个标准大气压）的能力，所以只要有中间或者内层任何一层玻璃在，飞机都是安全的。
另外信息显示，空客A319飞机的前风挡玻璃的设计是可以承受5倍的正常最大内外压差（约3个标准大气压），具有足够的坚固性。
不可思议的是，这样强悍的风挡玻璃居然破碎脱落了。
近日，一些专业人士对川航3U8633航班所用空客A319的风挡玻璃破碎脱落提出了种种看法。由于事故发生时，飞机已经处于9000多米的巡航的阶段，这对飞鸟而言，已经处于生命的禁区，因此飞鸟撞击说难以成立。事实上，飞鸟撞击风挡玻璃都是处于飞机起飞以及飞机的降落阶段。
也有人怀疑风挡玻璃可能是在维修过程中出了问题。这种怀疑并不是没有依据。1990年6月10日，由英国伯明翰前往西班牙马洛卡的英国航空5390号班机在飞行过程中，驾驶室中的一块风挡玻璃突然飞脱，并将机长吸出机外。而后在副驾驶及其他机组成员的冷静处理下，客机安全降落于南安普敦，正机长也奇迹般生还，并在5个月后重返工作岗位。
▲1990年6月10日，由英国伯明翰前往西班牙马洛卡的英国航空5390号班机在飞行过程中，驾驶室中的一块风挡玻璃突然飞脱，并将机长吸出机外。（图片来自网络）
军事评论员、航空科普作家田晨在接受媒体采访时表示，英国航空5390号航班事故最后被认定为维护人员人为失误所致，由于维护人员未严格按照维护手册、流程进行，在安装风挡玻璃时，有80多颗螺丝钉使用了更小、更细的型号，导致玻璃无法得到有效固定。这样飞行时机舱内部压力大于外部，随着高度上升，压力差会越来越大，事件久了，就容易出现问题。5390号航班事故是飞机在达到某个高度后，风挡玻璃无法得到螺丝钉的有效固定，最终被吸了出去。
此次事故发生后，世界民航界进一步完善了飞机维修制度，而驾驶舱风挡玻璃的固定螺栓也进行了改进，以保证此类事故不再发生。
但是中国民航局安全总监兼航空安全办公室主任唐伟斌5月15日在新闻发布会上表示，该机脱落的右侧风挡玻璃为该机原装件，投入运营至事发前，未有任何故障记录，也未有过任何维修和更换工作。如果唐伟斌的信息来源可靠，这意味着这次出事风挡玻璃在以前维修保养时留下隐患的猜测被予以排除。
尤为值得注意的是，当年英国航空5390号班机是一整块风挡玻璃飞出，而此次是风挡玻璃爆裂解体脱离，其超过了其设计内允许的可以碎裂但需保持完整的要求。
《航空知识》杂志主编、航空专家王亚男在接受北京科技报｜科学加客户端记者采访时表示，川航3U8633航班在飞行途中驾驶舱右座前风挡玻璃破碎以前也有过类似的例子，但这次的爆碎原因还需要调查，从目前的信息来看，该风挡玻璃自身的质量与安装问题是最为重要的怀疑对象，其可能在四个方面出现问题：
第一是该风挡玻璃生产制造时留下隐患，如果制造不合格，就有可能出现提前老化的情况。
第二是这块玻璃以前已经出现细小的裂纹或者损伤但是没有发现。
第三是该风挡玻璃的安装部位以及其连接件和机体之间的紧固是不是有问题，比如说是否有一些微小的异物在这个风挡和这个连接件之间，对玻璃构成了不良的影响。
第四是该风挡玻璃的电加热防冰装置是不是存在问题，因为其装置不合适，对风挡玻璃的可靠性和使用寿命都有影响。
不过，中国航空工业原特种飞行器研究所市场部副部长官卫东认为还存在另外一种可能，就是该风挡玻璃之前在低空遭受过撞击，留下了安全隐患，在飞到高空后压力的变化导致了破碎脱落。他个人认为，飞机因老化出现破损的可能性很小。
“当前知道的信息很少，难以准确下结论，寻找原因恐怕还得进行一些相关的模拟实验，否则恐怕难有说服力。”官卫东对北京科技报｜科学加客户端记者表示。
记者了解到，在出现川航3U8633航班险情以后，中国民用航空局及其他相关机构已经展开调查。目前空中客车已经指派专门的技术团队，为法国民航安全调查分析局(BEA)和负责此次事件调查的中国民用航空局提供相应技术支持。但是最终调查结论的出炉，还有待时日。
据悉，为了安全起见，5月15日民航局已经下发通知，对同批次飞机风挡进行专项检查。
♢♢♢
要能抵抗1.8公斤重鸟的撞击
这不就是厚一些的玻璃嘛！与机翼、发动机和飞行控制等很多复杂技术相比，很多人想当然地认为飞机的座舱风挡似乎并没有什么技术含量。
王亚男表示，风挡玻璃是飞机上极为重要的功能部件，它的制造几乎涵盖了玻璃原片和深加工的所有高精尖技术。
作为机身的一部分，机头位置的风挡玻璃不仅要保持机头流线型外形，还担负着保证结构完整安全和提供清晰视界的功能，它相当于飞机的“眼睛”，直接关系到飞行员和整个飞机的安全。
▲飞鸟一直是威胁飞机风挡玻璃的因素。图为一只撞到飞机党费玻璃的飞鸟（图片来自网络）
在航空工业的发展过程中，经过不断的升级改造，现在的风挡结构形式已经形成比较复杂的一个系统，它是由透明件、夹层、玻璃纤维、紧固件、金属压板、加热系统、密封材料等组成的组合件。
这种组合件对质量有着极高的要求，因为不同透明件材料、制造工艺、环境湿热等都对风挡强度有着明显的影响。另外由于长期承受光照、冰雹和气动加热等影响，风挡玻璃必须要为飞行员提供良好的光学性能，还要具备除冰除雾、泄静电、防雨水等多种功能。
王亚男表示，更为关键的是，风挡玻璃在各种飞行状态下承受着气动载荷、增压载荷、结构载荷和气动力冲击，在高速飞行中必须要经受住鸟类的撞击，因此必须具备足够的强度。
“因此风挡玻璃设计在试航选定的过程中必须要承受高压冲击炮的检验，只有能够经受住高压轰击，其才能达到适航的要求。”王亚男说。
▲实拍飞鸟击碎飞机风挡玻璃砸到飞行员（打开视频：http://t.cn/R3pHCj0）
记者从中国商飞官网上查到的资料是，根据要求，当1.8公斤重的鸟与风挡玻璃发生撞击时，不能造成驾驶舱失压，同时穿透风挡的鸟碎块、鸟撞造成的风挡碎片不能伤及飞行员，因此根据规定它的内层必须采用非碎裂性材料。
由于玻璃起雾比干玻璃的能见度降低很多，特别是雨天和风挡玻璃结冰时影响更大，所以机头的风挡玻璃必须能通过电加热、雨刷等措施保证在特殊气象条件下飞行员也能有足够的视界。
但是，密封可保护胶合层和电加热元件免受环境湿气的侵蚀，对风挡玻璃的可靠性和使用寿命有决定性的影响，因此风挡玻璃必须具有良好的连接密封性。王亚男告诉记者，如果风挡玻璃连接密封性不好，在制造时存在瑕疵就会留下隐患。
据了解，现在的民用飞机风挡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。非承载式风挡从设计上来说相对简单，因为风挡仅承受自身的气密载荷，而不参与机身载荷的传递，可以分别对风挡和机体结构进行分析和符合性验证。
也正由于非承载式风挡不能传递机身载荷，造成了原有连续结构传力路径的中断，必须加强周围窗框的强度来承受重新分布引起的载荷，以及风挡所在座舱盖区域的抗鸟撞要求，所以对风挡周围窗框的强度和刚度有较高的要求，这是我们经常乘坐飞机时看到身旁非承载式风挡的窗框比较笨重的重要原因。
与非承载式相比，承载式风挡以膜张力的形式参与机身载荷的传递，座舱盖区域的传力路径具有连续性，由于风挡对其周围的窗框结构起着加强作用，就可以有效减轻周围窗框重量，现在的一些飞机设计也利用了承载式风挡玻璃的这种特性。
以波音787客机为例，其承载式风挡结构比波音777的非承载式风挡减重近300千克，该重量相当于可多搭载3名乘客或延长18海里的航程。
因此在采用了承载式风挡玻璃的座舱位置，尽管周围窗框刚度较弱，但对设计要求很高。风挡与窗框刚度匹配、风挡与窗框之间的连接都需要经过精细设计，风挡与窗框之间存在内力耦合。同时，飞机在飞行过程中将面临几十度的温差，组成风挡的不同材料间热膨胀系数不同，将产生热胀冷缩导致的内应力，这些因素耦合在一起，对承载式风挡与窗框的分析与验证提出了更高的要求。
在川航3U8633航班出现风挡玻璃破碎脱落以后，一些人怀疑，可能是空客该飞机的风挡玻璃在设计方面存在一些问题。但是王亚男认为这种可能性很小，因为空中客车的A320和A319这种飞机，它在上个世纪70年代的时候就已经有了这样的风挡设计，这种设计也经过了及其严格的高压冲击炮检验，所以最有可能是的还是川航3U8633航班所用承载式风挡玻璃的质量存在问题，也就是说这一件飞机上这一件产品的制造和安装是否有缺陷。
♢♢♢
风挡玻璃破碎，不容忽视的威胁
在飞机的飞行中，承载式风挡玻璃破碎，已经成为不容忽视的威胁，就在3U8633航班出现风挡玻璃破碎脱落之前的美国当地时间5月6日下午，美国捷蓝航空的一架原定飞往美国佛罗里达州坦帕市的客机，因风挡玻璃出现受损破碎的情况，飞机被迫改道飞往劳德代尔堡国际机场并安全降落，乘客们随后也登上了另一架飞机。
而记者了解到，此前我国也出现过多起风挡玻璃受损的案例。
2015年11月21日，南方航空一架A321飞机在沈阳桃仙机场起飞后，机组发现前风挡玻璃破损，随后安全备降青岛。
▲2015年11月21日，南方航空从沈阳飞往杭州的CZ6483航班起飞后发现左前风挡玻璃有裂纹，临时备降青岛机场。（图片来自网络）
2016年7月9日，南航一架飞机由广州飞往成都，这架机型为空客A320的飞机落地后，经机务工作人员航后检查，飞机前部雷达整流罩和驾驶舱1号2号风挡玻璃及部分机体结构出现损伤。该事件被推测为飞行过程中遭遇到冰雹的冲击。
另外在10年之前的2004年10月12日，由昆明飞往上海的一架波音737，在飞到贵州边境上空时驾舱玻璃突然破裂，飞机出现颠簸。所幸后来飞机成功迫降。
不过王亚男告诉记者，飞机的承载式风挡玻璃在设计时，已经充分考虑到了来自外界的比如飞鸟、冰雹等物的各种冲击，不过一般都以其受损后不破裂脱落作为原则，这样就是玻璃受损，飞行员也能够安全地采取措施。而此次川航备降中整个玻璃破裂掉落，则是十分罕见的情况。
王亚男表示，飞机风挡玻璃占整机比重虽然很小，但却是重要关键部件之一，承载式风挡玻璃更是如此，受冲击破裂脱落是绝对不允许的严重事故。
据了解，目前全球大飞机制造商主要是波音和空客，而能够为大飞机配套提供风挡玻璃的，主要有美国PPG、法国圣戈班Sully、英国GKN等。最近一些年，我国在这个领域发展也很快，我国自行研制的大型飞机已安装上我国自己制造的风挡玻璃，使我国成为继美、英、法、俄等少数几个能自行研制飞机玻璃的国家之一。
▲飞机风挡玻璃的安全直接威胁飞行员和客机的安全。图为在一次航空事故中，飞机两侧风挡玻璃都已经破碎（图片来自网络）
中国科学院院士、航空材料专家曹春晓告诉北京科技报｜科学加客户端记者，以前不管是客机还是军用飞机，风挡玻璃都是用无机（硅酸盐）玻璃多层粘合而成，这种无机玻璃的优点是耐磨、耐温，抗鸟冲击的性能也很好，但比重是有机玻璃的2倍。另外，这种玻璃结构易碎，划伤也不宜修复。
曹春晓说，近些年随着技术的发展，国外一些先进的客机比如波音747新型、波音777已经采用了新的结构，其外表是一层薄薄的高强度无机玻璃，内部是多层定向有机玻璃，其结构强度、抗鸟撞能力、透光率和视野都很理想，而且结构重量和以前单纯的无机玻璃相比要节省1/3左右。
近年来，航空公司对飞机减阻和经济性又有了日益增长的需求。在这一背景下，减少风挡数量，降低机头阻力，减轻机头重量，显得越发迫切。因此，越来越多的飞机风挡玻璃开始采用曲面外形，用以获得更流线的外形和更好的气动特性。
比如我国C919飞机驾驶舱采用4块曲面承重风挡的宽视窗设计，感觉就是一个全景天窗，为机组提供了非常宽广的视野，提升了飞机结构的承载效率，降低了整机重量，流线型的设计使得飞行阻力更小更加省油。但是这种设计也对风挡玻璃的安全性提出了更大的挑战。
▲C919机头首次采用承载式风挡为飞机“减负”。（图片来自网络）
有业界人士表示，近些年来发生的一些风挡玻璃破碎事件尤其是川航3U8633航班所用的空客A319的风挡玻璃破碎脱落，更是让其安全性和可靠性成为不可忽视的问题。
尽管空客A319使用的并不是国产风挡玻璃，但目前我国大型飞机风挡玻璃技术刚刚起步，在许多关键技术上与国外还有一定差距，需要在技术、工艺、装备上不断突破，安全性问题应该是其关注的重中之重。
此次川航事件也给我国航空安全敲响了警钟，当前相关部门及我国飞机制造公司必须要引起足够的重视。
官卫东说，因为现在我国也在制造风挡玻璃，空客A319的风挡玻璃破碎脱落提醒我国风挡玻璃的生产也必须严格进行多种实验，模拟各种恶劣环境极及有关冲击。现在已经生产的风挡玻璃，有关实验以前做得不充分的，也需要补充进行，航空安全无小事，只有通过真实的模拟，才能发现其中存在的缺陷和问题。
“尽管这次事故不是发生的国产风挡玻璃身上，但是国产风挡玻璃起步晚，只有认真研究这些问题，我们才能进步，为航空提供充分的安全保障。”官卫东说。
出品：科普中央厨房
监制：北京科技报 | 科学加客户端
欢迎朋友圈转发
请发邮件至[email protected]
阅读更多权威有用的科普文章、了解更多精彩科技活动，请下载“科学加”客户端。苹果用户可以在App store搜索“科学加”下载安装，安卓用户可以在应用宝、３６０手机助手、豌豆荚、华为、小米等应用市场搜索“科学加”下载安装。
閱讀更多 科學加 的文章
