作者:沈海军 来源:中国科学报 发布时间:2018-5-25
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飞机的风挡玻璃为何突然破裂

 

■沈海军

“川航机长世界级备降”已广为流传。事情的过程大致如下:5月14日,四川航空公司3U8633航班执行重庆—拉萨航班任务中,驾驶舱风挡玻璃突然破裂,驾驶舱失压、气温迅速降到零下40多摄氏度、仪器多数失灵、副驾驶半个身子被吸出窗外……机长刘传健在方向导航只能全靠经验、返航机场的位置都要用眼睛来看的情况下,紧急成功备降,挽救了全机人员。

驾驶舱风挡玻璃为什么会突然破裂呢?尽管目前原因还在调查,但作为一个航空从业者,笔者将对该事件作一个初步的分析。

首先,要了解玻璃突然破裂的原因,必须要知道风挡窗户的结构。本次川航空公司3U8633航班为A319飞机,即A320飞机的缩短版,因此我们以A320飞机风挡窗户为例进行说明。

A320飞机风挡窗户为驾驶舱最正前方的两块。该窗户的风挡由SGS公司提供。风挡玻璃共三层,最外层为热钢化玻璃,中层和内层为化学强化玻璃;各层玻璃之间通过聚胺酯层和PVB层粘接在一起,旨在增加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—加热膜用于除冰,而在内层的玻璃之间有除雾层。在窗框上还有防水的封胶,这层防水保护对风挡玻璃很重要。

从结构上来说,外层玻璃为非结构层, 中层和内层玻璃为承力结构层。风挡的设计是可以承受5倍的正常最大内外压差(约3个标准大气压),在中层或内层中的一块破裂后还可以承受两倍的正常最大内外压差(约1.3个标准大气压),采用的是破损安全设计。另外,风挡还应该可以承受1.8公斤的鸟在最大飞行速度(约0.8倍音速)下的撞击。

接下来的问题是,万米高空风挡玻璃承受的压力有多大?

一万米高空,飞机舱内压强(充压)约0.8标准大气压,舱外空气0.2标准大气压,内外压差(余压)约0.6(=0.8-0.2)大气压,即约60kpa。

一万米高空空气密度约为海平面空气三分之一(约1.29/3kg/m3),以飞机800公里时速(800/3.6m/s)计算,飞行速压约为10kpa。

显然风挡舱内压力大,舱外风吹的压力小,前者约为后者的6倍。风挡前后承受向外约0.5个标准大气压(即60-10=50kpa)。50kpa是什么概念呢?即每个风挡玻璃上大致承担约1.3吨(20个人)的重量。

参考空客挡风玻璃的承压:约3个标准大气压,川航风挡玻璃当时所承受的压力再增加5倍,理论上讲也不应该发生失效问题。

再讨论一下风挡玻璃破坏的可能原因。

一是外来物(譬如鸟撞、冰雹、雷击等)撞击等。

二是窗框及安装紧固件问题。安装风挡玻璃时,可能窗框上紧固螺丝不合格,或不规范操作,譬如安装了不同型号的螺丝,或者野蛮装配,用力过猛,使得窗框、螺丝产生初始缺陷,造成隐患。飞机长期飞行,初始缺陷部位疲劳损伤累积,最终突然开裂,导致玻璃松动、破碎。

三是玻璃质量问题。即风挡玻璃材质本身不合格或者存在质量缺陷。该飞机2011年出厂,已经飞行了7年,飞行1万多个起落,且风挡玻璃未做更换,在疲劳载荷作用下,玻璃缺陷部位损伤不断累积,最终突然破碎。

四是加热系统故障。为了除冰防冰防雾,飞机风挡玻璃中常会加装透明电加热膜。如果加热系统出现故障,有可能出现局部过热或电弧损伤,进而导致风挡玻璃破碎。

至于说驾驶舱风挡玻璃为什么会出现突然破裂的问题,根据川航空公司3U8633航班的具体情况,一万米高空,外来物(譬如鸟撞、冰雹、雷击等)撞击破坏的可能性基本排除。因为万米高空不存在鸟类,或冰雹、雷雨等气象。后三种原因都有可能,而窗框安装、玻璃质量问题的可能性更大。不过,最终原因还有待官方给出的调查结论。

(http://blog.sciencenet.cn/u/沈海军)

《中国科学报》 (2018-05-25 第2版 博客)
 
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