民航飞机驾驶舱挡风玻璃破裂原因分析.docx

1、民航飞机驾驶舱挡风玻璃破裂原因分析民航飞机驾驶舱挡风玻璃破裂原因摘 要提起飞机技术性要求非常高的部件，很少有人会提及驾驶舱挡风玻璃的研发难度，但在现实生活中，飞机挡风玻璃却扮演着重要作用。本文首先介绍了飞机挡风玻璃与其他高科技产品的相似，且现在关键技术依然掌握在国外大公司手中。接着文中分析飞机挡风玻璃的特殊功能及重要作用，并从外层、内层、中间层及胶合层的角度具体分析了飞机挡风玻璃的结构，认为结构层和非结构层各司其职才能有效发挥挡风玻璃作用。其次文中分析了飞机挡风玻璃的受载情况，这与飞机的飞行环境，飞行安全性要求与玻璃的安装结构有很大关系，是飞机挡风玻璃设计的基础。接着文中从潮气入侵导致外层玻璃

2、破裂，对细小损伤的忽视导致破裂，复合玻璃本身缺陷导致疲劳破裂，人为原因与外来物撞击等角度分析了可能造成挡风玻璃破碎的原因。并提出一定的解决方案，其关键点还是加强结构设计与原材料的把关上。最后文中认为个人应理性看待飞机事故，并在乘坐飞机时积极做好个人防护。关键词：民航飞机 挡风玻璃 外层 内层 材料The causes of windshield rupture in cockpit of civil aviation aircraftAbstractWhen it comes to the most technically demanding parts of an airplane, few

3、 people mention the difficulty of developing a cockpit windshield, but in real life, an airplane windshield plays an important role. This paper first introduces the similarity of aircraft windshield and other high-tech products, and now the key technology is still in the hands of large foreign compa

4、nies. Then the paper analyzes the special and important function of the aircraft windshield, and analyzes the structure of the aircraft windshield from the outer layer, inner layer, middle layer and adhesive layer. Secondly, the load on the windshield of the aircraft is analyzed, which has a great r

5、elationship with the flight environment of the aircraft, the flight safety requirements and the installation structure of the glass, which is the basis of the design of the windshield of the aircraft. Then the paper analyzes the possible causes of windshield breakage from the perspectives of moistur

6、e intrusion leading to the rupture of the outer glass, the neglect of minor damage leading to the rupture, the fatigue rupture caused by the defects of the composite glass itself, the impact of human factors and foreign objects. And put forward a certain solution, the key point is to strengthen the

7、structure design and raw material control.At last, the author thinks that the individual should take a rational view of the aircraft accident, and do a good job of personal protection when taking the plane.Key words: civil aircraft windshield the outer layer the inner layer material引言2018年川航3U8633次航

8、班挡风玻璃破裂脱落使人们重新对民航飞机挡风玻璃的重要性与安全性的认识欲望逐渐加强1，这次事件使人们重新对挡风玻璃的技术含量有了新的认识。传统观念中，挡风玻璃与机翼、发动机和飞行控制等很多复杂技术相比，飞机的座舱挡风玻璃似乎并没有什么技术含量，但是它涉及到机械学、材料学、光学、化学、热力学等众多学科2，是众多学科理论叠加后的综合产物，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。技术含量与专业性非常高，不是随便的模仿就能达到标准要求的，全球飞机玻璃先进制造厂商在美英法三国，美国 PPG公司，英国GKN 公司，法国圣戈班 sully公司4，与其他高科技产品相似，我国目前

9、还没有厂家可以独立提供飞机挡风玻璃，充分体现了该领域的高科技含量。这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。在任何的飞行情况下，风挡玻璃还需要承受结构载荷与气动力冲击，因此需要具备足够的强度，这样才不至于出现破裂的现象3。因此寻找民航飞机驾驶舱挡风玻璃破裂原因，对于飞机的安全具有非常重要的保证作用。1. 民航飞机驾驶舱挡风玻璃结构特点分析1.1民航飞机挡风玻璃功能特点生活中大家都有这样的经历，在下雨时开车，这时车子的视线显得非常狭窄，雨水、雾气会明显影响驾驶员的视线，尤其是在夜间，加上路上雨水的反光作用，使驾驶员基本对前面的路况判断水平下降很多，因此汽车上有雨刷器

10、和空调除雾可以适当缓冲雨雾对驾驶员视线的影响。那么飞机呢？飞机又会在挡风玻璃上必须满足什么样的特点呢？飞机在结冰、起雾、下雨气象条件下飞行时，作为唯一与外界可以光线联系的挡风内外表面上必然会受到相应的影响，也会妨碍驾驶员的视线。因此挡风玻璃具有加温排雾系统外（下节有所介绍），同时还对挡风玻璃进行打蜡处理，这样雨水落在上面会形成大的水滴，这是利用了打蜡的极性很小，与水的极性相差大，从而不会覆盖整个挡风。另外较大的雨滴也不会一直呆在挡风玻璃上，螺旋桨的旋转滑流和迎面气流会将水滴吹走，保持挡风玻璃最大的清晰度。挡风玻璃还具有出色的排水系统，挡风刮水刷与汽车上的功能相似，使用方法也相当，其一般在起飞和

11、降落过程中使用，因为飞机速度远比汽车快，因此必须能够经受高速气动的载荷，才能发挥作用9。1.2民航飞机驾驶舱挡风玻璃概况飞机挡风玻璃位于飞机飞行员的正前方，是飞机人为控制的最重要窗口，因此基本的光学穿透性是基本要求。另外挡风玻璃是飞机整体的一部分，正所谓一桶水首先破碎的部位一定是其最脆弱的地方，因此挡风玻璃必须具有足够的结构强度和刚度,这样才能均衡飞机各个部位的抗承受能力要求4。再加上飞机挡风位于飞机的正前方，遭受撞击，与不确定环境的概率更大，更多的时候飞机挡风玻璃比机身其他部位具有更高的强度和耐久实用性。一直以来飞机挡风玻璃也作为飞机研发中的关键技术来看待。最后防冰霜，高的密封特性及抗紫外线

12、等功能的要求也更高，可以说小小的飞机挡风玻璃承载着整个飞机的稳定性与实用性。这种夹层玻璃之所以被认为是安全玻璃，中间层的变形会使玻璃层间有一个相对滑动，其在破坏后玻璃碎片仍能黏附在中间层上且能防止冲击物穿透。运输类飞机在发展早期曾采用单层无机玻璃作为挡风玻璃，这种玻璃就类似我们日常使用的普通玻璃，由于无机化合物具有高的结晶性，微观结构看各元素的排列非常紧密，致密性好，透明性好，但脆性大、抗冲击性能差，容易破碎飞溅，特别是受到应力集中时，更容易产生裂纹。后来随着化学工业的发展，各种有机复合材料得到广泛开发，为提高飞机挡风玻璃的安全性和耐久性，增加综合性能，挡风玻璃开始选用复合结构，使用有机玻璃与

13、无机比例搭配的形式进行复合，充分运用了有机化合物的弹性和韧性，无机化合物的交联作用和很好的强度，两者的有效搭配成为目前应用最普遍，技术先进且成熟的工艺产品。但在实际生产中无机化合物在有机化合物中的分散性，以及两者之间夹层的胶黏剂开发依然是科学界研究的重点课题。相关的生产技术也都掌握在少数世界级公司中，我国目前仍然处于代加工阶段，无法实现技术的独立研发生产。1.3民航飞机驾驶舱挡风玻璃结构民航飞机驾驶舱挡风玻璃现普遍采用平面形状的复合结构形式， 制造成本低，但其结构重量较重，外形设计难度高，玻璃通常是由有机玻璃、无机硅酸盐玻璃和透明中间膜等材料组合而成，由外层玻璃、粘结层、挡风中间层、密封胶、粘

14、结层和内层挡风6个具体的细节部分组成，具体结构如下图所示。而战斗机则有所不同，战斗机的一大特点是机动性与灵活性，其挡风玻璃一般是浇铸的有机玻璃，它所飞行的距离与高度不需要民航飞机那么苛刻，载重也没有民航飞机大，因此可以设置成具有曲面的外形，或更为复杂的形状，就像地面上行走的汽车前引擎盖一样，根据战斗机本身的结构与性能要求，不同的形状可以获得更好的气动性能，同时有机玻璃虽然强度没有符合玻璃大，但有机化合物的密度与致密性远低于无机玻璃，可以有效减轻挡风玻璃的重量，进而增加战斗机灵活性。对于民航飞机挡风玻璃，简单来说挡风玻璃就包括外层玻璃，中间粘结结构和内层玻璃构成，主要是3部分。以空客321机型为

15、例，从外到内分别是：外层、加温涂层、夹层、中间层及内层，其中外层玻璃是外来物冲击飞机的第一道防线，通过透明导电膜层（主要无聚酯类导电涂料），加温涂层，飞机空中飞行时外界温度会低至零下60多摄氏度，可以为挡风玻璃除霜除雾。另外加温的挡风玻璃可以有效保持一定的强度和韧性，减少材料的脆性，外层是玻璃一个坚硬耐磨的刚性表面，表面有防水涂层，提高了在雨天的透视性，一般情况下不会出现刮花现象，但外层是非结构层，不能承受外部任何载荷，只是起到保护作用，这是挡风的最外层结构。外层结构的另外一个特点就是使用表面能非常低的材料，且非常光滑致密，使雨水，灰尘等很难吸附在上面，这种结构的材料含有自然界表面能最低的无机

16、非金属元素氟，使得外层结构致密，耐水，耐酸碱的侵蚀5，如果配合合适的透光性及导电性，则能有效避免影响驾驶员视线，提升安全性。中间层和内层则称为结构层，是挡风玻璃中最坚硬的一层，可以起到支撑加固的作用。承受舱内增压后产生的增压载荷及可能所遇到的外部冲击载荷，这种结构具有很强的刚性，但韧性相对较差，一旦瞬时遭到猛烈撞击，可能会发生结晶性的破裂，即整个结构基本均匀的发生损坏。从使用安全性角度考虑，无论中间层或者内层，任何一层都具有承担两倍于飞机最大压差的能力，所以任何一层都可以足够保护飞机本身带来的压差强度，但如果受到不可控的外部撞击，则可能会破坏一层结构层，另一层依然可以在很大程度上保障飞机安全返

17、回地面。中间层是一个防失效结构，一般为乙烯基玻璃或是丙烯酸塑料材质，是保障内层玻璃发生意外而设计的一层重要结构层，内层玻璃一旦破裂，由于其本身脆性与刚性都很大的特点，很容易产生飞溅，而中间层可以有效可以防止碎片飞溅，另外为使该层承担一定的强度，中间的厚度与内层往往也很接近，是飞机挡风玻璃的主要结构，当然两者都比外层玻璃厚很多。在挡风玻璃外层与两个结构层之间的连接必须使用透明的柔性材料才能满足相关性能要求，我们知道对于一个钢结构，浇筑一体的强度与韧性，一般比焊接的强度与韧性好很多，且安全隐患少。而民航飞机挡风玻璃为满足不同的使用要求，（单一材料无法满足各个性能的平衡），只能采用复合结构，多种结构

18、之间的粘结剂就必须能够起到热补偿和抗撞击的缓冲作用，当然提供牢固的连接是基本要求。从而最大化的使各层之间更像一个整体发挥作用，而不是各自独立6。粘结层本身的透明度与耐恶劣环境的性能也必须满足。胶黏剂产业也是国际社会的热门产业，是我国重点发展的高新技术产业之一，技术含量与玻璃结构的研发相当，是国家特种材料的研发范畴。密封材料主要用于胶合层密封防护，满足对密封作用，同时能够消除一定的接触应力，比如飞机飞行时不可避免的多次循环的高低温工作环境切换，带来材料的热胀冷缩效应，胶黏剂可以在一定程度上消除或抵消这种影响。图1-1 飞机风挡玻璃基本结构2. 民航飞机驾驶舱挡风玻璃受载分析2. 1民航飞机挡风玻

19、璃受载情况分析飞机在飞行时如果不考虑任何意外情况的发生，它必须面对的是在不同飞行速度下的气流变化，挡风玻璃作为飞机飞行时的最主要接触者，其承担最多的气流压力。根据相关研究可知，随着飞机飞行速度的不同，挡风玻璃所承受的压力必然会发生变化，其中随着飞机飞行速度的增加，挡风玻璃所接触的最大压强显著增加，而最小压强则有下降的趋势，也就是说飞机挡风的中间部位可能承受的压力逐渐增大，边缘部位承载的压强逐渐变小，使整块玻璃各个部位的压力明显存在不同。这就表明在风载的作用下，挡风玻璃可能由于受力不均而发生一定程度的变形，这种变形由于材料的刚性无法通过肉眼观察处理，但挡风部件表面极易出现应力集中的现象是不争的事

20、实7。另外飞机飞行是一个复杂的与环境交替过程，在不同的飞行阶段，在排除飞行速度影响的情况下，飞机挡风玻璃也会面临来自各个方向的风力影响，使挡风玻璃各个部位承受了不同的压力，比如降落与平稳飞行就明显存在差异。最后再加上不确定外来物的撞击，使得飞机挡风玻璃的受载情况非常复杂，不仅具有基本的强度与刚性要求，还必须能够承受各个部位之间由于不同应力作用而产生的形变。因此。在设计中挡风玻璃是应对玻璃挡风时的受载情况进行大量研究与推算，从而最大程度保证飞机飞行时的安全性。另外民航飞机挡风玻璃受载与飞机使用要求有关，飞机的飞行高度都在云层之上，一般都超过6千米，当飞机离开地面飞行高度不断增加时，飞机舱内气和温

21、度也将随之降低，而压力差所带来的力量是非常大的，比如我们生活中常见的高压锅，水蒸气的压力可以达到很大。当飞行高度超过3千米时，就会因舱内气压和温度的因素影响人员正常工作，使人明显感觉到不适。这就是我国青藏高原空气稀薄所带来的高原反应现象，高空飞行的飞机为了使舱内人员能正常工作，必须采取一定的手段来改善飞机舱内环境，使之适合人类在地球上的生活环境，这时候必然产生飞机内外的增压载荷。当然飞机的各个外部都需要承受相似的压力，但机身更多的采用金属材质，与挡风玻璃的透明性要求有很大不同。随着飞机飞行高度逐渐达到平稳，且飞行速度基本不变，此时挡风玻璃所承受的增压载荷基本恒定，成为飞机飞行过程中挡风玻璃所承

22、受的最基本压力状况。这种压力差的存在使得挡风玻璃必须常年经受一定的载荷，因此它的持久稳定性显得非常关键。2.2民航飞机挡风玻璃受载与飞行安全性挡风玻璃是飞机的窗口，位于飞机飞行方向的正前方，在飞行过程中有遇到飞鸟撞击或外物撞击的可能性，它伴随着飞机的诞生而产生，这会对挡风玻璃造成极大的破坏，严重吋会造成飞机的坠毁，是飞机飞行时无法忽视的威胁之一，这种不确定性必须加以防范才能有效提高飞行的安全性。在国内由于鸟撞原因造成的飞行事故具有非常高的比例，名列各类飞行事故之首，并造成了多起飞机挡风玻璃，机体结构等部位损伤和破坏，威胁到飞机的安全飞行，鸟撞也会给航空公司运行的经济成本带来了巨大的压力，鸟撞事

23、故已被国际航空联合会定位为A类空难7。其中飞机发动机部位是最容易发生鸟撞的位置，其次是位于正前方的挡风玻璃，由于挡风玻璃关键的作用和位置，挡风玻璃一旦出现意外，结构必然会发生一定的结构损伤，飞行员的视野将会被遮挡，严重影响飞行员对于飞机的操控。研究认为，飞机挡风玻璃能够承受1.8公斤物品撞击时的安全速度在160m/s附近，此时不允许发生影响飞机飞行的结构性损伤，这也是运输类飞机适航标准的一般性规定，一旦超过180m/s则挡风将会产生严重破坏。这与飞机常规的飞行速度有明显差异，表明在飞机正常速度行驶时如果受到撞击，鸟体会展现出弹塑性、甚至流体特性，挡风玻璃的承载能力将受到极大挑战。挡风玻璃的抗鸟

24、撞要求与飞机的飞行速度有很大关系，鸟撞过程属于复杂的非线性动力学问题，鸟撞过程会涉及到大变形动力学相关理论知识，又属于撞击动力学问题，挡风玻璃的结构形式、材料选用等因素是设计的关键，不同的鸟体形状必然会对鸟撞产生不同的结果，因此必须通过相关验证才可投入使用挡风玻璃。2.3民航飞机挡风玻璃受载与挡风玻璃装配对于机械制造来说，结构决定性能，飞机挡风玻璃的装配形式差异在一定程度上会影响其受力性能10。压板连接、非承载螺接及承载螺接式连接方式是目前民航飞机挡风玻璃的主要装配方式。其中前两种连接方式仅承受气密性相关载荷，相对比较简单，不承担结构传力作用，但对挡风周围窗框的强度和刚度有较高的要求，他们将会

25、承担更多的强度要求，这就显得比较笨重，类似一个大框框中安装一个轻巧的透明物体，且会减小驾驶员视线，稳定性不好，运动轨迹还会占用驾驶舱不小的空间。承载螺接式连接方式参与座舱结构传力，挡风必须是曲面挡风玻璃，目前常用的中小型飞机都采用只承载气密性应力的连接方式，挡风玻璃对其周围的窗框结构起着加强作用，挡风玻璃面积大的可以采用承接式连接方式，主要应用在支线客机和公务机上。3. 民航飞机驾驶舱挡风玻璃破裂原因分析3.1潮气入侵导致外层玻璃破裂由前文相关介绍可知，飞机飞行过程中必然受到受增压载荷作用，而外层作为挡风玻璃的功能层，并非结构层，主要承受拉伸载荷，增压变形大，但自身为保障硬度，柔韧性欠缺，其破

26、裂后会形成网格状，其中挡风破裂的突出诱因是潮气入侵。外层玻璃与飞机其他任何部位的连接基本都是通过有机胶黏剂实现，其对室外恶劣环境的抵抗能力有限，尤其是抗紫外线能力，裂纹、脱胶、风蚀等的隆起封严失效现象经常存在，这是一个逐渐发展的过程，使潮气可以入侵到玻璃夹层，与其中的电加热设备相互作用，最终导致玻璃破裂。而在民航飞机的实际使用中，航空公司并未把将挡风的定期的检查方法与要求作为基本维护任务，导致航空公司没有主动检查挡风的意识和措施，当封严出现破损时机务人员很难在第一时间发现问题，机组飞行中听到封严击打挡风的噪声才有可能得到潮气入侵导致挡风随时可能损坏的风险。挡风运营环境多样化，运营中的拆换原因也

27、多种多样，进一步增加了挡风玻璃受潮气入侵的可能性。3.2对细小损伤的忽视导致破裂 飞机挡风玻璃在实际使用过程中都会有增压变形现象，虽然挡风外层是坚硬的保护层，但长期收到雨刮器或者灰尘等物品的磨损，再加上偶尔的小范围撞击影响，出现的裂纹、划痕等损伤非常细小，不易察觉，但早期出现的损伤不能被及时处理修复，非常容易引发更大的安全事故。根据飞机维修手册规定，在飞机挡风玻璃出现肉眼无法看见的裂纹是可以接受的，且不影响正常使用，所以航空公司检测方法与排除障碍的能力相对有限。但如果在特殊情况下裂纹超出规定程度，就存在挡风玻璃破损脱落的可能。另外，有飞机挡风玻璃的复合结构可知，外层玻璃里面是有一层加热导电层的

28、，由于飞行过程中，高空机舱的温度极低，此时有机玻璃的性能会变的很脆，不能维持应有的强度。就像我们生活中使用的橡胶轮胎，在合理的温度下，其具有明显的弹性，起到缓冲作用，但事实上在东北等极寒的情况下，轮胎硬度会明显加强，弹性会损失很多，如果温度更低，橡胶轮胎就有可能变的完全没有弹性，像玻璃一样脆，此时橡胶就上去了使用性能。因此高空飞行时，挡风玻璃只有在合适的温度范围内才能维持最佳性能，并保证使用的持久性，因此要靠前挡风玻璃加温从而维持强度。但是道理虽然简单，实施起来却有明显的技术性难度，这层透明导电膜在加温过程中如果出现短路，或失去加热功能，会间接影响玻璃的使用性能，从而导致玻璃强度变化，造成细小

29、的缺陷，甚至产生破裂。3.3复合玻璃本身缺陷导致疲劳破裂飞机挡风玻璃在装机前都会进行镀膜处理，以满足对挡风玻璃除强度以外的其他需求，但会降低玻璃的强度，弹性模量在低温情况下也会略低一些，这就使得复合玻璃在保障耐磨，防霜等基本功能的前提下，牺牲一定的强度和耐久性。另外玻璃内表面的胶接区域往往是挡风玻璃最弱的区域，因为其处于连接点位置，会承载各层玻璃的应力及位移等不确定影响，从而容易产生一定的疲劳度，进而使胶黏剂带有一定的被腐蚀特性，产生一定的裂纹并快速向其他区域扩展。从某些玻璃的断面裂纹可以判断是由于腐蚀造成了玻璃的粘接区的力学性能下降。最后装机有机玻璃表面因材料本身的不规整性，存在固有缺陷，且

30、缺陷无法判断，在出厂和服役期间极易使有机玻璃产生应力银纹和溶剂银纹，即这是由于材料本身由于结晶不完整，或制造工艺的轻微波动导致的，在飞行载荷和温差载荷等循环作用下，玻璃强度容易产生疲劳，进而产生疲劳裂纹，也就是说这是材料本身的耐久性缺陷带来的，是飞机挡风玻璃在反复使用过程中导致的缺陷。这就是玻璃材质存在问题， 是综合考虑各种因素之后需要平衡的一个因素。3.4人为原因与外来物撞击玻璃、螺钉、装配时如果没有做到百分之百匹配，则会存在预应力，遭遇高空内外十倍的压差，且具有来回颠簸震动，很容易造成松动，从而使挡风玻璃产生意外。安装挡风玻璃时，也需要按照规章操作，不能有任何投机取巧的心里，如使用的螺丝不

31、合格，安装操作不规范导致安装时用力过猛，人为增加挡风玻璃连接处的应力，且这种应力是长期性的，容易产生裂纹，带来一系列隐形作用，造成一定的隐患。历史上的上世纪90年代，英国航空5390航班曾经发生过驾驶舱左侧挡风玻璃突然脱落的情况，这次挡风玻璃脱落破裂前没有任何征兆，在全机组人员无任何准备的情况下，机长蒂姆受气流冲击，上半身瞬间被高空中的低气压吸出驾驶室，只靠安全带维持着与飞机的联系，情景非常惊险，最后在机组人员的积极努力下，飞机最终平稳降落于跑道，给世人带来警醒，这也是英国民航史上最惊险的一次迫降。挡风玻璃直接脱落，这种事情即使发生在陆地上跑着的汽车身上也是非常惊险的，更别提高空中飞行的飞机了

32、。据事后调查，该客机曾在出事前27小时时对挡风玻璃进行了维修更换，但维修人员应该是由于个人操作不规范，弄丢了原装螺丝钉，导致其并没有使用标准的螺丝钉，而是随意找了一个更细的螺丝进行替换，严重违背了飞机安装手册的规定，使其在随后的飞行中由于挡风玻璃受到反复的外力冲击，使螺丝钉不能发挥加固的作用，最终逐渐松动，造成挡风玻璃在飞行途中脱落。另外挡风玻璃遭遇外来物撞击是挡风玻璃出现故障的最直接因素，也是最难预防的。飞机进入云层后，环境变化较大，且不好预测，如果遭到冰雹等打击，给挡风玻璃带来非常大的冲击，可能会出现外挡风玻璃破碎的情况，总之只要挡风玻璃遭到撞击，这个撞击力一定会很大。但在万米高空中，地球生物生存的可能性很小，具有其他物质的可能性也很小，一般来说是相对安全的，此时飞机遭受外来物撞击的可能性很小。4. 民航飞机驾驶舱挡风玻璃防止破裂策略近期电影中国机长的上映为川航3u8633紧急备降事件以更加生动的形式反映在世人面前，事发当时，飞机驾驶舱人员听到“嘭”的一声闷响，随即玻璃上分出现很小的裂纹，机长下意识的用手摸一摸裂纹位置，当他伸手检查右侧挡风时，有割手的感觉，随即可以判断挡风玻璃的内层结构破裂，这是非常罕见的飞机挡风事故。在这一瞬间时间里，没有人来得及思考，挡风玻璃立即像被重物击碎了一样瞬间全部炸裂，此时机长刘传健的耳朵完全失聪，只有肢体还有冷冰冰被空