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航空小常识

“非一般”的 飞机风挡玻璃

时间:2018年04月08日 13:52   来源:大飞机报
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  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。

 

  多功能的风挡玻璃

  风挡结构形式比较复杂,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。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,其结构符合性验证方法不同于金属结构件。

  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。

  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,必须具备足够的强度,尤其当1.8公斤重的鸟与它发生撞击时,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,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。而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。

 

  科技与美的博弈

  结构与功能的要求对材料和工艺来说往往是矛盾的,飞机风挡玻璃设计制造的历史,其实也是一部科技与美学的博弈史。

  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,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,因此非承载式风挡的窗框比较笨重。

  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,座舱盖区域传力路径连续,风挡对其周围的窗框结构起着加强作用,可以有效减轻周围窗框重量。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。

  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。

 

  减阻省油的流线型设计

  早期飞机的主风挡还使用平面玻璃。平面风挡的优点是玻璃光学性能好、折射和视觉变形影响小、制造成本低、安装拆卸方便等。但其结构重量较重,气动阻力大,只有做到机头曲面与风挡平面之间平滑的过渡,才能得到较好的气动特性。

  曲面风挡又分单曲风挡和双曲风挡两种。单曲风挡具有较好的流线性,对飞行员的视觉影响也较小,气动特性较平板风挡大为改观,但主风挡与周围曲面的连接设计较难。双曲风挡与其余曲面一体形成,不存在拐折或者其它问题,具有很好的流线性、保凸性,曲面质量高,外形比较美观,具有很好的气动特性,但是制造工艺复杂。

  近年来,航空企业对飞机减阻和经济性有日益增长的需求。因此,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。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。(张建军)

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