43度恒温超级涂层 飞机风挡玻璃有多娇气？

　　图：现代客机驾驶舱风挡玻璃

　　想象一下飞机的风挡的工作环境，从夏季高温50-60度的机场起飞，20分钟后到达零下40度的万米高空，享受着时速900公里的自然风和机舱内外的压力差。接受温度、高度、速度的三重考验。

　　三层防护

　　飞机的风挡玻璃起初就是为飞行员遮风避雨的，因为更早期的飞机压根就没有风挡，飞行员只有一副风镜。

　　后来在飞行员和乘客鼓励下，制造商生产带篷子的飞机，这下就舒服了。不过那时候的飞机没有增压技术飞不高，所以风挡有点像今天的私家车风挡，能加温但复杂程度不如今天的飞机。

　　飞机风挡进化史大约是这个样子：上世纪20年代用的是平板退火玻璃→30年代曲胶层纤维素复合玻璃→40年代用热淬火胶层聚乙烯醇玻璃→50年代以后是有机玻璃或钢化玻璃的多层复合结构风挡。

　　我们在博物馆看到的老飞机，很多风挡玻璃都发黄了，这就是早期纤维素酯类玻璃的缺点。

　　如今的波音、空客飞机的风挡更像是一块透明的玻璃墙，性能不俗，重量不轻。一块A320的风挡玻璃重达35公斤。

　　既要承受压力、温度变化，又要承受鸟击不碎。所以现代客机风挡采用三层加密设计。

　　空客320大修窗框拆解，螺丝口要涂抹油灰和锌络酸盐，主要起到防腐作用，而且上紧螺丝要使用扭力扳手。

　　分为外层钢化玻璃、中层树脂玻璃、内层化学钢化玻璃，玻璃与玻璃之间还有其他材料的涂层和胶层。

　　中层和内层风挡玻璃是机身结构的一部分，根据飞机风挡制造商PPG的数据，每层厚度约为8毫米，承担着气压负载。

　　中层风挡是一个防失效结构，如果内层玻璃破裂，它可以防止碎片飞溅，同时也承担着一定的结构负载。

　　外层风挡玻璃厚度约为3mm，是一个坚硬耐磨的刚性表面，是外来物冲击飞机的第一道防线，起到防止外来物体损伤和磨损的屏障作用，比如能抵抗1.8公斤重的鸟，以600公里时速撞击。

　　越南航空A321客机前风挡加温短路导致风挡破裂，更换一次程序包括拧拆装螺丝，拆装盖板，铲除密封胶后在涂抹，4个机务12小时完成。

　　43度恒温加热

　　在外层和中层之间有一个纳米厚的导电涂层，采用氧化铟锡，氧化铟锡是一种N型氧化物半导体，主要的特性是其电学传导和光学透明的组合，其价格昂贵。

　　在导电层与风挡内部通过汇流条连接，电流通过汇流条进入导电层，氧化铟锡涂层通电产生热量为风挡加热。风挡加温控制组件使风挡温度保持在43度。

　　由于涂层原因，每个风挡导电层的电阻不一样，一般会在风挡上有电阻代码标识，不同代码代表不同的导电层的电阻值，便于匹配电压与导电层电阻。

　　根据波音737NG排故手册，飞行中，若风挡温度小于37度时,加温电路连通加温；当达到43度时，会降低电流保持温度；如果温度超过62度时，继电器断电，加热电路切断。

　　加温是防止风挡结冰，飞机在中低空飞行时，空气中的水汽大，有利于结冰；而高空的空气干燥，不具备结冰条件，但在提高安全的前提下，依然要开启。

　　有知乎网友说，加温不仅是为了防冰防雾，而是保证玻璃强度。飞机驾驶舱风挡用的不是普通玻璃，而是复合材料，低温下会变脆，所以加热。

　　美国航空周刊曾在一篇《风挡失效》的文章中提及，温度的变化会导致玻璃弹性发生变化。 因为寒冷的窗户很脆弱，抵抗撞击的能力尤其鸟击的能力较弱，而温暖的窗户则更能抵抗撞击造成的损害。

　　另外，有20%的风挡故障来自加热失效，加热失效警告发出不久后，一扇窗户开始破裂，风挡必须在短时间内承受温差导致的热胀冷缩，而产生的局部应力变化，此时，机组立刻采取应急处置程序。

　　图：空客320的侧窗上也的风挡温度传感器

　　在挡风玻璃内有恒温器，以防止过度加热，但恒温器或温度传感器有可能会失效。 如果在飞行中发生这种情况，飞机的速度将被限制。 如果在地面误操作加热，并且没有冷空气降温，可能会导致过热，从挡风玻璃上观察时景物出现波浪变形。

　　从波音777飞机开始时 ，风挡加温是自动打开，并在最后关闭，这一改进旨在从繁琐的“家务”劳动中解脱，消除潜在隐患更专注飞行。

　　曲面大屏玻璃

　　在波音787的4扇式风挡出现之前，客机的风挡玻璃受成本、工艺、力学结构、技术限制，都是近乎于平面的6扇窗结构。为了与787飞机外形浑然天成，风挡玻璃热加工成曲面，符合空气动力学。注意过787机头的网友肯定会发现，787的风挡面积很大，而且不能打开。国产C919也是采用这种设计。

　　这就是驾驶舱设计的思路差异，驾驶舱风挡设计者必须与不同的安装要求相抗衡。在以往的飞机上，例如767、777、A330等，窗框被固定在机身结构中，机长可以在地面开窗通风，但这意味着玻璃不能承重。

　　为了提高结构可靠性，波音787取消了滑动侧窗设计，旨在让风挡免受破坏性负载。

　　图：A350风挡温度传感器

　　空客A350也曾想采用4扇式风挡，但是这就需要对机头进行重新设计，重新风动吹风，而且时间和成本上也耽误不起，无奈只有采用老式六扇式风挡。

　　潮湿短路引发爆炸

　　2013年1月15日，一架塞斯纳奖状X公务机，从萨摩亚飞往悉尼的途中，高度45000英尺平飞，EICAS显示左风挡加温故障，2分钟后左风挡外层爆裂，机组立即带上氧气面罩下降高度，宣布处于紧急状态MAYDAY MATDAY，并转向附近的斐济纳迪国际机场，飞行员报告风挡裂缝没有扩大，安全落地。

　　澳洲交通安全委员会（ATSB）调查结果，风挡玻璃飞行时间3200小时，其顶部密封件磨损，水气进入汇流条，并导致汇流条与加热膜之间的电气连接失效。 最终加热膜开始烧坏，进而导致玻璃外部非结构面层的电弧和失效。

　　图：破裂左前风挡

　　NASA曾做过测试，当一架波音747上出现一个0.3平方米的洞，坐在洞旁边的人会被大约半吨的力向外拉扯，直到100秒后飞机内外气压取得平衡。

　　外层风挡破裂的飞机正在降落，客机的外层风挡上会涂抹防雨剂，也称为厌水涂层，所以不能再干风挡上开启雨刮器。

　　图：防雨剂效果，左未涂，右涂抹。

　　关于防雨剂多说一句，防雨剂最早使用在空客飞机上，由于早期的防雨剂含有氟利昂，在1996年1月1日起开始被禁。1998年，空客找到了不错的替代品，满足环保和适航的要求。

　　防雨剂是在风挡外形成一层厌水的膜，让雨水在表面形成水滴状并快速滑落。

　　风挡遭鸟击保持形状完好，看残肢这鸟真不小，不过也有鸟击撞穿后伤及机组的案例发生。鸟击测试更多的是侧重验证发动机的防护能力，压缩空气炮在不到一秒的时间内模拟鸟群撞击，向飞机的发动机叶片发射8只刚解冻的重量达到680克的鸡。模拟了高速飞行状态下的鸟群撞击。

　　在正常情况下，驾驶舱玻璃可以承受5倍飞机最大内外压差载荷，当一层破损后，仍然可以承受2倍最大压差的载荷，也是非常安全的。有时我们会看到飞机玻璃破碎严重，但绝对比我们想象的要坚固的多。

（《翼周刊》， 民航新闻实时监测系统 ）