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“全景天窗”飞机小猜想

2017-07-21 15:03 来源:大飞机报

(空客供图)

  最近,空客公司打算推出一款“可以数星星”的飞机,机舱上方配备“全景天窗”,只需按下开关,便可抬头欣赏漫天繁星。

  可是,飞机不比汽车,汽车天窗司空见惯,飞机天窗可是十足的黑科技。这样的设计,天窗会采用什么材料?是玻璃还是其他新材料?它是否能够满足飞机强度要求,适航当局又是如何看待这个“大胆”的想法的?

  飞机的天窗要承受什么

  在飞机上,使用透明材料的部件主要有两种,一种是机身侧面的舷窗,一种是机头前端的风挡。然而舷窗、风挡的受载荷情况与天窗不同。

  舷窗承受的载荷主要来自飞机舱内外的压力差。在高空,为了保持乘客的舒适性,飞机会使用增压设备给客舱增压,保持大约海拔2400米左右的气压环境。而飞机舱外是稀薄的大气和较低的气压,由此带来约半个大气压左右的压差,强度工程师一般称之为压差载荷。

  风挡的受力就复杂一些,不仅有飞机舱内外的压力差,还有复杂的气动载荷。在严酷情况下,风挡受到的气动载荷与压差载荷方向相同,相互叠加,产生一个更大的合力。这可能与大家平时的感观有所不同,人在迎风奔跑时会感到迎面而来的“压力”,而气流对处在机头部位的风挡却是产生“气动吸力”。

  风挡还有一个特殊的地方,就是容易遭遇鸟撞。根据相关适航条款,飞机在遭遇鸟撞后,必须具备“能够成功地完成该次飞行”的能力,也就是说结构不能被破坏。“若以巡航速度600千米每小时计,相当于风挡要能够承受30吨左右的冲击力而不被破坏。”上飞院强度工程师刘铁权表示。

  与舷窗和风挡一样,天窗也要承受压差载荷,不同的是,天窗所在的机身上表面,还要承受一个航向的拉力。这是因为在惯性力和气动力共同作用下,飞机会形成机头和机尾向下、中机身向上的弯曲变形,导致机身上部受拉、下部受压。相对整个飞机尺寸,这个变形非常小,所以我们平时分辨不出来,但实际上会使机身上表面产生巨大的拉力。这个拉力与飞机大小成正比,飞机越大,拉力越大。

  天窗可能使用什么材料?

  舷窗的材料一般采用有机玻璃,既可以满足强度要求,重量又比较轻。由于舷窗只承受压差载荷,在受载时,舷窗玻璃被“压”在比玻璃略小的窗框上,所以在生产制造中,只要保证舷窗的密封性,制造工艺相对简单。

  风挡的构造就复杂很多。拿C919的风挡来说,主风挡采用的是“3+2”的结构,3层无机玻璃中间夹两层胶,侧风挡采用“2+1”的结构,2层有机玻璃中间夹胶,胶的作用可以有效传递载荷,又不会使得风挡那么重。

  有机玻璃和无机玻璃虽然名称相近,但其实分属不同的材料大类。飞机上比较常见的材料有金属材料、有机高分子材料和无机非金属材料等。有机玻璃属于有机高分子材料的一种,它和我们一般的塑料属于“近亲”,而无机玻璃属于无机非金属材料,它和发动机里一些高温陶瓷材料属于“近亲”。

  那天窗可能使用什么材料呢?前面提到天窗开在机身上方,要承受航向拉力,这个拉力与飞机大小成正比,在不同飞行姿态下拉力大小也不同。由于飞机设计时必须考虑最严酷情况,即便较小的公务机也要能够承受几十吨的拉力。一般的有机玻璃强度比较低,不太可能承受这么大的拉力。

  无机玻璃强度比较大,但它有一个致命的缺点——脆,也就是说塑韧性低。尤其是天窗还要与周边的金属蒙皮连接,会受到蒙皮传递的载荷,形成弯、剪等复杂的受力,塑韧性低的无机玻璃更是“难堪重任”。

  无机玻璃不仅脆,还不具备损伤容限特性。金属蒙皮在产生裂纹后,裂纹扩展是一个相对缓慢的过程,在达到临界裂纹长度前,结构还具有足够的承载能力,所以金属蒙皮破坏前有足够的时间“预警”。而玻璃则有可能在毫无征兆的情况下碎裂,这对民用飞机而言实在是一个非常不好的特性。

  而天窗是“一定”要承受几十吨拉力,而且这个力是持续存在,要保证“完成每一次飞行”。

  “数星星”的浪漫代价几何

  根据公开报道显示,空客这架全景天窗飞机设计搭乘8名乘客,造价将超过1亿美元,是十足的“土豪专机”。为什么这么贵?相信天窗的适航验证就将花费不菲。

  由于制作工艺不同,有机玻璃、无机玻璃这些透明件的可靠性低于金属材料,所以适航验证要求更加严格。目前,飞机上用到的玻璃是按照4倍压差载荷进行考核,而机体金属材料只需要按2倍压差载荷考核。至于将来的天窗,可能是其他飞机没有使用过的新材料,其适航验证工作量会非常大,需要从材料级别到整机级别全面验证。

  不仅可靠性低,透明件对于温度还格外“敏感”,飞机运营环境从零下55度到70度,透明件必须验证在不同温度下材料的各种性能都符合使用要求。以前飞机上从来没有开过天窗,适航审查一定会格外谨慎,毕竟在万米高空天窗出个“意外情况”可不是什么好事情。

  强度工程师赵峻峰认为,为了“数星星”,完全可以不用这么大费周折。“只要在机身外部装上高清摄像头,再在客舱上方安装一个大曲屏,就可以实现‘数星星’的浪漫,几乎不需要增加多少成本。”

  材料工程师刘星北与赵峻峰的观点不谋而合。“现在VR这么逼真,完全可以通过VR实现这个功能,可以在机身安装几个摄像头,不仅可以‘数星星’,还可以看云霞,让乘客有种‘只身在云端’的视觉体验。”

  只是不知道恐高症患者会是什么感受? (喻媛)

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