【航空知音|张华】飞机舷窗的奥秘
风流知音(FLOWS:Physics & beyond)【航空知音】飞机舷窗的奥秘 CFDAEF (2018)1045
飞机舷窗的奥秘
张华
北京航空航天大学航空科学与工程学院
（注：该文发表于2018年11月5日作者的个人“美篇”）
张华 教授
作者简介:
张华，北京航空航天大学航空科学与工程学院教授，北京市高校教学名师，北京市优秀教师，中国力学学会全国优秀力学教师，北航国家级精品课《空气动力学》优秀主讲教师，北航“我爱我师-十佳教师”，北京力学学会科普委员会副主任，《力学与实践》杂志编委，主要研究方向：旋涡与分离流动，流动控制，风工程，风洞水洞设计。
飞机上有一些特殊的装置或设计，或许我们对其司空见惯，或许我们对其不太熟悉，但这些装置或设计对飞机的正常飞行和舒适安全都具有重要的作用，而其作用或原理却往往不为常人所知。本文介绍飞机舷窗的奥秘。 图1是中国南方航空A330客机。
图1.中国南方航空A330飞机
请先对以下8个有关飞机舷窗的问题做出判断选择，答对5个及格，答对6个中等，答对7个良好，答对8个优秀。
1.民航机客舱舷窗通常是：
A单层；B复合单层；C双层；D三层。
2.民航机客舱舷窗上小孔的作用是：
A平衡座舱内外压差；B让外层窗承受压差及检查漏气情况；C排出座舱空气；D平衡温度差 。
3.民航机驾驶舱舷窗通常是：
A 单层；B 复合单层；C 双层；D 三层。
4.民机客舱舷窗做成接近圆形主要原因是：
A 美观；B 牢固；C 视野好；D 制造方便。
5.民机驾驶舱舷窗做成宽大矩形的主要原因不包括：
A 驾驶舱应力集中相比客舱不严重；B 视野好；C 制造简单、安装方便、密封容易；D 采光好。
6.民航机驾驶舱舷窗排雨的主要方法不包括：
A 雨刷器；B 化学排雨剂；C 排水涂层；D 热气排雨。
7.民航机驾驶舱舷窗防冰的方法主要是：
A 电加热；B 热气；C 防冰液；D 电脉冲。
8.民航机客舱舷窗防冰的方法为：
A 与驾驶舱舷窗相同；B 没有防冰措施；C 热气；D 电加热。
正确答案是：1.D，2.B，3B，4B，5.D，6.D，7.A，8.B。
图2是中国南方航空A380客机。
图2.中国南方航空A380飞机
1.民航机客舱舷窗通常为三层
为了保证乘客的舒适和安全，飞机座舱为增压气密座舱，飞行中座舱压力高于外界略低于地面标准大气压。客舱舷窗通常采用两层密封结构层加一层装饰防护层的三层结构，最外层和中间层的密封层用较厚且高强度的透明树脂材料（丙烯酸纤维）制成，且都具有承受几倍座舱内外压差的能力。接触乘客的内层用较薄的轻质透明树脂材料制成，内层不密封不能承受压差，但可起装饰和对中层辅助防护作用。三层舷窗之间形成两层空气层有利于保暖隔热，同时可避免舱内高湿度空气在单层舷窗上遇冷凝结成霜的问题。通常情况下由外层窗承受座舱内外压差（参见下条），中层舷窗可在外层舷窗意外破坏时承受舱内外压差。图3是民机客舱用于承压的外层和中层密封窗结构。
图3. 客舱舷窗承压外层和中层密封窗结构（不包括乘客一侧的不密封装饰防护层，插图由AMECO侯立国先生提供）
2.客舱舷窗通气小孔的作用
在中层舷窗下部开有的通气小孔（直径小于1mm)以平衡两层空气中的压力差，从而使常规情况下主要由外层舷窗承受座舱内外压差。中层舷窗上通气小孔的另一个作用是用于增压座舱漏气检查，当外层舷窗有泄漏时空气会通过小孔形成射流冲击外层舷窗内侧从而形成局部污染痕迹，方便检修人员判断是否泄漏及其泄漏程度。可以发现许多飞机舷窗通气孔对应的外侧舷窗内侧或多或少都有射流冲击留下的圆形射流痕迹。实际上飞机气密座舱（大气通风式）对密封性要求并不十分严格，座舱中的压强变化规律（座舱压力制度）主要是依靠发动机压气机增压供气、同时由专门的排气活门调节开度改变排气量来实现的。对座舱密封性要求降低可大大节约飞机制造成本。
下图是笔者乘坐的中国南方航空A330客机客舱舷窗玻璃，可见在高空飞行时外侧玻璃上有较大的通气孔射流痕迹。
图4.A330客机客舱玻璃及空中飞行时通气孔射流痕迹
图5是飞机在地面时同一个舷窗的照片，可见通气孔射流痕迹消失。
图5.飞机在地面时同一个舷窗通气孔射流痕迹消失
图6是笔者乘坐的中国南方航空A380客舱舷窗，可见外侧有与通气孔尺度相当的射流痕迹，但该射流痕迹在整个飞行过程中无变化，说明该舷窗密封良好。
图6.中国南方航空某A380客舱舷窗在飞行和停放时通气孔射流痕迹不变
既然中间层玻璃有通气孔，为何还要求其像外层玻璃一样具有足够的密封性呢？这是为了保证舷窗有足够的安全裕度。当外部玻璃窗被其他物体意外撞击而损坏时，中层玻璃窗尽管开有微小的通气孔但通气孔的漏气量不严重，座舱增压系统仍然能维持一定的增压，因此仍能提供一定程度的安全保障。
图7是2018年5月2日美国西南航空某客机飞行途中舷窗外层玻璃破裂情况，由于有中层玻璃的适当保压、保温作用，机组能够从容地将飞机迫降在就近的机场。
图7. 美国西南航空某客机乘客舷窗外层玻璃破裂情况
3.民机驾驶舱舷窗的结构为复合单层
与客舱舷窗不同，民机驾驶舱舷窗为多层粘接的复合单层结构（通常为三层或三层以上的多层粘接，主要材料是乙烯基、丙烯酸纤维等），中间没有空气隔热层但有其他加强材料，并在夹层中布置有导电涂层（conductive coating）或电加热丝。电加热丝有三个作用：防止舷窗内部热空气遇冷凝结成雾（通常铺设在靠驾驶舱内一侧），防止舷窗外部结冰（通常铺设在靠驾驶舱外一侧），加强驾驶舱舷窗抗鸟击时的韧性。
图8是典型的民机驾驶舱玻璃窗复合单层结构，可见不同的部位材料和层数有所不同，且导电涂层的埋设位置也有所不同。
图8. 典型的民机驾驶舱舷窗复合单层结构（AMECO侯立国先生供图）
图9是A320驾驶舱玻璃窗下部照片，点击放大后可观察到内层埋设的电加热丝。图中黑色较粗的是接线柱。
图9. A320驾驶舱玻璃窗下部照片，放大可观察到内层埋设的电加热丝（中国南方航空张裕欣副机长供图）
图10是A320驾驶舱舷窗侧部照片，电加热丝清晰可见。
图10. A320驾驶舱舷窗侧部电加热丝照片 （中国南方航空张裕欣副机长供图）
4.民机客舱舷窗做成圆形的原因是防止应力集中
早期的民机舷窗设计未能考虑到由于增压座舱不断反复充压泄压以及频繁起降引起的交变载荷和舷窗形状不合适引起的应力集中问题。上世纪五十年代初期英国著名的彗星号喷气式客机在一段时间内曾多次发生空中解体，造成严重机毁人亡事故，后来的调查研究发现方形的客舱舷窗在交变载荷作用下由于金属疲劳和应力集中而造成客舱蒙皮撕裂结构破坏。
图11是彗星号多次失事后调查人员通过反复增压实验发现由于应力集中座舱裂纹最先出现在方形舷窗附近。此后客舱舷窗就逐步改为圆形或圆角型了。
图11. 彗星号舷窗增压破坏试验
5.驾驶舱舷窗形状为矩形或不规则矩形
由于驾驶舱位于机身前端，受交变载荷影响相对较小，同时驾驶舱舷窗有良好视野的要求，因此驾驶舱舷窗仍然设计为矩形形状。矩形舷窗还有制造简单、安装方便、密封容易的优点。尽管如此驾驶舱舷窗的四角也要尽量圆滑过渡以减小应力集中。 图12是典型的驾驶舱舷窗图片。
图12. 典型的民机驾驶舱舷窗图片
6.民机驾驶舱排雨方法
雨水有可能影响飞行员视线因此下雨时驾驶舱需要排雨。机械雨刷器是驾驶舱排雨的最基本装置，此外还可采用喷洒排雨剂和舷窗外侧镀防水涂层的方法。排雨剂喷洒后经过雨水的稀释和雨刷器的铺设作用可在窗外形成薄膜，其对窗材料有较好的附着性同时具有很好的疏水性能，使雨水不易附着在玻璃表面而被风吹走。化学防水涂层是制造玻璃舷窗时“永久性”镀在窗外侧的疏水材料，不影响窗的透光性。防水涂层经过长时间磨损也会失效。化学排雨剂具有一定毒性和腐蚀性，正在被逐步淘汰和改装取消。有的飞机将发动机压气机的高压热空气引出一小部分用于排雨，排雨效果好。客舱舷窗位于机身侧面雨水很容易被风吹走，也没有专门的排雨措施。图13是民机驾驶舱舷窗机械雨刷器照片。
图13. 民机驾驶舱舷窗机械雨刷器
