民航客机风挡玻璃集和了哪些高精尖技术保障不会碎裂

飞行环境分为大气飞行环境和空间飞行环境，其中大气飞行环境是飞机的主要飞行环境。飞机通常飞行在大气层的平流层底部区域，该区域大气垂直运动很少，以平流运动为主，飞机在其中受力比较稳定，这就是我们在飞机上大多数时候不会感到颠簸的原因。

大气层的垂直分布

平流层云层少，颗粒物含量少，能见度很高，飞鸟一般无法达到这一飞行高度，能有效避免和鸟类相撞。

平流层的海拔高度受所处纬度影响，中国所处的中纬度地区平均海拔在10～12千米以上。按照中国民航规定，像川航本次执飞的中型以上的民航飞机要在海拔7-12千米的高空飞行。

大气层空气密度和压强随高度的增加按指数规律下降，最后接近真空。可以这样理解：某区域的气压值，等于该区域单位面积上的大气柱的重量，高度越高，压在其上的空气柱越短，大气压也就越低。

目前中国采用的是国际标准大气，在30000英尺（9144米）的高空，压强为301hPa（即30kPa），仅相当于水平面平均气压（101.3kPa）的30%。

在低空2-3千米范围，飞机内部气压与地面维持相同。随着飞行高度的增加，飞机气压随外界大气压减小而减小，使内外压强差维持恒定，以防止飞机内外压差过大发生机体爆炸或突然失压导致的人员瞬间伤亡。

国际标准大气（ISA）部分数据

高空中的温度等于高空中气团的温度，气团是大量空气长时间停留在某一地区形成的温度、湿度和其他物理性质基本相同的大范围空气团，所占空间很大，垂直厚度达到几千米至十几千米，其温度由该地区地理环境和地标性质决定。

阳光烤暖了大地，使得地表底层气团温度升高，密度减小上升。上升时气团膨胀，对外做功，内能减少，温度降低。因此，距离地面越高的地方，空气温度越低。大约每升高1km，气温降低6℃（如上表所示）。在10000米高空，气温降低至-50℃。高度超过11000米后，气温维持在-56.5℃。

飞机在环境低温、低压、缺氧的高空中飞行时，挡风玻璃为我们隔绝了一切恶劣条件，创造了舒适安全的机舱环境。而它自己，却需要抵抗外界低温、内外巨大的压强差，以及升降过程中飞鸟撞击等不利条件。

那么，飞机挡风玻璃具备哪些特性让它可以如此出色地完成任务呢？

（二）飞机挡风玻璃：集玻璃加工所有高精尖技术于一身

挡风玻璃是由美国福特汽车创始人亨利·福特在被玻璃碎片划伤后发明的。他将两块玻璃夹在一起，中间用一层PVC塑料隔开，既能有效防止外部玻璃破碎对人的伤害，又能起到良好的减震效果。

后来，这种“三明治”结构的设计思路一直沿用了下来，并应用在飞机上。随着技术要求的提高，飞机挡风玻璃制造几乎涵盖了玻璃加工的所有高精尖技术，因此被称为“玻璃加工技术之花”。

飞机挡风玻璃是飞机重要的结构功能部件，必须具有多种功能特性。

一是作为机身的一部分，挡风玻璃必须具有足够的强度，并保持流线型外形，以承受各种飞行状态下的机舱气压、气动荷载和冲击，还要保证使用的可靠性和尽可能长的使用寿命；

二是作为透明观察窗，挡风玻璃必须具备良好的光学性能，能够提供清晰的视界。在细节上，还要求机窗具备除雾、泄静电、防雨水等多种功能。

飞机挡风玻璃技术就是要通过材料选取、结构设计、制造工艺、测试评价等方面的研究来同时满足上述力学、光学、电学等性能的特殊要求。

（1）多层复合结构使机窗更加安全、可靠

为保证足够的力学性能，提高机窗的刚度和强度，平面型挡风玻璃采用了物理钢化技术；而曲面型挡风玻璃为保证光学性能的要求，多采用表面离子交换增强技术，成本也更高。因此，客机一般采用平面型机窗，而战斗机等采用曲面型机窗。

在玻璃单片强度一定的情况下，为满足抗鸟撞要求，只能提高玻璃的总厚度。

此外，如果仔细观察，你还会发现每一扇机窗都是圆角，曲线设计将压力分散到边缘的每一点上，而不像正方形窗将压力集中在尖锐的角上（工程中将其称为应力集中点），这样可以降低机窗破碎的几率。

在结构上，挡风玻璃采用多层复合结构来保证玻璃破碎后的安全性。

飞机挡风玻璃结构示意

如图所示，外层①是一个保护层，中间层②、内层③为结构层，每个结构层都可以单独承受增压载荷。

加温膜④可以实现电加温，能在飞机飞行中除冰、化霜，保证特殊气象条件下驾驶员拥有足够的视界。加温膜必须保证温度的均匀性，否则会引起挡风玻璃失效甚至发生玻璃炸裂。比如有的玻璃杯常常一加热水就会爆炸，就是性能不佳、突然受热不均造成的。

两个夹层⑤是作为粘结材料的中间层胶片，其可靠性对挡风玻璃的安全使用非常重要。

对于挡风玻璃来说，胶合层出泡、脱胶和玻璃炸裂是其主要失效模式，因此，开发耐候性能优异的胶接材料成为行业重要要求。

此外，玻璃与机身连接方式直接影响玻璃的抗撞击强度，玻璃边部良好的密封也可保护胶合层和电加热元件免受环境湿气的侵蚀。

（2）多种光学性能要求挡风玻璃必须提供清晰明亮的视野

飞机挡风玻璃本质上毕竟还是玻璃，在低温、低压、云雾的高空飞行环境中提供清晰明亮的视野是挡风玻璃的天职。

光学性能是影响挡风玻璃制造成品率的首要因素，因此挡风玻璃在制造过程中需要考虑透光度、雾度、光学角偏差、光学畸变、双目视差、副像偏高、眩光性能等光学性能指标，这就需要依靠玻璃精确成型技术、玻璃镀膜技术以及层合技术的支持。

此外，涂层和镀膜技术还可以实现许多附加功能。例如，在玻璃外表面制备疏水或憎水涂层可以防雨。而镀制不同的透明导电薄膜可以实现电磁波屏蔽、雷达波隐身、热反射等功能。

（三）中国制造的高强度玻璃比钢材还要强，但关键技术上仍有差距

目前全球大型飞机制造主要被美国、法国垄断，为其配套供应挡风玻璃的分别是美国、法国和英国的三家公司，他们的产品代表了世界领先水平，也垄断著机窗市场。

近年来，挡风玻璃技术发展呈现轻量化、高可靠性、长寿命、多功能的趋势。其中，玻璃增强新技术的开发一直是机窗制造技术的核心和热点，美国和法国公司采用钠钾体系的熔盐进行离子交换增强，开发了高强度玻璃，并已经进行商业化应用。

美、法、德等国家开发了锂、铝、硅组分的专用平板玻璃，强度和应力层深度比普通化学钢化玻璃高50%以上，强度接近400Mpa，除了适应高空气压差外，还能够在保持抗鸟撞的特性前提下，有效减薄玻璃厚度，显著减轻机窗重量。

中国的第一块飞机挡风玻璃是1958年建材总院研制成功的。60年来，经过几代科技人员的努力，完成了国产飞机所有机型的玻璃研发配套任务，包括30多个品种60多种规格的航空玻璃，使中国成为继美、英、法、俄等少数几个能自行研制飞机玻璃的国家之一。

中国建筑材料科学研究总院针对玻璃增强技术开展了多年的研究，开发的综合增强技术可将普通浮法玻璃的强度提高到400MPa以上，比普通的钢材还要强，基本达到了国外产品的先进水平。

不过，由于缺乏大型客机的实际应用经验，中国在挡风玻璃的许多关键技术上与发达国家仍有较大差距。

截至2017年底，中国民航运营机队总规模达到3200多架，居世界前列，民航市场总规模也已跃居世界第二。然而由于没有掌握核心技术，中国每年仅维修更换玻璃的费用就达数亿元。