飞机座舱盖爆破及爆裂原因分析

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导读:飞机座舱盖玻璃包括座舱活动盖玻璃和风挡玻璃,按材质可以分为单层有机玻璃和复合玻璃两类。本文从分析座舱盖玻璃的材质入手,研究了座舱盖玻璃爆破的原因及预防措施。 摘要:飞机座舱盖玻璃包括座舱活动盖玻璃和风挡玻璃,按材质可以分为单层有机玻璃和复合玻璃两类。本文从分析座舱盖玻璃的材质入手,研究了座舱盖玻璃爆破的原因及预防措施。 0引言 飞机座舱盖爆破是指座舱盖玻璃的爆破。座舱盖玻璃是飞行员借以观察外界的透明件,又是飞机机体的结构件,其结构的完整性与飞行员的生存环境密切相关,直接影响到飞

飞机座舱盖玻璃包括座舱活动盖玻璃和风挡玻璃,按材质可以分为单层有机玻璃和复合玻璃两类。本文从分析座舱盖玻璃的材质入手,研究了座舱盖玻璃爆破的原因及预防措施。


摘要:飞机座舱盖玻璃包括座舱活动盖玻璃和风挡玻璃,按材质可以分为单层有机玻璃和复合玻璃两类。本文从分析座舱盖玻璃的材质入手,研究了座舱盖玻璃爆破的原因及预防措施。


0引言


飞机座舱盖爆破是指座舱盖玻璃的爆破。座舱盖玻璃是飞行员借以观察外界的透明件,又是飞机机体的结构件,其结构的完整性与飞行员的生存环境密切相关,直接影响到飞行安全和训练任务的完成。本文从分析座舱盖玻璃的材质和受力入手,研究座舱盖玻璃爆破的原因及预防措施。


1座舱盖玻璃的材质和受力


1.1座舱盖玻璃的材质


飞机座舱盖玻璃包括座舱活动盖玻璃和风挡玻璃,按材质可以分为单层有机玻璃和复合玻璃两类。单层有机玻璃用于座舱活动盖玻璃和侧风挡玻璃,多层复合玻璃一般是由多层无机玻璃,或无机玻璃与有机玻璃用透明胶片层合而成,用于前风挡,具有防鸟撞的功能。航空有机玻璃的主要成分是聚甲基丙稀酸甲酯,另含有增塑剂。聚甲基丙稀酸甲酯是无色透明的高分子化合物,常用的增塑剂是邻苯二甲酸二丁酯。航空有机玻璃的优点是具有很好的透光性,能透过90%以上的阳光,在常温下具有较大的强度;与普通玻璃相比脆性较小,受振动时不易碎裂;耐腐蚀性和绝缘性良好;容易成形。航空有机玻璃的缺点是硬度小,容易划伤;导热性差,热膨胀系数大;受到温度、日光和溶剂等的作用时,性质会变化。


1.2座舱盖玻璃的受力


飞行中,座舱盖玻璃除受本身的重力及机动飞行时的惯性离心力外,其受力主要取决于座舱内外压力差,座舱外的大气压力随飞行高度增高而减小,座舱内压力从满足飞行人员生理需要来看,始终保持一个大气压力(760毫米水银柱)最好。如果座舱内压力始终保持一个大气压力,当飞行高度升高时,座舱内外要产生相当大的压力差。这样,一方面座舱结构必须做得很结实,使飞机结构的重量大大增加;另一方面座舱一旦损坏时,座舱压力会急剧下降(叫做“爆炸减压”),这对飞行员的生理上有很大危害。为了保证满足飞行员对体外绝对压力要求,飞机上设置了气密座舱,并通过座舱供气装置把从发动机压气机引来的增压空气经温度自动调节装置调节后,将温度适宜的新鲜空气源源不断地输入气密座舱,再由压力调节装置通过控制座舱的放气量,使座舱压力随高度的增高按照一定的规律减小,以满足飞行员对体外绝对压力266毫米水银柱的最低要求。因此,飞行高度越高、座舱内外压力差越大,座舱盖玻璃的受力也越大。


2座舱盖玻璃爆破的原因


当座舱盖玻璃出现裂纹、划伤和脱胶等故障时,其强度要降低;严重时,在座舱内外压力差的作用下,就会产生座舱盖玻璃爆破的事故。有机玻璃故障主要有银纹、裂纹、划伤以及由此引起的玻璃爆破。

2.1座舱盖有机玻璃故障


(1)座舱盖有机玻璃银纹。有机玻璃导热性差,热膨胀系数大,当温度急剧变化时,在它的表面与内层之间热应力,使有机玻璃表面出现细微的裂纹,这些细微的裂纹呈现出银色光泽,所以通常称为银纹。有机玻璃产生银纹后,透光性会降低,强度和塑性下降。银纹长度分散性很大,初始发生不足毫米,发展后,从几个毫米至几个厘米,甚至几十个厘米。较重的银纹还有一个特征是方向无序、相互交叉。银纹的上述特征与金属构件的裂纹不同,是高分子聚合物特殊的微观结构形成的。银纹的产生与玻璃材质有关,使用YB—2航空有机玻璃,其抗裂纹性能较差,容易产生银纹;使用的YB-3或DYB-3航空有机玻璃,抗裂纹性能较好,裂纹故障就较少、较轻。舱盖玻璃银纹故障比较普遍。检查1000架飞机,有银纹的130架,占13%。按照银纹容限的规定,银纹故障舱盖中有85架超过规定。故障率8.5%。银纹的产生也与气候条件有关。南方气候湿热,明显比北方故障率高。由银纹扩展成的裂纹和槽、孔裂纹,如果不能及时发现,在飞行中快速扩展,都会导致舱盖玻璃空中爆破。


(2)座舱盖有机玻璃槽、孔裂纹。玻璃上的孔和花槽在结构上是应力集中因素,强度上是薄弱环节。该部位若有加工缺陷和装配应力就很容易产生裂纹。舱盖玻璃后弧花槽裂纹多数出现在舱盖中心线及两侧的几个花槽上。首先在花槽底部与玻璃内表面的交界处产生,呈现角裂纹形式。裂纹在玻璃内表面沿航向,向前扩展,同时沿玻璃厚度扩展。一个花槽可能同时出现多个裂纹。

槽、孔裂纹初始深度1毫米左右,在疲劳载荷作用下不断扩展到几个毫米或更长。如果不能及时发现,在飞行中快速扩展,都会导致舱盖玻璃空中爆破。花槽裂纹故障的产生原因,可以区分为两个类型,它们导致的裂纹故障密度变化规律不同。第一,疲劳载荷和玻璃材质老化。随着飞行小时和日历时间的延长,故障密度是单调递增的。而实际故障密度变化,在寿命期内后期都有明显的回落。说明这一类因素不是花槽裂纹故障产生的主导原因。第二,材质或加工缺陷,加工或装配应力。这些因素导致的裂纹故障密度变化,初始应该是递增的;而后期,由于缺陷的暴露和应力的释放,故障密度又必然会下降。实际故障密度的变化与这一规律是一致的。因而,舱盖玻璃后弧花槽裂纹故障的产生,主要是由于玻璃材质和加工、装配工艺因素造成的。


2.2前风挡复合玻璃的炸裂和脱胶


前风挡复合玻璃炸裂主要发生在表层玻璃或中间层的承力玻璃。裂纹呈网状,使得飞行员前方视场被破坏。前风挡玻璃曾发生几起炸裂故障,内层无机钢化玻璃碎裂成颗粒状。虽然保持了座舱气密,而前方视场完全破坏。玻璃炸裂有的发生在飞行中。有的发生在地面停放状态。以上几起前风挡玻璃炸裂,都是玻璃内在质量问题引起的。玻璃材质不均匀,内部存在微小的结石点。在飞行载荷或温差应力作用下,结石处应力集中,致使玻璃炸裂。

前风挡复合玻璃脱胶是两层玻璃之间的透明胶合层与玻璃脱开,脱胶严重时会影响飞行员的观察。脱胶多数从周边开始,逐步向内扩展;也有从中间部位形成的,形似气泡。无机玻璃之间的聚乙烯醇缩丁醛胶片与玻璃脱开,故障率较高。无机玻璃与有机玻璃之间的粘合有的用硅凝胶。硅凝胶的拉伸强度很低,使用中热胀冷缩就可能断裂,外观特征与玻璃裂纹相似。



3座舱盖玻璃爆破的预防与事故分析


3.1座舱盖玻璃爆破的预防


维护工作,最重要的是及时发现座舱盖玻璃故障,确保飞行安全。具体工作主要有两项:一是及时掌握银纹的深度参数,不要超过容限规定;二是及时发现槽孔或其他部位裂纹。银纹深度测量,使用YL型舱盖玻璃银纹深度测定仪。前后弧槽孔裂纹检查,使用ZGBJ型舱盖玻璃裂纹检查仪。


3.2座舱盖玻璃爆破的事故分析


(1)事故原因分析。舱盖破璃空中爆破有时可能导致飞机的一、二等事故,在这种情况下,应该注意飞机残骸的一个特征。玻璃先爆破,玻璃残片在航线上的位置,应该在飞机机体触地点的后方一定的距离上。


(2)查找裂纹源。舱盖残留的框架多数都能保留玻璃残片,由玻璃残片断口可以分析裂纹走向。玻璃爆破裂纹扩展过程,也是应力波扩展过程。应力波扩展在玻璃断口上留下的花纹,类似于波浪在海滩留下的波纹,弧形总是朝向裂纹扩展方向的。如果有足够的玻璃残片,就可从裂纹走向找到玻璃爆破的裂纹源。


(3)分析裂纹源性质。裂纹源有疲劳裂纹或高应力的瞬间断裂纹;载荷应力作用裂纹或应力、腐蚀裂纹等类型。裂纹源的裂纹通常有一个很光滑的镜面区。使用几十倍的光学显微镜,有时还需要更高倍数的电子显微镜,从镜面区观察就可以确定裂纹性质。


4结束语


座舱盖玻璃爆破故障与玻璃材质、加工工艺,气候条件和飞行中的载荷等因素有关。本文重点探讨了座舱盖玻璃爆破的原因,要减少和杜绝此类事故的发生,除了在地面维护中加强检查外,还应加强在座舱盖的设计,玻璃的选材及加工工艺等方面的工作。


参考文献:


[1]程秀全,刘晓亭.航空工程材料[M].北京:国防工业出版社,2008.[2]汝少明.歼强飞机构造学[M].海潮出版社,1998.


[3]李克唐.飞机结构损伤设计指南[M].航空工业部科学情报研究所出版,1985.

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