《中国机长》硬核科普:航空玻璃事故到底是怎么回事?

编者按:本文来自微信公众号“出行一客”(ID:carcaijing),作者:陈亮 文龙鑫,编辑:施智梁,36氪经授权发布。

预热了很久的《中国机长》终于正式上映了。 

2018年3U8633航班遭遇险情那天,牵动了无数人的心,这是一次可以被称之为奇迹的特情处置。因此当它被搬上荧幕,整个民航业的从业人员都怀揣着颇高的期望。

俗话说“外行看热闹,内行看门道”,很多观众在观影时只知道是3U8633的玻璃破碎导致了后续一系列险情的发生,但是却少有人知道这架飞机是空客A319机型,脱落的风挡玻璃由法国圣戈班供应。

除此之外,还有更多值得深思的点。比如,玻璃为什么会碎裂?川航的这次玻璃事故是偶然吗?这些都是需要从更加专业的视角来回答的问题。

玻璃为什么会破裂?

航空玻璃是飞机的重要组成部分,不仅起到透明件的作用,主要涉及到维持飞机气动外形、客舱增压的功能。按照安装位置,它可以分为驾驶舱玻璃和客舱的舷窗玻璃。

所有的航空玻璃被装机应用之前,都需要进行一系列严格测试,必须具有抗撞击、抗裂纹等性能。 

为了达成上述功能,驾驶舱的风挡玻璃须由多层玻璃组合而成。一般热钢化玻璃是最外层,中层和内层为化学强化玻璃,层与层之间用PVB(聚乙烯醇缩丁醛)或PU(聚氨酯)或PVB+PU结合在一起。这样的设计是为了增加抗撞击能力。 

▲ 川航事故图 / 东方IC

风挡玻璃在结构强度上需要做三方面验证:

(1)极限强度验证;

(2)破损安全验证;

(3)疲劳验证。

一位从事客机风挡玻璃工作的技术专家告诉出行一客,对于设计运行高度不超过13700米的机型,风挡玻璃作为增压舱的构成部分,应能够承受1.33倍的座舱泄压阀最大设定值的压力;而且考虑1.5倍的安全系数,还需要额外采用系数2来覆盖材料性能波动、长期使用的性能衰退、环境条件的影响。因此,为证明风挡的这一极限承载能力,需要在1.33×1.5×2=4倍的泄压阀最大调定值压力下(考虑泄压阀的压力容差上限)试验考核。 

此外,当风挡玻璃本身发生任何一层破损后,要求风挡必须能经受住座舱最大压差载荷与临界气动压力的承载能力,并考虑温度的影响;因此为证明风挡的破损安全能力,需要在仅剩一层相对薄弱的完好结构层玻璃的情况下,用座舱最大使用压差和最大气动压差叠加后压差的2倍载荷进行试验考核。 

上述专家表示,特殊风险中,风挡要证明扛得住1.8公斤的鸟在飞机最大海平面巡航速度下的撞击,保证不穿透,且至少内层玻璃不会产生伤害飞行员的飞出物。 

除防撞击外,风挡玻璃还要具有除冰除雾的功能。因此,最外层钢化玻璃的内侧还装有透明的导电覆盖膜-加热膜,该装置是为了帮助风挡玻璃除冰。内层玻璃中间则装有除雾装置。 

按照上述情况来看,同济大学航空与力学学院教授沈海军告诉出行一客,风挡玻璃破裂可能存在四大原因。一是高速运动中的外来物撞击,例如鸟、冰雹等;二是窗框及安装紧固件问题;三是玻璃质量问题;四是加热系统故障。

根据民航局通报的情况,川航3U8633航班是在正常爬升至9800米高空时,驾驶舱右座前风挡玻璃突然破裂并脱落。9800米高度接近于平流层,沈海军表示,在如此的高度,存在飞鸟、冰雹外部撞击物的可能性很低。 

但这个可能性目前仍不能完全排除,上述风挡玻璃专家向出行一客表示,成都-拉萨航线就曾发生过高空鸟撞。

▲ 图源 / 新华社

窗框及安装紧固件问题也可能存在。这位专家介绍,由于川航事件中,风挡窗框、压板、紧固件完好保留在原位置,未有任何窗框、紧固件缺陷的迹象。“可能的原因是在安装过程中,没有完全按照风挡安装的设计要求,从而导致风挡玻璃有较高的强迫装配应力,并可能造成了风挡玻璃的局部损伤。飞机在长期飞行过程中,遇到某一较高的压差载荷、飞行载荷和强迫装配应力组合,超过破裂强度故而发生突然破裂,或者初始缺陷部位疲劳损伤累积,最终导致突然破裂。”

据了解,川航3U8633航班脱落的右侧风挡玻璃为该机原装件,投入运营至事发前,未有任何故障记录。如果此次脱落调查后确属安装问题,那么事故责任很可能归咎于空客总装中心。 

玻璃质量问题也不容忽视。此次出现事故的飞机为空客319型号飞机,属于空客A320系列,2011年交付川航。如果出厂时存在瑕疵,在长年累月的飞行中,也可能因疲劳负载导致瑕疵出现问题。 

川航3U8633航班的风挡玻璃由法国圣戈班集团生产。圣戈班(中国)投资有限公司方面告诉出行一客,这是一次极为罕见的事故。中国民航局已组织相关方面展开调查,在正式调查结果发布前,不便接受任何采访。

加热系统是否存在故障,同样是调查重点。风挡玻璃中间添加了加热膜,如果加热系统故障,可能存在局部短路、电弧(注:一种气体放电现象,不仅对触头有很大的破坏作用,而且使断开电路的时间延长)问题,进而导致飞机风挡玻璃破裂。

这一问题亦有先例。2013年10月,中国民航局曾发布适航指令,要求检查和更换固定窗户的风挡加热接头。CAD2012-MULT-02R1适航指令指出,几家运营人报告,在巡航阶段发现数起驾驶舱出现烧焦气味和(或)出现烟雾的情况。调查发现,这些事件的原因是圣戈班公司生产的风挡接头末端块烧焦。涉及A330和A340相关机型。 

上述风挡玻璃技术专家表示,飞行员对于何时更换驾驶舱玻璃更有话语权。如果出现轻微划伤或者磨损,按手册检查后,确认符合继续使用的条件,飞行员、签派放行人员有可能不要求更换玻璃。一般情况下,驾驶舱玻璃的使用寿命可达十年。 

客舱舷窗玻璃,相比没有驾驶舱的玻璃具有如此高强度的负载能力,但同样具有抗压力等功能,而且一般为双层玻璃。以往多起舷窗玻璃破裂的事故,大都由外物撞击而引起。

历史上的航空玻璃事故

历史上也有类似的航空玻璃事故先例,最广为人知的便是1990年英国航空公司发生的事故。两年后的调查结果显示主因是维修管理不善。

英国航空公司BAC1-11 5390航班1990年6月10日早晨7点20分从伯明翰国际机场起飞,飞往西班牙马拉加。在英国牛津郡迪德科特上空17300英尺处,飞机机头左边的风档玻璃破裂脱落,机长被吸出窗外,挂在机身外侧,驾驶舱内三名惊慌失措的空服人员抱着他的双腿。最终在副驾驶的操作下,7点55分飞机成功降落在英国南安普敦机场。

事故发生后,英国航空事故调查处联合其他相关部门(空中交通管制处、民航局、皇家空军航空医学研究所)组成事故调查组,对航班信息、机组人员、飞机受损、气象条件、飞机通讯和记录设备、医疗病理等信息进行了全面审查,以下是调查重点和方法。

调查组首先进行了模拟测试和研究,对风挡玻璃上的固定螺钉规格、大小、面积进行检测,检验了修理风挡玻璃的螺丝刀。 

其次对飞机的适航性认证进行了审查,内容包括:BAC One-Eleven飞机的型号合格,飞机维修的要求,航空公司质量标准,维修工程师许可证,公司授权,维修手册。

再次对英国航空公司的基础设施进行了检验,从航空公司质量监督体系、质量监督体系中的管理角色、质量审查过程、维修控制程序、地勤报告内容进行了彻底调查。 

最后调查了英国航空公司在伯明翰的管理组织,包括组织的职责、组织的设备设施、航空站、库存管理程序、质量保证实践培训、伯明翰使用的E1022程序等。 

调查组历时两年完成调查。英国民航局向出行一客提供的调查报告显示,英航5390号班机出事前27小时曾更换风挡玻璃。调查员发现,安装在风挡玻璃里的90颗螺丝钉中,84颗的直径为0.026英寸(1毫米),要比标准的小;其余的6颗长度是0.1英寸(3毫米),则比标准的短,加上受到舱内气压减小的影响,最终导致玻璃的破碎脱落。

调查员透露,当时英国维修部门的工程师因为工作负荷量大,挑选部件时多以肉眼经验“尽量相似”为准则,而没有参考飞机的维修档案和仓管人员意见,导致事故发生。

除了上述直接原因外,英国民航局认为还有间接原因。调查组认为,维修任务的安全性没能得到高度重视,因为固定螺钉的质量仅由一个人负责,而且配件安装后直接飞行、没有经过测试。

飞机轮班维修经理在风挡玻璃安装过程中护理不善,存在不良交易行为,不遵守公司标准和使用不合适设备,影响了维修的质量以及对故障的判断。而英国航空公司地方管理部门,没有监测到轮班维修经理采用的产品样本和质量审计不符合标准,因为他们没有直接监控轮班维修经理的工作。

被垄断的玻璃市场

这些罕见事故折射了航空玻璃安全问题,也让更多人了解到中国民航产业零部件生产的短板。 

全球航空玻璃供应基本由三大国外厂商垄断,分别是法国的圣戈班集团、英国的GKN公司(LSE:GKN)以及美国PPG公司(NYSE:PPG)。

圣戈班集团旗下的圣戈班苏利公司(Saint-Gobain Sully)担任航空玻璃生产任务。其在50多年间为全球的干线客机、喷气飞机、支线客机、直升机、战斗机等航空器提供玻璃制品。

▲ 图源 / 圣戈班公司官网

圣戈班苏利公司的主要客户是空客公司和俄罗斯的伊尔库特飞机公司。空客A320家族、A330、A340、A380以及伊尔库特的MS21均采用圣戈班生产的航空玻璃。中国也是圣戈班一大业务发展地。据出行一客了解,圣戈班是中国商飞的III类供应商,中国商飞生产的ARJ21型号飞机采用的就是圣戈班生产的航空玻璃。

英国GKN公司则是欧洲大陆另一大航空玻璃生产巨头。GKN旗下的GKN Aerospace业务分布于欧洲和美国。产品主要涉及航空结构、推进系统以及航空玻璃。GKN公司目前客户有波音、空客以及多家飞机运营商。 

三巨头中的美国PPG公司在1927年就为福特Tri-Motor飞机提供窗户。此后一直为军方提供玻璃面板。目前空客、波音、巴航工业以及庞巴迪这全球四大飞机制造商都是PPG公司的客户。 

中国的飞机产业也正加速发展中,必然带动上下游产业链的崛起。但是在航空玻璃生产领域,还没有出现突破。

相较于汽车玻璃等玻璃制品,航空玻璃生产难度极高。GKN公司方面告诉出行一客,航空玻璃的技术壁垒主要在于如何保证透明度要求。飞机风挡玻璃需要在非常干净的环境中进行层压,以确保最小的光学缺陷。此外,航空玻璃成形也是一门独特技术,需要特殊的烤箱、真空室,以及五轴机等工具。 

基于上述技术壁垒的存在,全世界航空玻璃生产屈指可数。 

中国建筑材料科学研究总院玻璃科学研究院副院长臧曙光在接受出行一客采访时表示,该院在上世纪50年代就能生产航空玻璃,中国航发旗下621所也能生产航空玻璃。当时的军机和运7等民机均采用上述两家单位生产的航空玻璃。 

然而由于中国民机事业的波折,民用航空玻璃生产商一直缺乏实际应用经验。 

国外飞机生产商不会来中国选取供应商,一般就地取材。更主要的是,民用航空玻璃涉及适航认证的问题,国外供应商都已经通过美国联邦航空安全局或者欧洲航空安全局的认证,无上述机构适航认证过的中国玻璃生产商,无法进入国际巨头的供应商名单。 

臧曙光认为,如果国内民机采用国产航空玻璃,并通过适航认证,中国航空玻璃生产商就能打入市场。

首先,飞机设计单位要给玻璃企业技术要求,玻璃企业提供设计方案并制造样件。然后完成各种测试与考核。在装机试飞后取得试飞结论。玻璃企业可以单独或随飞机取得适航证。获得适航部门认可,并颁发证书后,该产品才能装到相应机型上。在过程中适航部门均要提前介入。 

不过,中国民机事业刚刚重新起步,对于各个部件的可靠性要求比较高。中国航空玻璃缺乏实践经验,可靠性方面没有充足数据来印证,因此,中国民用飞机的玻璃供应仍来自国外巨头。

▲ C919大客机内部,已有国产玻璃被用于C919舷窗 / 东方IC

近年来,中航工业旗下的中航三鑫股份有限公司(002163.SZ,下称“中航三鑫”)成为特种玻璃生产新军。成立于1995年的中航三鑫重点发展特种玻璃深加工与技术、幕墙工程与通航机场、光伏玻璃和光伏工程三大产业。 

据《海南日报》报道,中航三鑫旗下的海南中航特玻材料有限公司的高端玻璃生产基地落户海南。一期生产基地总占地面积641亩,共有4条被作为省重点项目的生产线。 

其中,1号线为电子薄片玻璃生产线改造工程,2号线为超白太阳能TCO玻璃生产线改造工程,3号线为全氧燃烧生产在线Low-E镀膜节能玻璃生产线,4号线为航空及高铁玻璃生产线,均为日产600吨的大项目。 

中国自主研制生产的C919样机曾使用中航三鑫生产的航空玻璃。中航三鑫方面表示,截至目前尚未形成规模,后续订单进一步确认中。多位民航业内人士看来,样机不能代表最终商用,中国航空玻璃生产实力有待提高。

依托中国民机生产,航空玻璃等中国零部件企业有望打破欧美公司的垄断,但要掌握最先进的技术与设备,道路仍然漫长。臧曙光表示,民机制造商可以让航空玻璃生产商从小件做起,积累经验,逐步培养壮大对国产产品的信心,然后才壮大产业。(责编/杨佩谦)

本文首刊于2018年6月11日出版的《财经》杂志

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作者: admin

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