《中國機長》的玻璃事故是怎么回事?
2019-10-02 19:35

《中國機長》的玻璃事故是怎么回事?

文章來自微信公眾號:出行一客(ID:carcaijing),作者:陳亮 文龍鑫,責編:楊佩謙


預熱了很久的《中國機長》終于正式上映了。


2018年3U8633航班遭遇險情那天,牽動了無數人的心,這是一次可以被稱之為奇跡的特情處置。因此當它被搬上熒幕,整個民航業的從業人員都懷揣著頗高的期望。


俗話說“外行看熱鬧,內行看門道”,很多觀眾在觀影時只知道是3U8633的玻璃破碎導致了后續一系列險情的發生,但是卻少有人知道這架飛機是空客A319機型,脫落的風擋玻璃由法國圣戈班供應。


除此之外,還有更多值得深思的點。比如,玻璃為什么會碎裂?川航的這次玻璃事故是偶然嗎?這些都是需要從更加專業的視角來回答的問題。


玻璃為什么會破裂?


航空玻璃是飛機的重要組成部分,不僅起到透明件的作用,主要涉及維持飛機氣動外形、客艙增壓的功能。按照安裝位置,它可以分為駕駛艙玻璃和客艙的舷窗玻璃。


所有的航空玻璃被裝機應用之前,都需要進行一系列嚴格測試,必須具有抗撞擊、抗裂紋等性能。


為了達成上述功能,駕駛艙的風擋玻璃須由多層玻璃組合而成。一般熱鋼化玻璃是最外層,中層和內層為化學強化玻璃,層與層之間用PVB(聚乙烯醇縮丁醛)或PU(聚氨酯)或PVB+PU結合在一起。這樣的設計是為了增加抗撞擊能力。


▲ 川航事故圖 / 東方IC


風擋玻璃在結構強度上需要做三方面驗證:


  1. 極限強度驗證;

  2. 破損安全驗證;

  3. 疲勞驗證。


一位從事客機風擋玻璃工作的技術專家告訴出行一客,對于設計運行高度不超過13700米的機型,風擋玻璃作為增壓艙的構成部分,應能夠承受1.33倍的座艙泄壓閥最大設定值的壓力;而且考慮1.5倍的安全系數,還需要額外采用系數2來覆蓋材料性能波動、長期使用的性能衰退、環境條件的影響。因此,為證明風擋的這一極限承載能力,需要在1.33×1.5×2=4倍的泄壓閥最大調定值壓力下(考慮泄壓閥的壓力容差上限)試驗考核。


此外,當風擋玻璃本身發生任何一層破損后,要求風擋必須能經受住座艙最大壓差載荷與臨界氣動壓力的承載能力,并考慮溫度的影響;因此為證明風擋的破損安全能力,需要在僅剩一層相對薄弱的完好結構層玻璃的情況下,用座艙最大使用壓差和最大氣動壓差疊加后壓差的2倍載荷進行試驗考核。


上述專家表示,特殊風險中,風擋要證明扛得住1.8公斤的鳥在飛機最大海平面巡航速度下的撞擊,保證不穿透,且至少內層玻璃不會產生傷害飛行員的飛出物。


除防撞擊外,風擋玻璃還要具有除冰除霧的功能。因此,最外層鋼化玻璃的內側還裝有透明的導電覆蓋膜-加熱膜,該裝置是為了幫助風擋玻璃除冰。內層玻璃中間則裝有除霧裝置。


按照上述情況來看,同濟大學航空與力學學院教授沈海軍告訴出行一客,風擋玻璃破裂可能存在四大原因。一是高速運動中的外來物撞擊,例如鳥、冰雹等;二是窗框及安裝緊固件問題;三是玻璃質量問題;四是加熱系統故障。


根據民航局通報的情況,川航3U8633航班是在正常爬升至9800米高空時,駕駛艙右座前風擋玻璃突然破裂并脫落。9800米高度接近于平流層,沈海軍表示,在如此的高度,存在飛鳥、冰雹外部撞擊物的可能性很低。


但這個可能性目前仍不能完全排除,上述風擋玻璃專家向出行一客表示,成都-拉薩航線就曾發生過高空鳥撞。


▲ 圖源 / 新華社


窗框及安裝緊固件問題也可能存在。這位專家介紹,由于川航事件中,風擋窗框、壓板、緊固件完好保留在原位置,未有任何窗框、緊固件缺陷的跡象。“可能的原因是在安裝過程中,沒有完全按照風擋安裝的設計要求,從而導致風擋玻璃有較高的強迫裝配應力,并可能造成了風擋玻璃的局部損傷。飛機在長期飛行過程中,遇到某一較高的壓差載荷、飛行載荷和強迫裝配應力組合,超過破裂強度故而發生突然破裂,或者初始缺陷部位疲勞損傷累積,最終導致突然破裂。”


據了解,川航3U8633航班脫落的右側風擋玻璃為該機原裝件,投入運營至事發前,未有任何故障記錄。如果此次脫落調查后確屬安裝問題,那么事故責任很可能歸咎于空客總裝中心。


玻璃質量問題也不容忽視。此次出現事故的飛機為空客319型號飛機,屬于空客A320系列,2011年交付川航。如果出廠時存在瑕疵,在長年累月的飛行中,也可能因疲勞負載導致瑕疵出現問題。


川航3U8633航班的風擋玻璃由法國圣戈班集團生產。圣戈班(中國)投資有限公司方面告訴出行一客,這是一次極為罕見的事故。中國民航局已組織相關方面展開調查,在正式調查結果發布前,不便接受任何采訪。



加熱系統是否存在故障,同樣是調查重點。風擋玻璃中間添加了加熱膜,如果加熱系統故障,可能存在局部短路、電弧(注:一種氣體放電現象,不僅對觸頭有很大的破壞作用,而且使斷開電路的時間延長)問題,進而導致飛機風擋玻璃破裂。


這一問題亦有先例。2013年10月,中國民航局曾發布適航指令,要求檢查和更換固定窗戶的風擋加熱接頭。CAD2012-MULT-02R1適航指令指出,幾家運營人報告,在巡航階段發現數起駕駛艙出現燒焦氣味和(或)出現煙霧的情況。調查發現,這些事件的原因是圣戈班公司生產的風擋接頭末端塊燒焦。涉及A330和A340相關機型。


上述風擋玻璃技術專家表示,飛行員對于何時更換駕駛艙玻璃更有話語權。如果出現輕微劃傷或者磨損,按手冊檢查后,確認符合繼續使用的條件,飛行員、簽派放行人員有可能不要求更換玻璃。一般情況下,駕駛艙玻璃的使用壽命可達十年。


客艙舷窗玻璃,相比沒有駕駛艙的玻璃具有如此高強度的負載能力,但同樣具有抗壓力等功能,而且一般為雙層玻璃。以往多起舷窗玻璃破裂的事故,大都由外物撞擊而引起。


歷史上的航空玻璃事故


歷史上也有類似的航空玻璃事故先例,最廣為人知的便是1990年英國航空公司發生的事故。兩年后的調查結果顯示主因是維修管理不善。


英國航空公司BAC1-11 5390航班1990年6月10日早晨7點20分從伯明翰國際機場起飛,飛往西班牙馬拉加。在英國牛津郡迪德科特上空17300英尺處,飛機機頭左邊的風檔玻璃破裂脫落,機長被吸出窗外,掛在機身外側,駕駛艙內三名驚慌失措的空服人員抱著他的雙腿。最終在副駕駛的操作下,7點55分飛機成功降落在英國南安普敦機場。



事故發生后,英國航空事故調查處聯合其他相關部門(空中交通管制處、民航局、皇家空軍航空醫學研究所)組成事故調查組,對航班信息、機組人員、飛機受損、氣象條件、飛機通訊和記錄設備、醫療病理等信息進行了全面審查,以下是調查重點和方法。


調查組首先進行了模擬測試和研究,對風擋玻璃上的固定螺釘規格、大小、面積進行檢測,檢驗了修理風擋玻璃的螺絲刀。


其次對飛機的適航性認證進行了審查,內容包括:BAC One-Eleven飛機的型號合格,飛機維修的要求,航空公司質量標準,維修工程師許可證,公司授權,維修手冊。


再次對英國航空公司的基礎設施進行了檢驗,從航空公司質量監督體系、質量監督體系中的管理角色、質量審查過程、維修控制程序、地勤報告內容進行了徹底調查。


最后調查了英國航空公司在伯明翰的管理組織,包括組織的職責、組織的設備設施、航空站、庫存管理程序、質量保證實踐培訓、伯明翰使用的E1022程序等。


調查組歷時兩年完成調查。英國民航局向出行一客提供的調查報告顯示,英航5390號班機出事前27小時曾更換風擋玻璃。調查員發現,安裝在風擋玻璃里的90顆螺絲釘中,84顆的直徑為0.026英寸(1毫米),要比標準的小;其余的6顆長度是0.1英寸(3毫米),則比標準的短,加上受到艙內氣壓減小的影響,最終導致玻璃的破碎脫落。


調查員透露,當時英國維修部門的工程師因為工作負荷量大,挑選部件時多以肉眼經驗“盡量相似”為準則,而沒有參考飛機的維修檔案和倉管人員意見,導致事故發生。



除了上述直接原因外,英國民航局認為還有間接原因。調查組認為,維修任務的安全性沒能得到高度重視,因為固定螺釘的質量僅由一個人負責,而且配件安裝后直接飛行、沒有經過測試。


飛機輪班維修經理在風擋玻璃安裝過程中護理不善,存在不良交易行為,不遵守公司標準和使用不合適設備,影響了維修的質量以及對故障的判斷。而英國航空公司地方管理部門,沒有監測到輪班維修經理采用的產品樣本和質量審計不符合標準,因為他們沒有直接監控輪班維修經理的工作。


被壟斷的玻璃市場


這些罕見事故折射了航空玻璃安全問題,也讓更多人了解到中國民航產業零部件生產的短板。


全球航空玻璃供應基本由三大國外廠商壟斷,分別是法國的圣戈班集團、英國的GKN公司(LSE:GKN)以及美國PPG公司(NYSE:PPG)。


圣戈班集團旗下的圣戈班蘇利公司(Saint-Gobain Sully)擔任航空玻璃生產任務。其在50多年間為全球的干線客機、噴氣飛機、支線客機、直升機、戰斗機等航空器提供玻璃制品。


▲ 圖源 / 圣戈班公司官網


圣戈班蘇利公司的主要客戶是空客公司和俄羅斯的伊爾庫特飛機公司。空客A320家族、A330、A340、A380以及伊爾庫特的MS21均采用圣戈班生產的航空玻璃。中國也是圣戈班一大業務發展地。據出行一客了解,圣戈班是中國商飛的III類供應商,中國商飛生產的ARJ21型號飛機采用的就是圣戈班生產的航空玻璃。


英國GKN公司則是歐洲大陸另一大航空玻璃生產巨頭。GKN旗下的GKN Aerospace業務分布于歐洲和美國。產品主要涉及航空結構、推進系統以及航空玻璃。GKN公司目前客戶有波音、空客以及多家飛機運營商。


三巨頭中的美國PPG公司在1927年就為福特Tri-Motor飛機提供窗戶。此后一直為軍方提供玻璃面板。目前空客、波音、巴航工業以及龐巴迪這全球四大飛機制造商都是PPG公司的客戶。


中國的飛機產業也正加速發展中,必然帶動上下游產業鏈的崛起。但是在航空玻璃生產領域,還沒有出現突破。


相較于汽車玻璃等玻璃制品,航空玻璃生產難度極高。GKN公司方面告訴出行一客,航空玻璃的技術壁壘主要在于如何保證透明度要求。飛機風擋玻璃需要在非常干凈的環境中進行層壓,以確保最小的光學缺陷。此外,航空玻璃成形也是一門獨特技術,需要特殊的烤箱、真空室,以及五軸機等工具。


基于上述技術壁壘的存在,全世界航空玻璃生產屈指可數。


中國建筑材料科學研究總院玻璃科學研究院副院長臧曙光在接受出行一客采訪時表示,該院在上世紀50年代就能生產航空玻璃,中國航發旗下621所也能生產航空玻璃。當時的軍機和運7等民機均采用上述兩家單位生產的航空玻璃。


然而由于中國民機事業的波折,民用航空玻璃生產商一直缺乏實際應用經驗。


國外飛機生產商不會來中國選取供應商,一般就地取材。更主要的是,民用航空玻璃涉及適航認證的問題,國外供應商都已經通過美國聯邦航空安全局或者歐洲航空安全局的認證,無上述機構適航認證過的中國玻璃生產商,無法進入國際巨頭的供應商名單。


臧曙光認為,如果國內民機采用國產航空玻璃,并通過適航認證,中國航空玻璃生產商就能打入市場。


首先,飛機設計單位要給玻璃企業技術要求,玻璃企業提供設計方案并制造樣件。然后完成各種測試與考核。在裝機試飛后取得試飛結論。玻璃企業可以單獨或隨飛機取得適航證。獲得適航部門認可,并頒發證書后,該產品才能裝到相應機型上。在過程中適航部門均要提前介入。


不過,中國民機事業剛剛重新起步,對于各個部件的可靠性要求比較高。中國航空玻璃缺乏實踐經驗,可靠性方面沒有充足數據來印證,因此,中國民用飛機的玻璃供應仍來自國外巨頭。


▲ C919大客機內部,已有國產玻璃被用于C919舷窗 / 東方IC


近年來,中航工業旗下的中航三鑫股份有限公司(002163.SZ,下稱“中航三鑫”)成為特種玻璃生產新軍。成立于1995年的中航三鑫重點發展特種玻璃深加工與技術、幕墻工程與通航機場、光伏玻璃和光伏工程三大產業。


據《海南日報》報道,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產基地落戶海南。一期生產基地總占地面積641畝,共有4條被作為省重點項目的生產線。


其中,1號線為電子薄片玻璃生產線改造工程,2號線為超白太陽能TCO玻璃生產線改造工程,3號線為全氧燃燒生產在線Low-E鍍膜節能玻璃生產線,4號線為航空及高鐵玻璃生產線,均為日產600噸的大項目。


中國自主研制生產的C919樣機曾使用中航三鑫生產的航空玻璃。中航三鑫方面表示,截至目前尚未形成規模,后續訂單進一步確認中。多位民航業內人士看來,樣機不能代表最終商用,中國航空玻璃生產實力有待提高。


依托中國民機生產,航空玻璃等中國零部件企業有望打破歐美公司的壟斷,但要掌握最先進的技術與設備,道路仍然漫長。臧曙光表示,民機制造商可以讓航空玻璃生產商從小件做起,積累經驗,逐步培養壯大對國產產品的信心,然后才壯大產業。

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