客機窗戶本來不是圓的。比如著名的1936年進入市場的,早期客機中的佼佼者,道格拉斯DC3,窗戶就是方形的。一眾當今的小型輕型客機窗戶也是方的,比如塞斯納208。
如上圖所示,從老古董DC3(中國前幾年購買了一架幾十年機齡的DC3改型飛機改裝後用於南極科考,命名為雪鷹601,實在是老驥伏櫪啊。)到小夥子cessna208,都使用了方形窗戶。仔細看看,真的很方。
不過,我們平常乘坐的噴氣式客機窗戶的形狀是非常圓潤的。這其中的原因,還要從一個民航史上的慘劇說起。請看圖:
上圖是歷史上第一款噴氣式民航客機的原型機,是英國德·哈維蘭公司設計製造的,公司將其命名為彗星。1943年,二戰的結局已經基本定調,英國決定著手研究如何應對未來英國的航空需求,提出製造一款直飛橫跨大西洋、載荷一噸以上、能以640km/h飛行的增壓客艙的飛機。德·哈維蘭公司大膽提出使用當時飽受質疑的噴氣式發動機作為這款新型飛機的動力,公司老闆德·哈維蘭利用個人影響力,成功擊敗螺旋槳飛機的方案,拿下了這一專案。1949年7月,彗星飛機進行了首飛。隨後的試飛非常順利,到1951年1月就投入市場,進行了第一次商業飛行,民航業從此邁入了噴氣時代。
可惜好景不長,從1953年3月到1954年4月這短短一年多的時間,彗星客機就發生了四次嚴重墜機事故,機上無一人倖存,其中三起被認為是飛機設計的缺陷導致的。為找到事故原因,調查團隊展開了研究。
彗星客機是一架客艙增壓的噴氣式飛機,能夠在13000米的高空以740km/h的速度巡航。噴氣式飛機能夠在高空中飛行,但人卻不能生存在高空中,因為高空氣壓極低,極為寒冷,缺乏氧氣。在這樣的高空飛行,客艙必須增壓才行。比如,我們常乘坐的噴氣式客機的機艙會維持海拔2600m左右的氣壓,即便飛機飛行在海拔13000m的高空。
調查團隊透過對飛機殘骸的分析,發現飛機蒙皮開裂導致事故的嫌疑極大。而由於客艙增壓,在飛行中機身內外的壓力差會對機身內壁施加很大的力。調查人員隨後對一架全尺寸慧星客機進行增壓實驗。這架飛機已經在空中積累了1221次增壓,並在實驗的水箱中繼續進行了1836次內部增壓迴圈。最後,在測試中,當壓力增加到通常壓力的133%時,飛機蒙皮發生了撕裂,在飛機的多個視窗拐角發現了金屬疲勞導致的裂紋。調查人員認為這是飛機最先開始破裂的地方。
不僅如此,在裂紋不斷生長的過程中,遇到了連線飛機不同部件的鉚釘孔洞,進一步擴大了開裂的範圍,導致飛機在空中就發生瞭解體。
調查的結論是,飛機在飛行中機體反覆承受飛機內外壓力差導致的應力變化,在應力集中的地方發生了嚴重的金屬疲勞,最後這些地方變得非常脆弱,無法承受正常飛行產生的應力而開裂,裂紋快速擴大導致飛機墜毀。
物體受力,力會集中在物體的孔洞、裂縫、銳角等地方。我們手撕薯片袋,袋子從來不會從鋸齒的尖端撕開,而永遠是從鋸齒的底端撕開;我們撕一張紙,將紙對摺就能輕易地從摺痕處整齊地撕成兩半。而我們扯衛生紙,衛生紙也都從打孔的地方斷開——這就是由於力會集中在薯片袋鋸齒的底端、紙的摺痕處、衛生紙的打孔處的原因。當飛機機體受力,力也會集中在窗戶的拐角、鉚釘的孔洞等地方。所以,如果這些地方的開口邊緣太過尖銳而又不增加其強度,就很容易由於受力過大而產生裂紋。而較為緩和的形狀,如圓形,則能很好地向四周分散這種應力,不至於使其集中於一處(當然,不設定窗戶強度最高,但乘坐體驗就很差了)。彗星客機的事故,正是設計人員沒有充分考慮到這一點導致的。
後來,德·哈維蘭吸取教訓,對機體進行了改進,窗戶也改為了圓形。雖然我們製造飛機使用的材料效能越來越好,但將窗戶設計成接近圓形或具有大圓角的形狀能在保證窗孔強度的情況下節省材料減輕重量(不用特意增加窗角部位的強度),後來製造的客機也都沿用了這一做法。不僅在飛機上,凡是會受到很大應力而又要打洞的地方,也都是用圓滑的形狀,譬如船艙窗戶、飛船窗戶、隧道等。
雖然德·哈維蘭是現代客機的先驅,但這些開創性的飛機糟糕的安全記錄和較差的經濟性最終還是搞垮了這家公司。有時候,創新的代價不僅僅是金錢,也是生命。
回到開頭提到的DC3和塞斯納208。它們之所以使用方形窗戶,是因為它們的機艙不加壓,飛機也較小較輕,不用承受那麼大的應力。而方形窗戶卻能帶來寬闊的視野,飛機內也更能接受自然光。
客機窗戶本來不是圓的。比如著名的1936年進入市場的,早期客機中的佼佼者,道格拉斯DC3,窗戶就是方形的。一眾當今的小型輕型客機窗戶也是方的,比如塞斯納208。
如上圖所示,從老古董DC3(中國前幾年購買了一架幾十年機齡的DC3改型飛機改裝後用於南極科考,命名為雪鷹601,實在是老驥伏櫪啊。)到小夥子cessna208,都使用了方形窗戶。仔細看看,真的很方。
不過,我們平常乘坐的噴氣式客機窗戶的形狀是非常圓潤的。這其中的原因,還要從一個民航史上的慘劇說起。請看圖:
上圖是歷史上第一款噴氣式民航客機的原型機,是英國德·哈維蘭公司設計製造的,公司將其命名為彗星。1943年,二戰的結局已經基本定調,英國決定著手研究如何應對未來英國的航空需求,提出製造一款直飛橫跨大西洋、載荷一噸以上、能以640km/h飛行的增壓客艙的飛機。德·哈維蘭公司大膽提出使用當時飽受質疑的噴氣式發動機作為這款新型飛機的動力,公司老闆德·哈維蘭利用個人影響力,成功擊敗螺旋槳飛機的方案,拿下了這一專案。1949年7月,彗星飛機進行了首飛。隨後的試飛非常順利,到1951年1月就投入市場,進行了第一次商業飛行,民航業從此邁入了噴氣時代。
可惜好景不長,從1953年3月到1954年4月這短短一年多的時間,彗星客機就發生了四次嚴重墜機事故,機上無一人倖存,其中三起被認為是飛機設計的缺陷導致的。為找到事故原因,調查團隊展開了研究。
彗星客機是一架客艙增壓的噴氣式飛機,能夠在13000米的高空以740km/h的速度巡航。噴氣式飛機能夠在高空中飛行,但人卻不能生存在高空中,因為高空氣壓極低,極為寒冷,缺乏氧氣。在這樣的高空飛行,客艙必須增壓才行。比如,我們常乘坐的噴氣式客機的機艙會維持海拔2600m左右的氣壓,即便飛機飛行在海拔13000m的高空。
調查團隊透過對飛機殘骸的分析,發現飛機蒙皮開裂導致事故的嫌疑極大。而由於客艙增壓,在飛行中機身內外的壓力差會對機身內壁施加很大的力。調查人員隨後對一架全尺寸慧星客機進行增壓實驗。這架飛機已經在空中積累了1221次增壓,並在實驗的水箱中繼續進行了1836次內部增壓迴圈。最後,在測試中,當壓力增加到通常壓力的133%時,飛機蒙皮發生了撕裂,在飛機的多個視窗拐角發現了金屬疲勞導致的裂紋。調查人員認為這是飛機最先開始破裂的地方。
不僅如此,在裂紋不斷生長的過程中,遇到了連線飛機不同部件的鉚釘孔洞,進一步擴大了開裂的範圍,導致飛機在空中就發生瞭解體。
調查的結論是,飛機在飛行中機體反覆承受飛機內外壓力差導致的應力變化,在應力集中的地方發生了嚴重的金屬疲勞,最後這些地方變得非常脆弱,無法承受正常飛行產生的應力而開裂,裂紋快速擴大導致飛機墜毀。
物體受力,力會集中在物體的孔洞、裂縫、銳角等地方。我們手撕薯片袋,袋子從來不會從鋸齒的尖端撕開,而永遠是從鋸齒的底端撕開;我們撕一張紙,將紙對摺就能輕易地從摺痕處整齊地撕成兩半。而我們扯衛生紙,衛生紙也都從打孔的地方斷開——這就是由於力會集中在薯片袋鋸齒的底端、紙的摺痕處、衛生紙的打孔處的原因。當飛機機體受力,力也會集中在窗戶的拐角、鉚釘的孔洞等地方。所以,如果這些地方的開口邊緣太過尖銳而又不增加其強度,就很容易由於受力過大而產生裂紋。而較為緩和的形狀,如圓形,則能很好地向四周分散這種應力,不至於使其集中於一處(當然,不設定窗戶強度最高,但乘坐體驗就很差了)。彗星客機的事故,正是設計人員沒有充分考慮到這一點導致的。
後來,德·哈維蘭吸取教訓,對機體進行了改進,窗戶也改為了圓形。雖然我們製造飛機使用的材料效能越來越好,但將窗戶設計成接近圓形或具有大圓角的形狀能在保證窗孔強度的情況下節省材料減輕重量(不用特意增加窗角部位的強度),後來製造的客機也都沿用了這一做法。不僅在飛機上,凡是會受到很大應力而又要打洞的地方,也都是用圓滑的形狀,譬如船艙窗戶、飛船窗戶、隧道等。
雖然德·哈維蘭是現代客機的先驅,但這些開創性的飛機糟糕的安全記錄和較差的經濟性最終還是搞垮了這家公司。有時候,創新的代價不僅僅是金錢,也是生命。
回到開頭提到的DC3和塞斯納208。它們之所以使用方形窗戶,是因為它們的機艙不加壓,飛機也較小較輕,不用承受那麼大的應力。而方形窗戶卻能帶來寬闊的視野,飛機內也更能接受自然光。