这其实都是些血和泪的教训

世界上第一架喷气式客机彗星客机由英国德·哈维兰公司制造并投入使用,采用0.5cm铝制蒙皮包覆,飞行高度可达10000米。

彗星客机的出现和使用本标志著民航飞机步入喷气时代,但1953年至1954年期间,「彗星」1型客机接连发生了3次坠毁事故,导致彗星客机停飞。大大打击了人民对喷气式客机的热情,有不少报社,砖家对喷气式飞机提出了质疑,人是否可以适应如此高速的巡航,现在看来这些都是啪啪的打脸……

彗星客机失事调查随之展开,由于彗星可飞行于万米高空,机舱的加压是必不可少的,但请注意!!!频繁的加压使得结构金属疲劳,对没错,我说的就是窗框,大家可以把图片放大,彗星的窗框是方形,应力集中于四角四角的金属疲劳尤为严重,容易产生裂纹,最后裂纹开裂,客舱失压,机毁人亡……

飞机里一堆匪夷所思的规定和设计,其实很多都是航天航空史里血和泪的教训,这些教训帮助飞机飞的更快更高更安全,保障著我们的出行。(图来自real engineering,由评论区纠正)

以下来自百度百科

1954年1月10日,一架英国海外航空公司(BOAC)的「彗星」1型客机(航班编号781号)从义大利罗马起飞飞往目的地英国伦敦。飞机起飞后26分钟,机身在空中解体,坠入地中海。飞机上所有乘客和驾驶舱乘员全部遇难。这次事故震惊了全世界,英国成立了专门的调查组调查事故。该型停飞两个月。由英国海外航空公司总裁保证不会出事后时隔不久,另一架彗星客机也发生了同样的空中解体事故,坠毁在义大利那不勒斯附近海中。在一年的时间里,有3架彗星客机在空中解体坠毁。

「彗星」号空难事件的调查,一方面由英国政府组织打捞失事的「彗星」号残骸和遇难者的尸体进行研究。检查发现,死者肺部有因气体膨胀而引起的破裂伤痕,说明内部气压突然减小,使人肺内气体急骤膨胀而破裂。打捞出来的飞机残骸中,在飞机舷窗发现有裂痕。这个事实支持了尸检得出的结论。另一方面的调查由德·哈维兰公司主持,对正在生产和已经停飞的「彗星」号客机逐个进行严格的检查,并将一架飞机放在水槽中进行试验,对水反复加压,加大流速,模拟飞机在空中高速飞行时受到各种影响。这项实验进行了9000多个小时,发现飞机蒙皮发生了裂痕,与失事飞机残骸上的裂痕一样。最后得出的结论是:「彗星」号飞行中由于飞机上的金属部件产生裂纹并扩展而造成了解体事故。产生这种裂纹的原因是由于高空飞行的「彗星」客机使用增压座舱,长时间飞行频繁起降使结构反复的承受增压和减压引发飞机铝制蒙皮的金属疲劳。

「彗星」号空难事件原因是当时对于金属疲劳并没有多少认识,飞机设计并没有相应的对策,使飞机结构上产生裂纹并扩展。对事故的调查让航空界开始重视对于压力反复变化对飞机结构影响和研究金属疲劳问题,为后来飞机研制解决金属疲劳问题打下了基础。例如彗星客机最初采用方形舷窗,使用加压客舱的客机多次起降,在方形舷窗拐角处会出现金属疲劳导致的裂隙。后来客机舷窗采用圆形或设计有很大的圆角,是为了减小应力集中,提高金属疲劳强度。


更新一哈:

感谢评论区的用户所做的补充

航空事业发展中血和泪的教训是在太多,无法一一列出,我选了以下几个说明

  1. 乘务员在起飞前强调的救生衣,机舱内不可充气。

1996 年11月23日,由衣索比亚飞往肯亚的衣索比亚航空公司767-260型飞机ET961,在飞行过程中被劫持,飞机在接近葛摩的印度洋上燃料耗尽而坠毁,机上175名乘客和机组人员,有125人遇难。

海边的游客所拍下的

飞机以320km/h在海上迫降,在此之前机师曾以广播的方式告知乘客不得在机舱内充气救生衣,但仍有不少乘客将之充气,机舱入水后,由于救生衣巨大的浮力,将乘客牢牢卡在机舱天花板上,从而溺死……事故中只有50人生还,本可以有更多,但是却因为救生衣机舱内充气成了「夺命」衣而遇难……

2. 禁止托运锂电池

2010年9月3日 美国联合包裹运输公司747-400F(SCD)全货机,在迪拜机场起飞不久,驾驶舱出现烟雾,不久坠毁,2名飞行员丧生。

美国联合包裹运输公司747-400F(SCD)

调查人员发现,在飞行途中,货舱中所搭载的81000颗锂电池起火,导致飞机操作困难,机组人员只能用自动驾驶维持平衡。机长打算返回迪拜,但烟雾慢慢笼罩了驾驶舱,使机组人员看不清仪表盘。大火迅速蔓延,使得机长的氧气罩无法提供氧气,机长在摸索备用氧气罩的过程中,被浓烟呛倒,失去意识。

此时,仅剩副驾驶独自驾驶飞机,驾驶舱的烟雾太浓,使其无法更改通信频率。在飞出巴林的雷达信号后,巴林的航管员只得获取阿布扎比的航管员提供的飞行数据,然后通过另一架飞机转告。

尽管如此,飞机最后还是在迪拜的一个军事基地附近坠毁,2名机组人员死亡,但是副驾驶在最后时刻避开了迪拜的居民区,避免了更大伤亡。

本次事故导致美国政府对航空货运实行新的限制措施,并实行锂电池包装新方法。该措施将包括对锂电池包装的新要求及对锂电池和电子产品运输的限制。UPS在事后不仅设计了一款全新的货柜,能够抵挡住更加剧烈的大火,而且引进了全罩式氧气面罩(单手带上只需要三秒)以及EVAS(视景增强保护系统,Enhanced Vision Assurance System,这套系统会提供一个全密闭的气囊,即使驾驶舱被浓烟笼罩也可以看清仪表及窗外)。


持续更新………


客机窗户本来不是圆的。比如著名的1936年进入市场的,早期客机中的佼佼者,道格拉斯DC3,窗户就是方形的。一众当今的小型轻型客机窗户也是方的,比如塞斯纳208。

一架1945年生产的道格拉斯DC3,现价只要100万美元哦。
一架崭新的塞斯纳208,请看这扇窗,它又方又宽。

如上图所示,从老古董DC3(我国前几年购买了一架几十年机龄的DC3改型飞机改装后用于南极科考,命名为雪鹰601,实在是老骥伏枥啊。)到小伙子cessna208,都使用了方形窗户。仔细看看,真的很方。

不过,我们平常乘坐的喷气式客机窗户的形状是非常圆润的。这其中的原因,还要从一个民航史上的惨剧说起。请看图:

德·哈维兰公司制造的彗星客机原型机,看到它方形的窗户了吗?

上图是历史上第一款喷气式民航客机的原型机,是英国德·哈维兰公司设计制造的,公司将其命名为彗星。1943年,二战的结局已经基本定调,英国决定著手研究如何应对未来英国的航空需求,提出制造一款直飞横跨大西洋、载荷一吨以上、能以640km/h飞行的增压客舱的飞机。德·哈维兰公司大胆提出使用当时饱受质疑的喷气式发动机作为这款新型飞机的动力,公司老板德·哈维兰利用个人影响力,成功击败螺旋桨飞机的方案,拿下了这一项目。1949年7月,彗星飞机进行了首飞。随后的试飞非常顺利,到1951年1月就投入市场,进行了第一次商业飞行,民航业从此迈入了喷气时代。

可惜好景不长,从1953年3月到1954年4月这短短一年多的时间,彗星客机就发生了四次严重坠机事故,机上无一人幸存,其中三起被认为是飞机设计的缺陷导致的。为找到事故原因,调查团队展开了研究。

彗星客机是一架客舱增压的喷气式飞机,能够在13000米的高空以740km/h的速度巡航。喷气式飞机能够在高空中飞行,但人却不能生存在高空中,因为高空气压极低,极为寒冷,缺乏氧气。在这样的高空飞行,客舱必须增压才行。比如,我们常乘坐的喷气式客机的机舱会维持海拔2600m左右的气压,即便飞机飞行在海拔13000m的高空。

调查团队通过对飞机残骸的分析,发现飞机蒙皮开裂导致事故的嫌疑极大。而由于客舱增压,在飞行中机身内外的压力差会对机身内壁施加很大的力。调查人员随后对一架全尺寸慧星客机进行增压实验。这架飞机已经在空中积累了1221次增压,并在实验的水箱中继续进行了1836次内部增压循环。最后,在测试中,当压力增加到通常压力的133%时,飞机蒙皮发生了撕裂,在飞机的多个窗口拐角发现了金属疲劳导致的裂纹。调查人员认为这是飞机最先开始破裂的地方。

测试时在飞机逃生窗发现的裂纹
在自动测向器窗口发现的裂纹

不仅如此,在裂纹不断生长的过程中,遇到了连接飞机不同部件的铆钉孔洞和供承力梁穿过的机身框架切口进一步扩大了开裂的范围,导致飞机在空中就发生了解体。

铆钉孔和框架的切口导致开裂进一步恶化

调查的结论是,飞机在飞行中机体反复承受飞机内外压力差导致的应力变化,在应力集中的地方发生了严重的金属疲劳,最后这些地方变得非常脆弱,无法承受正常飞行产生的机身变形而开裂,裂纹快速扩大导致飞机坠毁。

物体受力,力会集中在物体的孔洞、裂缝、拐角等地方。我们手撕薯片袋,袋子从来不会从锯齿的尖端撕开,而永远是从锯齿的底端撕开;我们撕一张纸,将纸对折就能轻易地从折痕处整齐地撕成两半。而我们扯卫生纸,卫生纸也都从打孔的地方断开——这就是由于力会集中在薯片袋锯齿的底端、纸的折痕处、卫生纸的打孔处的原因。当飞机机体受力,力也会集中在窗户的拐角、铆钉的孔洞等地方。所以,如果这些地方的开口边缘太过尖锐而又不增加其强度,就很容易由于受力过大而产生裂纹。而较为缓和的形状,如圆形,则能很好地向四周分散这种应力,不至于使其集中于一处(当然,完全不设置窗户强度更高,但乘坐体验就很差了)。彗星客机的事故,正是设计人员没有充分考虑到这一点导致的。

后来,德·哈维兰吸取教训,对机体进行了改进,窗户也改为了圆形。虽然我们制造飞机使用的材料性能越来越好,但将窗户设计成接近圆形或具有大圆角的形状能在保证窗孔强度的情况下节省材料减轻重量(不需要过分增加窗角部位的强度),后来制造的客机也都沿用了这一做法。不仅在飞机上,凡是会受到很大应力而又要打洞的地方,也都是用圆滑的形状,譬如船舱窗户、飞船窗户、隧道等。

一架彗星4B,注意其圆咚咚的窗户。

737-800的窗户从里面看还是挺方的?

但从外面看窗户就圆润多了。

虽然德·哈维兰是现代客机的先驱,但这些开创性的飞机糟糕的安全记录和较差的经济性最终还是搞垮了这家公司。有时候,创新的代价不仅仅是金钱,也是生命。

回到开头提到的DC3和塞斯纳208。它们之所以使用方形窗户,是因为它们的机舱不加压,飞机也较小较轻,不用承受那么大的应力。而方形窗户却能带来宽阔的视野,飞机内也更能接受自然光。


well,客机的窗户一直都不是圆的而是长方形呀

客机的窗户是长方形,边缘是圆角,而不是直角
客机的窗户是长方形,边缘是圆角,而不是直角

就像高票dalao举的例子,上世纪五六十年代,民航客机进入高空高速的喷气时代以后,高空飞行时客舱加压,窗户的直角边因为应力集中导致金属疲劳而发生机身开裂

出了几次空难以后就把窗户边缘拐角给改成圆润的圆角了

包括驾驶舱的前挡风玻璃,也是方形圆角

驾驶舱玻璃拐角处也都是圆滑角度

目前我所知道飞机上圆形的窗户,只有飞机舱门上的观察窗

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评论区有两位知友认为这个窗户是椭圆而不是方形圆角,我想了一下,大概知道怎么回事了,你们看到的是飞机内饰窗户,比如下图,可以看到平时旅客看到的窗户其实是内饰部分

被拆开的飞机内部,可以看到窗户的洞是开在机身表面上的

比如下面这两张空客A320的窗户从里往外看是椭圆形

但是飞机机身上开的窗户就是方形圆角的。内饰是可以根据航空公司定制做成椭圆形或者其他形状都没问题的,比如下面这张就是飞友乘坐东航A320青海号拍的照片,这个就是最大化了的飞机窗户内饰,长方形圆角,怎么看都不是椭圆吧

而从飞机外面看,机身上的窗户,就是长方形,拐角处做了圆角处理

中国商飞董事长张庆伟到北京航空材料研究院调研,正在查看飞机舷窗样品

你们看这个舷窗的四个边都是直线,怎么都跟椭圆扯不上关系吧

@末城via @帅的不明显


应力集中。


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