学长科普讲堂(八):带你了解川航3U8633航班事故原因

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何利华，1999级飞行器环境与生命保障工程专业本科生，2007年人机与环境工程专业硕士毕业。先后任职于中航工业航空附件研究所、中航商用飞机有限公司，曾从事航材供应链管理、飞机结构维修工程分析、地面支援设备设计等多个方向，目前任中国商飞上海飞机客户服务有限公司机场与空管技术研究所所长助理。

一、引言
2018年5月14日，四川航空公司3U8633航班（Airbus A319机型/ B6419）执行重庆至拉萨任务时，在成都区域巡航阶段，驾驶舱右座前挡风玻璃爆裂脱落（图1），飞机失压，旅客氧气面罩脱落，机组实施紧急下降。瞬间失压一度将副驾驶吸出机外，在驾驶舱失压，气温迅速降到零下40多摄氏度（当时飞机飞行高度为32000英尺）、仪器多数失灵的情况下，机长刘传健凭着过硬的飞行技术和良好的心理素质，在民航各保障单位密切配合下，机组正确处置，飞机于2018年5月14日07:46分安全备降成都双流机场，所有乘客平安落地。
事件发生后，中国民航局组织相关单位对事件从多方面开展了调查，也形成了调查报告，本文仅从飞机设计和维护的角度来分析此事件。


图1 风挡玻璃脱落后的A319飞机

二．风挡玻璃适航要求

在适航规章CCAR25.775条款中对风挡结构完整性和相关系统失效有关的为(d)款：增压飞机的风挡和窗户必须根据高空飞行的特殊因素来设计，包括持续和循环增压载荷的影响、所用材料的固有特性、温度和温差的影响。在装置本身或有关系统中发生任何单个破损后，风挡和窗户玻璃必须能经受住座舱最大压差载荷与临界气动压力和温度影响的联合作用。可以假定在出现（按25.1523条规定的）飞行机组易于发现的单个破损后，座舱压差从最大值按相应的使用限制下降，使飞机能以不大于4500米的座舱压力高度继续安全飞行。

同时，在25.773条款中也对驾驶舱的视界做出了规定，要求对具有防止风挡和窗户玻璃内侧起雾的措施。

三．风挡玻璃的设计

3.1 风挡玻璃结构设计

空客A319机型所用的风挡玻璃来自于供应商Sully，该款风挡玻璃广泛用于A300/A310/A320/A330/A340等机型上。

空客系列飞机风挡玻璃由钢化玻璃、树脂夹层、Z型板、气象封严、封严硅胶、接线盒等组成（图2）。风挡玻璃的三层钢化玻璃中，外层为约3mm厚的物理钢化玻璃，中层和内层为8mm厚的化学钢化玻璃，玻璃层之间有聚氨酯夹层、PVB（聚乙烯醇丁醛）夹层，外层钢化玻璃的内侧安装有导电加温膜。中层和内层的钢化玻璃器主要结构承力作用，能够抵抗冰雹和鸟击损伤。风挡通过3片金属压板（上、下和公用的中鼻梁），使用螺栓固定安装在机身结构上。





图2 风挡玻璃结构示意图

3.2 风挡玻璃防冰除雾系统

空客系列飞机风挡系统由左右2个子系统组成（图3），每个子系统包括1块风挡、1个滑动窗、1个固定窗，1台风挡加温计算机（WHC）。其中WHC1对应左侧，WHC2对应右侧。风挡温度调节和窗温度调节是独立的，电加温系统在发动机启动时自动启动，也可通过开关按钮来进行控制。在结冰或有雾的情况下，通过电加热确保风挡和窗的透视度。



图3 风挡防冰除雾系统原理图

加温膜（图4）夹在外层玻璃与聚氨酯层之间，由一种全透明柔性膜加上特殊的电阻电路组成，其工作原理类似电热毯，电流通过电阻丝产生热量来加热，避免风挡起雾结冰。



图4 风挡加温膜结构示意图

右风挡的电加温接线盒（图5）位于风挡的左下角，接线盒内的导线由6根导线组成，分别为2根加温电源导线和4根温度传感器信号线，加温线额定功率3400W。



图5 接线盒的导线布置图

3.3 密封要求

由于驾驶舱的视界透明度要求，因此需要对风挡玻璃采取加温除冰除雾（相对来说，旅客舱玻璃无此要求，因此设置了通气孔以防止反复增压压差导致结构损伤）。飞机座舱是循环加压，在飞机多次起降中要确保座舱空气中的水分不得进入外层玻璃，防止局部积水引起电加热系统失效或局部过热导致风挡玻璃破裂，因此对风挡玻璃提出了非常高的密封要求。

如图2所示，在风挡玻璃内两块成型聚硫密封的气象封严压实在外层玻璃，防止水分进入，再以Z型板覆盖气象封严以加强对水分进入和机械冲击的密封性，最后，在与飞机窗框结构安装时使用封严硅胶。制造或安装过程中对封严的损伤可能会导致飞机后续飞行过程中的水汽进入。

四．事件调查

事件发生后，按照国际民航组织（ICAO）附件13《航空器事故和事故症候调查》规定，由中国民航局（CAAC）负责，组织法国民航安全调查分析局（BEA）、Airbus结构完整性实验室、供应商Sully及其他相关机构共同发起事故调查，基于驾驶舱语音记录器（CVR）、数字式飞机综合数据系统记录器（DAR）、数字式飞行数据记录器（DFDR）等机载数据，结合当时航路、机场气象条件，以当事A319飞机的设计、制造、维护数据为基础，全面调查机组人员资质与训练情况、同类型飞机相似产品、空中管制情况，开展对事故飞机的详细检查，并开展各种实验室测试和仿真计算。

在3U8633航班事故中，飞机右侧风挡的两层8毫米承力玻璃在5秒内相继破裂，仅剩的外层钢化玻璃根本无法承受舱内外巨大的气压差，最终在35秒后破裂，风挡整体迅速从安装框脱落并飞出（图6）。由于事发突然，副驾驶被气流吹袭带离座位并同时身体触碰右侧操纵杆导致飞机状态急剧变化，左侧机长无法佩戴氧气面罩，驾驶台右侧的130VU控制面板整体飞出，飞控组件FCU翘起，同时存在直流汇流条（DC BUS）断电、自动刹车失效、飞行指引2断开、三块扰流板失效等问题，这些关键系统的故障直接威胁飞机的着陆安全。在风挡玻璃脱落后，第二机长及时赶到处置，但驾驶舱面临迅速减压、缺氧、低温、高风速、高噪音等一系列恶劣条件，进一步增大了操作困难。在着陆后，对驾驶舱的检查发现副驾驶座位后面的120VU面板受损，大量跳开关被驾驶舱门撞击弹出，导致其他一系列系统的故障。





图6 翘起的FCU面板和缺失的130VU面板

在历时2年的调查后，调查组给出结论（航空器严重症候调查报告SWCAAC-SIR-2018-1），结合图7示意图进行解释，本次事件的最大可能原因是：B-6419号机右风挡封严（气象封严或封严硅胶）可能破损，风挡内部存在空腔，外部水汽渗入并存留于风挡底部边缘。电源导线被长期浸泡后绝缘性降低，在风挡左下部拐角处出现潮湿环境下的持续电弧放电，电弧产生的局部高温导致双层结构玻璃破裂，风挡不能承受驾驶舱内外压差从机身爆裂脱落。



图7 风挡结构内水汽存留空腔

五．事故借鉴

民航规章，尤其是CCAR25部《运输类飞机适航标准》，其中每一条规章的要求都是民用航空近百年来历次事故经验教训的总结。此次事件发生后，飞机制造商更新了AFM（飞机飞行手册）、FCOM（机组操作手册）和QRH（快速参考手册）、AIPC（飞机图解零件目录）等手册；风挡玻璃供应商加强生产质量管控，防止生产过程中密封不严、留有空隙；航空公司升级现有飞机的机载设备，改进运行程序。但是，飞机主制造商和监管方应该清楚明白，这是设计、制造和维护方面的一系列问题：

从1997年12月到2009年11月，空客A320/A330/A340共发生过6起风挡双层结构玻璃破裂事件，电弧放电产生的局部过热是主要肇因之一，其中两起事故更是直接发现了水汽入侵证据，这些事件并未引起监管方的足够重视，没有明确其完全破裂的后果。事件之后风挡制造商Sully在2018年8月到2019年5月对返修的A320系列风挡进行检查，结果是298块风挡中有31块存在水汽侵入接线盒的情况。设计上，飞机主制造商Airbus未考虑风挡加温系统失效对风挡结构完整的影响；作为监管方，EASA在按照JAR25修正案11的ACJ25.775(d)进行适航审定工作时，也未考虑此失效模式。

作为国产飞机制造商，该事件对我们的借鉴在于要从飞机的设计、制造和维修等全过程予以重视：

（1）对于飞机风挡玻璃结构完整性的影响评估因素应充分考虑各种可能的失效模式，提高风挡玻璃的设计、选材和制造工艺，研究可能的电弧探测和防护功能，提高飞机设计安全性。在国产飞机的适航符合性表明中，采取了说明性文件（MOC1）和试验室试验（MOC4）的方法，对主风挡玻璃开展了鸟击、静强度（含极限压力试验、破损安全试验）、疲劳试验等试验，特别是在静强度试验设计时，考虑了风挡玻璃生产可变性、材料特性、长周期降解和环境因素等对每块玻璃结构层的影响容差，引入了2.0的载荷系数来确保安全，同时也对密封工艺重新设计。

（2）严格把控制造工艺过程管控，提高生产质量，确保飞机制造符合设计标准和工艺规范要求，这点是对于供应商的质量管控和生产现场的管理的要求。
（3）加强维修性设计能力和制定合理的维护程序。由于风挡玻璃的特殊结构，其失效模式不同于常见的金属和复合材料结构，定期的结构完整性检查任务难以合理制定，通常需要通过实验室测试要从风挡内部局部变色、内层玻璃表面气泡数量等不同的角度评估局部放电可能性及对结构完整性的影响，以制定合理的检查程序和周期，确保运营安全。在结构完整性方面，针对国产飞机风挡玻璃我们已在允许损伤标准中制定了关于玻璃分层、气泡、泛黄变色、剥离、划痕等可接受的最大损伤值，不仅仅是只考虑透明度的影响，更加注重可能由湿气侵入导致的变色和剥离。另外，也需要关注的是固定螺栓的尺寸（包括长度）和安装力矩要求，防止维护差错。
文字：何利华
编辑：张兴娟