Window arcing i inne przypadki

Przyjemność z lotu jest tym większa, im piękniejsze są widoki za oknem. Rzadko zastanawiamy się nad inną rolą i nad budową oszklenia samolotu. Przede wszystkim, jaki stosuje się materiał do wyrobu szyb. Oczywiście szkło, ale samo pojęcie szkła nie jest już tak oczywiste. Definicja książkowa mówi, że szkło jest to materiał w stanie stałym niekrystaliczny, czyli jego budowa jest nieuporządkowana. Ciało w stanie szklistym dąży do krystalizacji (poprzez siły międzycząsteczkowe), natomiast proces krystalizacji powstrzymywany jest przez lepkość. Uzyskanie stanu szklistego możliwe jest podczas gwałtownego schłodzenia cieczy. Wówczas materiał zmienia stan skupienia na stały, a molekuły utrzymują się w stanie nieuporządkowanym, gdyż nie zdążyła nastąpić krystalizacja. Stan szklisty można otrzymać także w przypadku metali.
 
Zasadniczo w technice wyróżnia się szkło naturalne powstałe z piasku kwarcowego oraz szkło akrylowe zbudowane z polimerów. Szkło naturalne stosowane w szybach, w pojazdach mechanicznych jest tak zwanym szkłem bezpiecznym. Pęknięte kawałki szkła bezpiecznego są małe, mają zaokrąglone krawędzie, czyli są mniej niebezpieczne, niż duże ostre tafle. Ponadto szkło naturalne jest także hartowane, co zwiększa jego wytrzymałość oraz może być zbrojone siatką metalową. W celu wzmocnienia szyb często wykonuje się je z kilku warstw. Wówczas pęknięcie jednej warstwy nie niszczy całej struktury szyby.

Technikę klejenia szyby z kilku warstw stosuje się również w przypadku szkła akrylowego. Zazwyczaj tak zwane pleksi, uważa się za znacznie bezpieczniejszy materiał i dużo bardziej elastyczny w użyciu. Wszystko to jednak, jak również wszelkie właściwości wytrzymałościowe, zależą od rodzaju mieszanki, z jakiej wytworzona została szyba oraz procesów technologicznych, jakim została poddana. Nie można więc jednoznacznie ocenić, który rodzaj szkła ma lepsze właściwości. Zdecydowanie szyba akrylowa cechuje się większą tendencją do zarysowań, mniejszą masą (co jest niezwykle istotne w lotnictwie) oraz znacznie łatwiejszą obróbką. Pleksi przy tym jest materiałem termoplastycznym. Szkło na potrzeby szyb lotniczych (jak i innych pojazdów na przykład samochodów, czy pociągów), jak wspomniano, klei się z kilku warstw używając przy tym żywicy, bądź specjalnej folii „sklejającej” tafle szkła.

Właściwości szyby poprawia się nie tylko ingerencją w strukturę materiału, ale również powierzchniowo poprzez nakładanie odpowiednich powłok: antyrefleksyjnych, antyelektrostatycznych oraz hydrofobowych etc. Powłoki mogą również zapobiegać zarysowaniom tafli.

Oszklenie kabiny ma znaczący wpływ na bezpieczeństwo, zwłaszcza w dużych samolotach transportowych, w których podczas lotu ciśnienie jest dużo wyższe niż na zewnątrz. Pęknięcie szyby może skutkować dekompresją kabiny i katastrofą statku powietrznego. Różnica ciśnień w samolotach wpływa na pracę materiału szyby oraz połączenia szyby z kadłubem (szyba może zostać nawet wyrwana). Pęknięcia powstają z różnych powodów. Przyczyną może być zmęczenie materiału, różnica temperatur i ciśnień, wady konstrukcyjne i także awaria elementu grzejnego. Awaria elementu grzejnego powoduje tak zwane „window arcing”, pęknięcie będące następstwem łuku elektrycznego, przepięcia.

Window arcing; źródło: http://www.komonews.com/news/boeing/97391059.html

Nie można pominąć kwestii zderzenia samolotu z ptakiem. Zasadniczo około 50 % zderzeń ptaków z samolotem uszkadza silniki. Dzieje się tak z powodu ciągu silnika, który powoduje zasysanie zwierząt. Pomimo rzadkości zjawiska, oszklenie kabiny musi wytrzymać zderzenie z ptakiem. FAA posiada specjalną maszynę przeznaczoną do tego typu testów. Maszyna wyrzuca martwego kurczaka w kierunku szyby samolotu z tak dobraną prędkością, by zasymulować zderzenie tych dwóch obiektów w czasie lotu. Brytyjczycy w ten sposób próbowali testować szybę szybkiego pociągu. Kurczak zniszczył szybę i większość kabiny maszynisty, wówczas FAA wykonało ekspertyzę na prośbę inżynierów, która wykazała, że przed próbą kurczak powinien być rozmrożony.

Zderzenie samolotu z ptakiem

Wspomniany test wytrzymałości podczas zderzenia z ptakiem nie jest jedynym, jakim poddaje się szybę. Szyba wprowadzona do produkcji musi mieć znane wartości wytrzymałości, ponieważ jednak nie można założyć, że uzyskano wyniki zakładane w projekcie, konieczne jest przeprowadzenie testów. Szkło hartowane sprawdza się pod względem odporności na zmianę temperatury i naprężenia wywołane mechanicznie. Poniższy filmik przedstawia test na wytrzymałość na zginanie tafli szkła:

Zanieczyszczone szkło hartowane może mieć też tendencje do samoistnego pękania. Z tego powodu przeprowadza się tak zwany HST (Heat Soak Test). Polega on na kilkugodzinnym podgrzewaniu szkła do temperatury około 300 stopni, następnie przetrzymaniu w danej temperaturze przez kilka do kilkunastu godzin i schłodzeniu do temperatury pokojowej. Tak przygotowana szyba nie powinna samoistnie pękać. Metoda ta wymaga zastosowania specjalnego pieca. Konieczne jest również przeprowadzenie badania szkła bezpiecznego. Zależnie od rodzaju szkła sprawdza się, czy po rozbiciu tafla rozpada się na małe, zaokrąglone  kawałki lub czy rozbija się, ale kawałki się nie rozsypują. Pokazuje to następny filmik:

Trudno jest ocenić, jak często występują przypadki pęknięcia oszklenia kabiny, ponieważ wpływ na to ma wiele czynników. Samo pęknięcie jest niejako skutkiem pewnych zdarzeń. Można więc rozważać błędy konstrukcyjne, materiałowe, uszkodzenie instalacji, zdarzenia losowe jako przyczyny pęknięć szyb. Jednak każde z tych zagadnień jest także odrębnym tematem i jest badane osobno. Zdarzenia losowe takie, jak zderzenie z ptakiem można rozpatrywać jako równie prawdopodobne w przypadku każdego lotu. Jeśli zaś chodzi o pozostałe przyczyny to należałoby brać pod uwagę konkretne modele samolotów, które mają mniejsze lub większe „skłonności” pod względem konstrukcyjnym do tego rodzaju awarii.

Przy okazji rozważania tego tematu, warto wiedzieć, że w Dreamlinerze japońskich linii ANA miał miejsce także przypadek pękniętej szyby. Tego typu uszkodzenie może skutkować niebezpiecznym wypadkiem i nawet niewinnie wyglądająca rysa, może w locie zmienić się w pajęczynę pęknięć. Pilot powinien zgłosić uszkodzenie i, jeśli to możliwe, wylądować awaryjnie. Trudno jest ocenić skalę pęknięcia wielowarstwowej szyby, dlatego konieczne jest zachowanie ostrożności i możliwie zachowawcze podejście. Uszkodzona szyba powinna zostać naprawiona przed kolejnym lotem.

Przykładowi producenci:
http://www.triumphgroup.com/
http://www.lpaero.com/index.html
http://www.msaaircraft.com/index.php?page=home.php
http://www.apioptics.com/index.htm 

Zapraszam do podzielenia się własnymi doświadczeniami w tej sprawie poniżej.