CN105189286A - 用于空天飞行器的玻璃嵌板 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于适合亚轨道飞行和航空飞行的飞行器的玻璃嵌板，该玻璃嵌板包括外嵌板(1)、主嵌板(2)和内嵌板(3)，其中，外嵌板(1)由聚碳酸酯和铝硅酸盐制成并且耐高温；主嵌板(2)耐压并根据标准飞机安全系数定尺寸；内嵌板(3)为主嵌板提供冗余并定尺寸为具有最小的压力余量；外嵌板、主嵌板和冗余内嵌板通过空间(5，6)相互隔开。本发明还涉及一种飞行器，该飞行器包括应用该玻璃嵌板制成的风挡元件和舷窗。
Description
技术领域
本发明涉及用于空天飞行器的玻璃，并且特别涉及用于包括风挡和乘客窗的空天飞机型的空天飞行器的玻璃。
术语空天飞机涉及一种下述的运载工具，该运载工具能够像飞机一样在地球的大气层中运动，但是也能够进行亚轨道太空飞行，例如使用火箭发动机使其能够到达至少100千米的高度。一般来说，这种空天飞机在整个飞行包线中的最大速度不超过5马赫。
背景技术
根据定义，用于飞行器的玻璃意在允许乘客或者飞行人员看到飞行器的外面。
为此，这些玻璃嵌板不仅必须允许看到外面，而且还必须承受与飞行器的其他部分所承受的相同的环境和操作应力，因而抵抗飞行器穿过空气的向前运动，确保保持飞行器内部的压力，抵挡飞行期间遭受的诸如暴雨、冰雹、鸟击或者当在地面上时遭受的诸如碎石之类的各种外部攻击，耐受和过滤辐射，并且这些玻璃嵌板必须能够除冰，以及确保在故障事件中乘客的安全等。
关于用于民用和军用飞行器的玻璃，具有大量可用的数据和丰富的经验。通常，区分为两种类型的用于飞行器的玻璃：
-用于风挡和驾驶舱的玻璃，
-用于乘客(窗)的玻璃。
由于第一种类型的玻璃的位置在飞行器的前部处，因而其经受最大的
攻击。
包括若干层的风挡的产品从例如文献US2010/0020381A1、US2010/0163676A1、EP0322776A2中得知。
航空风挡的玻璃通常具有由玻璃层、具有乙烯基层的聚碳酸酯层或者丙烯酸层交替形成的多层结构。
这些层通过外围设备进行组装。
用于诸如空客A300、A320和A340飞行器之类的客机的风挡嵌板的已知示例具有由安全玻璃、用来隔离玻璃层的乙烯基夹层膜和将乙烯基夹层结合到玻璃层的聚氨酯夹层的3层结构以及除霜和防雾装置的特点。
大多数已知的风挡玻璃组件因而基于在多层安全玻璃与丙烯酸层之间包括固体夹层的多层结构。
这些多层结构的缺点是其不具有可由空气间隙或真空实现的热传导断裂区。总的来说，这些结构包括热传导壁。
对于乘客窗，已知的是通过组装两块玻璃板或者两块丙烯酸材料板形成抵抗客舱压力的玻璃，所述两块玻璃板或者两块丙烯酸材料板保持被周边密封件隔离以形成空气间隙，以及已知的是在内部添加丙烯酸或其他透明塑料的第三块板以形成隔热层并防止乘客触摸窗。
在这种布置中，内玻璃板中的小孔将空气间隙与飞行器的内部连接使得只有外玻璃板或外丙烯酸板承受压力差，内玻璃板在外板断裂的事件中提供故障安全保护。
由于两块玻璃板或两块同等材料板之间存在空气间隙，因此这些结构与多层结构相比提供了更好的隔热性。
太空飞行器遇到与航空飞机所遇到的不同的环境条件；特别地，设计为返回地球的太空飞行器暴露在甚至超音速飞行器不曾遇到的极端高温中。
此外，在太空中，射线更加强烈并且遍及电磁光谱的整个范围。而且，外部温度可以非常冷或非常热。更加精确地，这些壁可以取决于飞行器的壁是否暴露于阳光中而非常热(+150℃)或非常冷(-150℃)。
为此，这种玻璃的设计必须包括高度难熔的外壁，并且该玻璃组件必须是好的绝热体。
此外，飞行器在太空飞行期间可能遇到微小陨石。
用于阿波罗计划的太空舱的窗由通过二氧化硅制成的厚的外板和通过氧化铝/硅酸盐制成的两个内板组成。
外板意在承受在返回地球期间的冲击和热量，并且内板意在耐压，外板与内板之间的空间在轨道飞行阶段被置于真空中而内板之间的空间填充有加压的干燥氮气。
NASA航天飞机也包括三层板。前端的玻璃安装了固定在飞机的机身结构上大约16毫米厚的外隔热板、在外板破裂的事件中起保护作用的大约33毫米厚的故障安全中间板、以及16毫米厚度等级的耐压内板。中间板和内板通过密封件组装在一起，其不是组装在飞机机身上，而是组装在用于飞行人员的密封的隔室上。
中间板和外板由熔融的二氧化硅玻璃制成。
空天飞行器材料的选择是至关重要的，正如用于飞行器的整个结构的材料的选择。必须寻找具有尽可能最低的重量的技术效能。
于是重要的是基于想要构建的运载工具的特定需要选择材料。
因此，用于意在从地球轨道或者远于地球轨道处返回地球的太空飞行器的玻璃的外板必须由熔融的二氧化硅制成，二氧化硅高度难融但具有2.6的密度，一般玻璃的密度是2.5，而具有更大抗冲击性的聚碳酸酯的密度为1.1。
应当指出的是，虽然大气层飞行器可能遵从严格的认证标准和准则，这些认证标准和准则将会严重影响其元件的尺寸，但没有为太空飞行器限定认证标准或准则。
对于运行在大气层与轨道空间之间的区域的中间高度以及在重返大气层时将遇到极端温度的空天飞机而言产生了问题。
发明内容
因此本发明旨在限定用于空天飞机型的飞行器的最适宜的玻璃系统，该飞行器如传统的亚音速飞行器一样连续地运转，并且因此遵从传统民用飞行器的所有要求，特别是关于民用飞行器的认证，并且作为太空飞行器，遵从目前还没有建立的对真空和重返大气层的新要求。
确定的用于诸如执行亚轨道飞行的空天飞机之类的飞行器的风挡/窗的设计要求是：
-在重返大气层期间防止动力加热，尽管相对于轨道运载工具，在亚轨道飞行期间具有更小的动力加热，
-防止弹道飞行期间在风挡和窗两者上的微冲击、以及在航空飞行阶段期间对于风挡的航空型冲击。空天飞机相比于由火箭携带的太空舱更加暴露，这是因为空天飞机以水平状态进行更长时间的更长远的大气飞行以及由于空间飞机在陆地上起飞和着陆的事实。
此外，本发明的玻璃也必须是绝热的。它也必须吸收阳光和X射线以及抵抗高速的微小空间碎片。它必须在超大气层飞行阶段期间保护乘客免受太阳辐射(空间要求)。
这种玻璃当然必须在航空飞行期间和太空飞行期间都保持客舱与大气环境之间的压力差，在支承客舱压力的嵌板意外破裂的情况下保护运载工具，以及向压力嵌板提供故障安全保护以符合民用航空认证要求。
在确保所有的飞行阶段期间飞行员、航空要求和乘客能够清晰观察运载工具外面的同时，必须为窗提供免受来自乘客的内部攻击的保护；在具有乘客的太空飞行的背景中，风挡和侧窗必须在玻璃的所有层上配备除霜装置。
最后，系统的设计必须在重量方面进行最优化，正如任何的航空运载工具一样，尽管这种要求在空天飞机的背景下更重要。
最后，该玻璃必须至少满足如用于运输人的大气飞行器的玻璃的认证。
为此，本发明提出了用于适合亚轨道飞行和航空飞行的飞行器的玻璃，该玻璃包括由例如聚碳酸酯或铝硅酸盐制成的耐高温的外嵌板、耐增压压力的主嵌板、以及为主嵌板提供故障安全保护的内嵌板，其中外嵌板、主嵌板和故障安全内嵌板通过填充有气体的或空的空间彼此隔开，其中，主嵌板和内嵌板根据民用航空认证标准设计。
根据主嵌板和故障安全嵌板的第一实施方式，主嵌板与故障安全内嵌板之间的空间容纳有干燥空气或者干燥氮气以防止由于周围低温而产生的凝露。
根据主嵌板和故障安全嵌板的第二实施方式，主嵌板与故障安全内嵌板之间的空间被置于真空中。
根据主嵌板和外嵌板的第一实施方式，外嵌板与主嵌板之间的空间填充有空气的隔离层。
根据主嵌板和外嵌板的第二实施方式，外嵌板与主嵌板之间的空间被置于真空中。
根据主嵌板和外嵌板的第三实施方式，外嵌板包括位于其外表面与其内表面之间的至少一个压力平衡孔。
这种特别有利的实施方式完全消除了外嵌板上的压应力，因而外嵌板仅必须满足其冲击防护和热屏障功能。
有利地，主嵌板根据1993年1月29日的美国标准MILPRF-25690B由拉伸丙烯酸材料制成。
在玻璃形成乘客窗的情况下，增加了薄的附加的乘客保护嵌板以保护玻璃的功能性嵌板。
本发明的玻璃有利地包括位于主嵌板上的用以提供对太阳辐射的防护的一层或更多层膜。
本发明的玻璃有利地包括位于外嵌板的内表面上的至少一层除霜型加热膜以及优选地包括位于主嵌板的外表面上的至少一层除霜型加热膜(10)。
本发明的玻璃有利地包括位于内嵌板上的防雾型加热膜。
主嵌板优选地在耐压性方面具有至少4的安全系数。在特定实施方式中，主嵌板在耐压性方面具有至少8的安全系数。
内嵌板优选地在耐压性方面具有至少2的安全系数。在特定实施方式中，内嵌板在耐压性方面具有至少3的安全系数。
本发明应用于亚轨道飞行器，即到达大于100千米的高度并且具有3至5马赫的返回大气层速度的飞行器，该飞行器包括由根据上述限定的特征中的至少一个特征的玻璃制成的风挡和/或窗元件。
附图说明
在阅读参考附图做出的本发明的实施方式的非限制性示例的描述中，本发明的其他特点和优势将变得明显，其中在附图中示出：
图1：安装在夹紧组件中的本发明的玻璃；
图2：安装在两部分组件中的本发明的玻璃。
具体实施方式
在图1中于组装在适于通过夹紧固定的已知类型框架上的玻璃的范围内描述本发明，所述框架包括垫片100、101、103，其中，垫片101、103限定了玻璃嵌板、防水密封件105与Z形保持板104之间的空间5、6。
根据本发明，该玻璃包括外嵌板1，也称为外板，该外嵌板必须首先能够在返回大气层期间承受冲击应力和隔热耐热。
冲击指的是发生在航空领域的冲击，并且特别指的是鸟撞，但是也指在亚轨道飞行阶段中可能由诸如空间碎片之类的物体引起的冲击。
与大气飞机不同，乘客窗因高速的空间碎片可能以任何角度冲击飞行器而必须设计成具有高度的抵抗力，或者甚至具有与风挡玻璃相同的抵抗力。
与风挡的玻璃和窗的玻璃一样，对于提供了对于返回大气层期间过度加热的热防护以及对于冲击的防护的外嵌板而言，优选的材料是具有良好的抗冲击和耐高温性的Lexan(热塑聚碳酸酯)型聚碳酸酯。外嵌板的内表面和外表面必须被保护免受来自内部环境和外部环境二者的影响并且外嵌板应该覆盖有聚碳酸酯嵌板制造领域中已知的表面处理层或者防护层，例如抗紫外线表面处理层。
这样的并非双层的外嵌板通过空气层或分隔间隙层与其他嵌板隔离，所述空气层或分隔间隙层通过一个或者更多个小的压力平衡孔7与飞行器的外部相连。
在内侧上，本发明的玻璃包括第一内嵌板，也称为主嵌板2。
根据本发明，在外嵌板1与主嵌板2之间存在空间。该空间通过框架元件106和密封件101、109堆叠而形成或者在图1的情况中借助于外围密封件101形成。
这与诸如用于大气层飞机的在板之间的空间中填充有诸如乙烯基层的材料的玻璃的技术相反。
根据本发明，通过第二嵌板或主嵌板2来确保耐压性。该主嵌板的厚度和材料遵守关于耐压性的航空工业标准安全系数并且该嵌板优选地由丙烯酸材料制成。有利地，主嵌板根据1993年1月29日的美国标准MIL-PRF-25690B、取决于类型2的具有改善的耐湿性的情况由拉伸丙烯酸材料制成并定形或形成为板形式。这种材料允许嵌板的耐压性的安全系数相对于铸造丙烯酸减小一半。
在涉及主嵌板的事故的情况中，通过添加定尺寸为相对于所要支承的压力具有更低设计余量的第二内嵌板3来确保玻璃的耐受性。
返回大气层以外的飞行中的绝热通过两个耐压嵌板之间的空气间隙来确保。
为了确保内嵌板的故障安全功能，所述空间必须由处于与运载工具内部压力(0.8巴)相同的压力的气体进行密封。但是必须提供用于在所有飞行过程中保持该压力的保持装置，这不同于太空的解决方案，在太空中只有相隔很长周期的少量飞行。
适用于支承内部客舱压力的主嵌板和故障安全嵌板由丙烯酸材料制成。使用由丙烯酸材料制成的嵌板就重量方面而言是最适宜的，并且该材料在确保好的透明性的同时还允许过滤至少部分的X射线。
在窗的情况中，保护免受来自乘客的内部冲击是通过添加非常薄的嵌板4以保护如图2中所示的窗来确保的。
根据该图2，所述板以与图1中的板不同的方式紧固，这是因为第二内嵌板分开安装而外嵌板和主嵌板安装在通过夹紧装置107紧固到机身108上的框架106与围绕窗的框架111之间，框架111在接纳窗的孔的周围对所述机身108进行加强。
通过添加防护太阳膜8来完成对于太阳辐射的防护，根据示例，该防护太阳膜8被应用于主嵌板2的内表面。
此外，通过外嵌板的内表面和主嵌板的外表面上的除霜加热膜9、10来确保防霜。这些膜通过诸如图1中所示的轨道110的导电轨道而电连接。
该玻璃还包括在内嵌板上的膜或防雾涂层11，例如加热膜。
这些涂层是例如连接到电源的薄网或诸如已知的PPG工业公司的商标NESATRON的涂层。
内嵌板3还借助在内嵌板与压力载荷承载主嵌板2之间的间隙5中的充足的空气层来改善隔热性。
根据本发明的风挡或窗根据已知的允许玻璃迅速被移除的航空技术紧固到飞行器结构中。
简而言之，本发明涉及玻璃，该玻璃符合飞行器认证以及因此遵守适用标准的建议，以及因此遵守欧洲航空安全局关于民用飞行器的标准CS23："CertificationSpecificationsforNormal,Utility,Aerobatic,andCommuterCategoryAeroplanesCS-23Amendment320July2012"(“用于标准、实用、特技和通勤类飞机的认证规范CS-23，2012年7月20日，修正案3”)的引入适用于这种玻璃的安全系数的建议；并且遵守美国交通运输部的FAA(联邦航空局)的2003年1月17日的“咨询通告”建议ACNo.25.755-1，该咨询通告在§8a3中限定了关于超过极限的增大的载荷的程度的第一系数2，并且在8c5中限定了对于丙烯酸和聚碳酸酯的第二安全系数4以及对于拉伸丙烯酸的安全系数2，即，对于丙烯酸和聚碳酸酯的耐压性的故障安全系数是8，对于拉伸丙烯酸的耐压性的故障安全系数是4。
在没有空天飞机认证的情况下，所做的选择是根据上述民用航空标准决定主嵌板的尺寸。
但是，故障安全嵌板定尺寸为最低水平，即仅相对于极限载荷。
1993年1月29日的标准MIL-PRF25690B被用作用于取决于应用由拉伸丙烯酸制成并定形或形成为板形式的类型2的对于丙烯酸材料的材料规范。
因此可能获得飞行器认证以及，对于亚轨道飞行或轨道飞行部分，本发明计划添加适于承受热和冲击的特定的外嵌板。
对于具体的示例，采用根据适用认证标准限定的具有含2个嵌板的340x240毫米的窗并且其中外嵌板在整个压力之下的飞行器的情况。客舱和外部之间的公称压力差为0.582毫巴(mbar)(对于42000英尺的最大高度在8000英尺处增压)。
当外嵌板由聚甲基丙烯酸甲酯制成时，为了将美国交通运输部的FAA的2003年1月17日的“咨询通告”建议ACNo.25.755-1考虑在内，并因此具有至少8的安全系数，计算显示内嵌板必须具有10.16毫米的厚度，并且具有1.2毫米的挠曲。
在外嵌板出现故障的情况下，内嵌板被设计成只容忍极限客舱压力。内嵌板具有6.35毫米的厚度、大于2的安全系数、3的等级以将最大的挠曲限制至4毫米。
本发明的空天飞机的客舱玻璃(窗)设计为介于常规民用喷气动力运输飞行器的约束与环境约束以及由亚轨道运载工具运载的载荷之间的折中方案。
根据飞行器认证过程，适用于承受客舱压力的主嵌板通过有限元计算定尺寸为具有至少8的安全系数以及在其中心处具有1.2毫米的最大挠曲。
对于具有0.09平方米的表面积并承受0.750毫巴的常规客舱压力的嵌板，由拉伸丙烯酸材料制成的主嵌板的厚度为12.3毫米并且其整体重量为大约1.6千克。
内嵌板设计成在主嵌板出现故障时承受客舱压力，并且内嵌板设置为具有3的安全系数以与民用飞行器一致。
就与主嵌板相同的材料而言，7毫米的厚度提供了3的安全系数以及1千克的重量。
外嵌板适用于保护飞行器免受来自返回大气层时的热量以及在太空领域中的异物(微陨石)或者航空领域中的异物的损害。
根据本发明的一个方面，外嵌板对于窗和风挡二者定尺寸为一致并且根据在对于民用飞行器的欧洲航空安全局的标准CS-23：“CertificationSpecificationsforNormal,Utility,Aerobatic,andCommuterCategoryAeroplanesCS-23Amendment320July2012”(“用于标准、实用、特技和通勤类飞机的认证规范CS-23，2012年7月20日，修正案3”)的第23.775(h)(1)段中限定的将鸟撞标准考虑在内而制成。
这样，本飞行器的玻璃的外嵌板与民用飞行器风挡的外嵌板兼容。
对于在其飞行包线中速度不超过5马赫的亚轨道空天飞机，所选的材料是密度为1,160kg/m3的聚碳酸酯(LexanTM型)。
因此，外嵌板设计为来承受鸟击，使得在冲击期间的最大的挠曲不能导致外嵌板与主嵌板之间的接触。对于两个嵌板之间的5毫米的间隙，具有12毫米厚度，即，1.5千克的Lexan(莱克桑)嵌板是适合的。
驾驶舱窗——风挡——应用相同的过程进行设计，但是所需厚度明显取决于每个窗的表面积：对于每个窗的几何形状以及对于每个嵌板，必须应用有限元计算来确保限定的尺寸标准得到遵守。
这通常导致更大的厚度，这是因为风挡窗具有比客舱窗更大的尺寸。这些尺寸必须最优化使得不会显著地增大风挡嵌板的重量。
本发明不限于所示出的示例，并且具体地，可以将嵌板4与嵌板1至嵌板3组装以形成窗。
此外，本发明应用于能够达到更高速度的空天飞机。在这种情况下，适用于遇到的最高温度的铝硅酸盐型材料或熔融二氧化硅材料被用于外嵌板，主嵌板和内嵌板保持遵守飞行器标准的限定。
Claims (18)
1.一种适用于亚轨道飞行和航空飞行的飞行器的玻璃，其特征在于，所述玻璃包括耐高温的外嵌板(1)，耐增压压力的主嵌板(2)和用于为所述主嵌板提供故障安全保护的内嵌板(3)，其中，所述外嵌板、所述主嵌板和用于故障安全的所述内嵌板通过空的或填充有气体的间隙(5，6)彼此隔开，所述主嵌板和所述内嵌板根据民用航空认证标准所要求地定尺寸。
2.根据权利要求1所述的玻璃，其中，所述主嵌板与用于故障安全的所述内嵌板之间的所述间隙(5)容纳有干燥空气或者干燥氮气。
3.根据权利要求1所述的玻璃，其中，所述主嵌板与用于故障安全的所述内嵌板之间的所述间隙(5)被置于真空中。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的玻璃，其中，所述外嵌板与所述主嵌板之间的所述间隙(6)填充有一层隔离空气。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的玻璃，其中，所述外嵌板与所述主嵌板之间的所述间隙(6)被置于真空中。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的玻璃，其中，所述外嵌板(1)包括位于其外表面与其内表面之间的至少一个压力平衡孔(7)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃，其中，所述主嵌板(2)根据1993年1月29日的美国标准MILPRF-25690B中所要求地由拉伸丙烯酸材料制成。
8.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃，其中，所述玻璃形成乘客窗并且包括用于乘客保护的薄的附加嵌板(4)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃，其中，所述玻璃包括位于所述主嵌板上的用以提供对太阳辐射的防护的一层或更多层膜(8)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃，其中，所述玻璃至少包括位于所述外嵌板的内表面上的除冰加热涂层(9)。
11.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃，其中，所述玻璃至少包括位于所述主嵌板的外表面上的除冰加热涂层(10)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃，其中，所述玻璃包括位于所述内嵌板上的防雾加热膜(11)。
13.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃，其中，所述主嵌板对于耐压性具有至少4的安全系数。
14.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃，其中，所述主嵌板对于耐压性具有至少8的安全系数。
15.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃，其中，所述内嵌板对于耐压性具有至少2的安全系数。
16.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃，其中，所述内嵌板对于耐压性具有至少3的安全系数。
17.根据前述权利要求中任一项所述的玻璃，其中，所述外嵌板由聚碳酸酯或铝硅酸盐制成。
18.一种亚轨道飞行器，包括由根据前述权利要求中任一项所述的玻璃制成的风挡和/或窗元件。
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