单说说飞机吧,目前大部分喷气式客机的舷窗都是“长方形倒圆角”设计,并不是圆形啊,见下图:
看到了吧,就是长方形在四个角做了圆弧过渡而已。这种设计现代看来是一个很简单的结构力学问题,但是当年可是付出了“两次严重空难,一家航空巨头衰落,英国首相丘吉尔为此蒙羞”的惨痛代价换来的。故事我们前后再说,我们先看几个方形窗户的例子:
上图这架螺旋桨飞机大长方窗户,视野一定很棒棒吧?F-117“夜鹰”隐身战机乱入,虽然人家这不能叫舷窗,但是这长方形的窗户,大大的尖角还是很吸引人呐。唔,这架客机的尖角方窗户,各位应该也是看的很清楚啦。下面我们将正式开启喷气式客机圆角窗户“悲惨”的升华之路。
本该逆袭扬眉吐气,结果灰头土脸经过二战洗礼的大英帝国,已经遍体鳞伤,这头被北美野牛和俄国毛熊夹在中间的不列颠小毛驴仍然倔强的不愿意认输。在当时,虽然军用航空技术已经蓬勃的发展起来,但是民用航空领域却依然惨淡,大多民客都是军机改装而成。颠簸的飞行旅程、螺旋桨的噪音、恶劣的乘坐环境,都让绝大多数人拒绝乘坐民用客机。这个时候,英国航空巨头哈维兰公司站了出来,率先将喷气式发动机技术从军用领域应用到民机上,这样子喷气式客机的开山之作“彗星”(上图)就诞生了。该机安装四台喷气式发动机,能够飞上12000米高空进去平流层,避免恶劣天气造成的颠簸,时速接近800公里/小时,这样一下子就将当年一帮螺旋桨客机远远甩在了身后。同时,彗星客机开创性的使用了加压客舱来对抗高空的低气压,这项技术直到今天仍然被各种客机采用。客舱内舒适豪华(上图),平稳又舒适的乘坐体验,一下子就成为“达官显贵”们追捧的对象,各国订单纷至沓来,本来照这样发展下去,那还有日后波音的事儿。结果在前景一片看好的时候,危机也潜伏在幸福之中。
1954年1月10日,一架“彗星”客机从罗马飞往开罗,在途径额尔巴岛上空时,飞机空中解体,机上乘客全部遇难。政府命令该型客机停飞,但是受到航空公司压力,仅仅两个月后就解除了停飞令。
1954年4月,彗星使客机再次从罗马起飞,然而再次于万米高空解体,坠入大海,乘客全部遇难。时隔三个月,相同的高度,类似的失事方式,让意大利人慌了,英国政府急了,哈维兰公司怕了,巨大的压力之下,英国首相丘吉尔下令皇家航空研究院介入调查,查明原因,挽回帝国声誉。结果又是建模型、坐加压水槽模拟机身负荷、试验机身蒙皮的疲劳寿命,一帮科学家+技术人员终于找到了答案:客机的舷窗开口本来就要让蒙皮结构承受更大的应力,而加压客舱造成的内外压力差又产生额外的应力,方形窗户的尖角处又会造成应力集中(局部应力增高),在交变应力的作用下,舷窗尖角处会快速产生金属疲劳,然后产生裂纹,再然后蔓延发展最终造成飞机解体。发现问题的根源以后,哈维兰公司立马着手改进舷窗形状,就是上图圆形。但是公司的声誉再也无可挽回,这也给了美国航空公司崛起的机会。
当然在我们今天看来,这是个很小的问题,在零部件可能发生集中的部位要倒圆角,采用圆弧过渡是一个机械设计方面的基本知识,但是飞机舷窗上发现这个问题却付出了如此惨痛的代价,令人唏嘘。此外,圆形虽然在某些方面是受力最均匀的形状,但是并不是客机这类特殊机体上开口的最优形状,这也就是今天我们见到的客机舷窗并非纯圆形的原因。至于其中的具体原理,我们以后再讲。