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大型輪船上的窗戶,為什麽都要設計成圓形的呢?

單說說飛機吧,目前大部分噴氣式客機的舷窗都是“長方形倒圓角”設計,並不是圓形啊,見下圖:

看到了吧,就是長方形在四個角做了圓弧過渡而已。這種設計現代看來是壹個很簡單的結構力學問題,但是當年可是付出了“兩次嚴重空難,壹家航空巨頭衰落,英國首相丘吉爾為此蒙羞”的慘痛代價換來的。故事我們前後再說,我們先看幾個方形窗戶的例子:

上圖這架螺旋槳飛機大長方窗戶,視野壹定很棒棒吧?

F-117“夜鷹”隱身戰機亂入,雖然人家這不能叫舷窗,但是這長方形的窗戶,大大的尖角還是很吸引人吶。

唔,這架客機的尖角方窗戶,各位應該也是看的很清楚啦。下面我們將正式開啟噴氣式客機圓角窗戶“悲慘”的升華之路。

本該逆襲揚眉吐氣,結果灰頭土臉

經過二戰洗禮的大英帝國,已經遍體鱗傷,這頭被北美野牛和俄國毛熊夾在中間的不列顛小毛驢仍然倔強的不願意認輸。在當時,雖然軍用航空技術已經蓬勃的發展起來,但是民用航空領域卻依然慘淡,大多民客都是軍機改裝而成。顛簸的飛行旅程、螺旋槳的噪音、惡劣的乘坐環境,都讓絕大多數人拒絕乘坐民用客機。

這個時候,英國航空巨頭哈維蘭公司站了出來,率先將噴氣式發動機技術從軍用領域應用到民機上,這樣子噴氣式客機的開山之作“彗星”(上圖)就誕生了。該機安裝四臺噴氣式發動機,能夠飛上12000米高空進去平流層,避免惡劣天氣造成的顛簸,時速接近800公裏/小時,這樣壹下子就將當年壹幫螺旋槳客機遠遠甩在了身後。

同時,彗星客機開創性的使用了加壓客艙來對抗高空的低氣壓,這項技術直到今天仍然被各種客機采用。客艙內舒適豪華(上圖),平穩又舒適的乘坐體驗,壹下子就成為“達官顯貴”們追捧的對象,各國訂單紛至沓來,本來照這樣發展下去,那還有日後波音的事兒。

結果在前景壹片看好的時候,危機也潛伏在幸福之中。

1954年1月10日,壹架“彗星”客機從羅馬飛往開羅,在途徑額爾巴島上空時,飛機空中解體,機上乘客全部遇難。政府命令該型客機停飛,但是受到航空公司壓力,僅僅兩個月後就解除了停飛令。

1954年4月,彗星使客機再次從羅馬起飛,然而再次於萬米高空解體,墜入大海,乘客全部遇難。

時隔三個月,相同的高度,類似的失事方式,讓意大利人慌了,英國政府急了,哈維蘭公司怕了,巨大的壓力之下,英國首相丘吉爾下令皇家航空研究院介入調查,查明原因,挽回帝國聲譽。結果又是建模型、坐加壓水槽模擬機身負荷、試驗機身蒙皮的疲勞壽命,壹幫科學家+技術人員終於找到了答案:

客機的舷窗開口本來就要讓蒙皮結構承受更大的應力,而加壓客艙造成的內外壓力差又產生額外的應力,方形窗戶的尖角處又會造成應力集中(局部應力增高),在交變應力的作用下,舷窗尖角處會快速產生金屬疲勞,然後產生裂紋,再然後蔓延發展最終造成飛機解體。

發現問題的根源以後,哈維蘭公司立馬著手改進舷窗形狀,就是上圖圓形。但是公司的聲譽再也無可挽回,這也給了美國航空公司崛起的機會。

當然在我們今天看來,這是個很小的問題,在零部件可能發生集中的部位要倒圓角,采用圓弧過渡是壹個機械設計方面的基本知識,但是飛機舷窗上發現這個問題卻付出了如此慘痛的代價,令人唏噓。此外,圓形雖然在某些方面是受力最均勻的形狀,但是並不是客機這類特殊機體上開口的最優形狀,這也就是今天我們見到的客機舷窗並非純圓形的原因。至於其中的具體原理,我們以後再講。