АВИАЦИОННОЕ ЛАМИНИРОВАННОЕ ОСТЕКЛЕНИЕ С МИНИМАЛЬНОЙ ДЕФОРМАЦИЕЙ В СЛУЧАЕ ПОЛОМКИ ВСЕХ ЕГО СТЕКЛЯННЫХ ЛИСТОВ
AVIATION LAMINATED GLAZING WITH MINIMAL DEFORMATION IN THE EVENT OF BREAKING OF ALL GLASS SHEETS THEREOF

Авиационное остекление самолета, к которому предъявляются требования стойкости к столкновениям с птицами и герметичности (например, в гражданской авиации), должно выдерживать поломку одного из структурных слоев остекления: поломка одного из слоев не должна приводить ни к потере остекления, ни к разгерметизации кабины. Слой означает один лист, составляющий ламинированное остекление; это может быть лист стекла или лист полимерного материала. Структурный слой означает лист, имеющий толщину, достаточную для того, чтобы рассматривать его в качестве способствующего твердому состоянию, механической прочности и пределу прочности структуры.
Никакие нормативные документы не требуют устойчивости ламинированного остекления в случае поломки всех стеклянных слоев. Однако в рамках тенденции к увеличению безопасности полетов это требование может быть добавлено некоторыми конструкторами.
Выполненное из стекла остекление особенно склонно к рискам разгерметизации в случае поломки всех стеклянных слоев.
Авиационное остекление представляет собой ламинированное остекление, состоящее из листов стекла или листов полимерных материалов (обычно полиметилметакрилата (PMMA) авиационного качества), или из листов стекла и полимерных материалов, собранных вместе с помощью клеевых прослоек (термопластичных промежуточных слоев, таких как поливинилбутираль (PVB) или полиуретан (PU)).
В случае выполненного из стекла остекления устойчивость к столкновениям с птицами обеспечивается двумя толстыми стеклами с очень высоким напряжением разрушения. Это высокое напряжение разрушения может быть получено путем интенсивной термической закалки, но намного более предпочтительно путем химического упрочнения.
Имеются два структурных слоя, так что в случае поломки (независимо от причины) одного из этих стекол остекление сохраняет свою стойкость к внутренней герметизации кабины и продолжает обеспечивать ее герметизацию.
Остекление, называемое закрепляемым болтами остеклением (с болтовым соединением между остеклением и структурой (корпусом самолета)), для которого остекление интегрально соединяется со структурой самолета, является нечувствительным или не очень чувствительным к поломкам всех слоев. В нем имеется промежуточный слой, который в этом случае действует как мембрана, которая раздувается без разрушения, гарантируя герметизацию. Закрепляемое болтами остекление может иметь структурные слои из полимерного материала и поэтому напрямую просверленные для крепления к структуре, или структурные слои, выполненные из стекла, к которым просверленные вставки (из металла и/или композита) присоединяются на периферии, обеспечивая соединение со структурой.
Закрепляемое зажимом остекление соединяется со структурой только путем зажима периферийного уплотнения этого остекления. В случае поломки всех слоев жесткость остекления падает, и такое остекление рискует быть выбитым.
Закрепляемое болтами остекление является дорогим, поскольку:
- авиационный PMMA является дорогим материалом;
- связывание вставок со стеклянным остеклением является сложным.
Кроме того, соединение болтами приводит к высокому механическому напряжению остекления за счет деформирования структуры вследствие герметизации самолета.
Выполненное из стекла остекление имеет высокое, предпочтительно химическое, упрочнение. Это упрочнение создает сжатие поверхностей стекла, и неизбежно натяжение его сердцевины. Это натяжение увеличивает общее разрушение стекла в случае локального инициирования разрушения. Чем выше напряжение в сердцевине, тем сильнее стекло разбивается на мелкие части; после разрушения всех слоев, ламинат из клейких веществ промежуточного слоя и разбитого стекла становится намного более сгибаемым.
Поэтому существует противоречие между требованием стойкости к столкновению с птицами, которое требует интенсивного армирования стекла, и потребностью в сопротивлении давлению в случае разрушения всех слоев.
Когда структурная часть ламинированного остекления состоит из внешнего стеклянного листа (со стороны внешней атмосферы) и из внутреннего стеклянного листа (например, со стороны кабины самолета), и когда это ламинированное остекление подвергается столкновению с птицами, та поверхность ламинированного остекления, которая принимает удар, деформируется, образуя вогнутость и создавая сжимающее напряжение; а противоположная поверхность ламинированного остекления деформируется другим образом, образуя выпуклость и создавая растягивающее напряжение. Тем не менее, стекло хорошо работает при сжатии, даже без упрочнения; и наоборот, необходимо упрочнять стекло, имеющее поверхность, деформируемую под растяжением. Таким образом, именно внутренний структурный лист подвергается высоким механическим напряжениям растяжения, а внешний структурный лист значительно меньше подвергается нагрузкам. Тем не менее, присутствие этого менее напряженного внешнего стеклянного листа делает механически более жестким ламинированное остекление и ограничивает напряжение внутреннего стеклянного листа.
Настоящее изобретение заключается в дифференциации механических свойств двух структурных слоев путем предпочтения:
- высокого напряжения разрушения (и, следовательно, нежелательности разрушения на малые части) для слоя со стороны кабины, наиболее подвергающегося напряжению слоя во время столкновения с птицами;
- большой фрагментации на внешнем структурном слое самолета (не очень подвергаемом напряжению во время столкновения с птицами), чтобы ограничить деформации, связанные с давлением в случае разрушения всех стеклянных слоев.
Эта цель достигается настоящим изобретением, одним предметом которого является, следовательно, ламинированное остекление для транспортного средства или сооружения, отличающееся тем, что оно содержит внутренний структурный стеклянный лист, имеющий поверхностное сжимающее напряжение 400-1000 МПа с глубиной обмена 100-500 мкм, предпочтительно равной по меньшей мере 150 мкм, и внешний структурный стеклянный лист, имеющий поверхностное сжимающее напряжение 50-300 МПа с глубиной обмена 50-100 мкм, при условии, что произведение этих двух величин равно самое большее 25000 МПа.мкм.
В случае столкновения с птицами внутренний структурный стеклянный лист, который является единственным, по существу подвергающимся растягивающему напряжению, хорошо выдерживает, учитывая его высокое поверхностное сжимающее напряжение и позволяет поддерживать целостность двух структурных слоев остекления.
Если все структурные стеклянные листы сломаются по какой-либо другой причине, например после электрического отказа, то внутренний структурный стеклянный лист расколется на мелкие кусочки, а внешний структурный стеклянный лист - на более крупные куски, так что ламинированное остекление, удерживаемое клеевой прослойкой, связывающей эти два структурных стекла, закрепленные в структуре сборки болтами или зажимами, будет деформироваться относительно слабо. В частном случае удерживаемого зажимами остекления небольшие деформации ламинированного остекления, на которое воздействует давление в кабине, уменьшают риски выбивания остекления, особенно для остеклений большого размера.
В качестве вторичного преимущества ламинированного остекления по настоящему изобретению поверхностное сжимающее напряжение на существенную глубину внутреннего структурного стеклянного листа придает ему низкую чувствительность к царапанию.
В соответствии с другими предпочтительными особенностями ламинированного остекления настоящего изобретения:
- внутренние и внешние структурные стеклянные листы имеют идентичные или различные толщины от 3 до 20 мм, и сумма их толщин составляет от 10 до 20 мм;
- внутренние и внешние структурные стеклянные листы имеют тип алюмосиликатного или натриево-кальциевого стекла;
- структурные стеклянные листы являются химически упрочненными; химическое упрочнение заключается, например, в замене ионов натрия ионами калия или ионов лития ионами натрия, то есть каждый раз более крупными ионами, на поверхности стеклянных листов; именно это увеличивает их поверхностное сжимающее напряжение;
- внутренние и внешние структурные стеклянные листы связываются друг с другом посредством первой клеевой прослойки, имеющей толщину 0,5-5 мм, предпочтительно 1,8-3,2 мм;
- ламинированное остекление содержит на стороне внешнего структурного стеклянного листа, противоположного внутреннему структурному стеклянному листу, внешний стеклянный лист, имеющий толщину 0,5-5 мм; этот тонкий и неструктурный внешний стеклянный лист составляет наружную поверхность ламинированного остекления, находящуюся в контакте с внешней атмосферой;
- внешний стеклянный лист состоит из алюмосиликатного или натриево-кальциевого стекла, как и структурные стеклянные листы;
- этот внешний стеклянный лист является полузакаленным или химически упрочненным;
- внешний стеклянный лист связывается с внешним структурным стеклянным листом посредством второй клеевой прослойки, имеющей толщину 3-12 мм;
- поверхность внешнего стеклянного листа, обращенная к внешнему структурному стеклянному листу, поддерживает сетку из нагревательных проводов и/или электропроводящий нагревательный слой: медные провода, слой легированного оловом  оксида индия ITO (оксид индия-олова), соединенные с источником электропитания посредством коллекторов (шин); это позиционирование нагревательной функции обеспечивает устранение обледенения поверхности ламинированного остекления, контактирующей с внешней атмосферой, при всех условиях использования, минимизируя потребность в электроэнергии (благодаря близости ко льду);
- одна поверхность внутреннего или внешнего структурного стеклянного листа поддерживает сетку из нагревательных проводов и/или электропроводящий нагревательный слой, как было описано выше; это позиционирование нагревательной функции обеспечивает защиту от запотевания той поверхности ламинированного остекления, которая находится в контакте с атмосферой кабины самолета;
- поверхность внешнего стеклянного листа, противоположная внешнему структурному стеклянному листу, располагается заподлицо со структурой сборки; другими словами, эта поверхность выровнена со структурой (корпусом самолета); существенной функцией внешнего стеклянного листа является аэродинамическая эффективность самолета, и в меньшей степени внешний вид;
- клеевая прослойка содержит поливинилбутираль (PVB), полиуретан (PU), сополимер этилена/винилацетата (EVA) и т.п.;
- ламинированное остекление является изогнутым (вогнутым в направлении к внутренней части транспортного средства или сооружения в положении сборки);
- армирующий лист вставляется между внутренним и внешним структурными стеклянными листами, поверх части по меньшей мере периферийной зоны ламинированного остекления; он представляет собой полоску армирующего материала, такого как металл или волокнистый композит (Kevlar и т.п.), проходящую вдоль значительной части периферийной зоны ламинированного остекления; этот армирующий лист подвергается локальному напряжению, прикладываемому держателем оконного стекла, которое могло бы локально разрушить внутреннее структурное стекло на мелкие части; этот армирующий лист предотвращает разрыв клеевой прослойки на границе контакта между держателем оконного стекла и остеклением.
Дополнительным предметом настоящего изобретения является применение описанного выше ламинированного остекления в аэронавтике, в частности в качестве остекления герметичного воздушного судна.
Настоящее изобретение иллюстрируется следующим примерным вариантом осуществления.
Пример
Ламинированное (многослойное) остекление герметичной кабины коммерческого самолета состоит, в направлении от внутренней части самолета наружу:
- из внутреннего структурного листа алюмосиликатного стекла толщиной 8 мм с химическим упрочнением, создающим поверхностное напряжение величиной 450 МПа на глубину обмена 200 мкм;
- из внешнего структурного листа кальциево-натриевого стекла толщиной 8 мм с химическим упрочнением, создающим поверхностное напряжение величиной 250 МПа на глубину обмена 60 мкм; и
- из полузакаленного (с поверхностным напряжением 50 МПа) внешнего листа кальциево-натриевого стекла толщиной 3 мм.
Два структурных стеклянных листа связаны посредством клейкой прослойки из PVB толщиной 2 мм.
Внешний структурный стеклянный лист и внешний стеклянный лист связаны посредством клейкой прослойки из PU толщиной 10 мм.
Поверхность внешнего стеклянного листа, обращенная к внешнему структурному стеклянному листу, имеет антиобледенительный нагревательный слой из ITO. Это, в частности имеет место для фронтального антиобледенительного остекления кабины самолета. Как было определено выше, в случае антизапотевающего остекления нагревательная функция может поддерживаться любой поверхностью структурного блока в ламинате.
Внешняя поверхность внешнего стеклянного листа располагается заподлицо с корпусом самолета, средой сборки ламинированного остекления.
В случае разрушения двух структурных стеклянных листов ламинированного остекления большая фрагментация внешнего структурного стеклянного листа, то есть на куски больших размеров, обеспечивает минимальную деформацию остекления под воздействием давления.
Кроме того, эта возможность разрушения двух структурных стеклянных листов минимизируется их характеристиками поверхностного сжимающего напряжения.