吳佳茜+伍志湘??

摘 要：為了對(duì)智能舷窗在民用飛機(jī)上的應(yīng)用開(kāi)展可行性分析，首先介紹了電子變色器件結(jié)構(gòu)，材料及相關(guān)原理；并從當(dāng)前智能舷窗產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性及可維護(hù)性進(jìn)行闡述；最后對(duì)智能舷窗未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。通過(guò)對(duì)比，智能舷窗相較傳統(tǒng)舷窗具有一定優(yōu)勢(shì)。未來(lái)智能舷窗將朝著科技化、信息化、更多人機(jī)交互的方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞：民用飛機(jī)；智能舷窗；電致變色；未來(lái)趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.25.089

1 電致變色技術(shù)

電致變色（Electrochromism）是指材料在外加電場(chǎng)或電流作用下所引起的顏色和透明度的可逆變化。該變化為材料在紫外、可見(jiàn)光或近紅外區(qū)域的透射率、反射率或吸收率，通過(guò)外加電場(chǎng)作用，產(chǎn)生了穩(wěn)定的可逆變化。20世紀(jì)60年代，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)在研究有機(jī)染料時(shí)發(fā)現(xiàn)了電致變色現(xiàn)象，并提出了電致變色這一概念。十多年后，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)WO3和MoO3在室溫下存在電致變色效應(yīng)，并首次用無(wú)定型WO3薄膜制作了電致變色器件。隨機(jī)提出了“氧空位理論”，電致變色效應(yīng)開(kāi)始作為一項(xiàng)理論，被廣泛關(guān)注。20世紀(jì)80年代，美國(guó)科學(xué)家CM.Lampert和瑞典科學(xué)家C.G.Granqvist等提出了以電致變色薄膜為基礎(chǔ)的一種新型智能節(jié)能窗，稱為智能窗，這被認(rèn)為是電致變色研究的一個(gè)里程碑。1986年，日產(chǎn)公司首次推出了搭載于轎車的電致變色車窗，又稱調(diào)光玻璃車窗，實(shí)現(xiàn)了電致變色材料的商品化；2002年，德國(guó)成功研制出應(yīng)用在汽車智能玻璃窗上的導(dǎo)電高分子電致變色材料，并首先在奔馳高等轎車上使用，使得電致變色材料在汽車玻璃窗中的應(yīng)用得到進(jìn)一步提升。2008年7月，波音787客機(jī)客艙窗玻璃淘汰了機(jī)械式舷窗遮光板，采用了電致變色技術(shù)，第一次讓電致變色器件應(yīng)用到航空領(lǐng)域。

1.1 器件結(jié)構(gòu)及材料

電致變色的材料各異，但電致變色器件的結(jié)構(gòu)大多相似：在兩層透明導(dǎo)電層間加載一定量電壓。在電壓作用下，電子和離子一起注入電致變色層，發(fā)生氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)，使其著色。在電致變色材料發(fā)生氧化還原反應(yīng)時(shí)，離子存儲(chǔ)層儲(chǔ)存相應(yīng)的反離子，保持整個(gè)系統(tǒng)電荷平衡。當(dāng)施加反向電壓時(shí)，電子和離子從著色的電致變色層中抽出，從而褪色。電致變色系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

電致變色器件的結(jié)構(gòu)及工作原理如下：

（1）襯底（Glass Substrate）。

襯底為電致變色器件的最外層，作用是保護(hù)和支撐器件內(nèi)各層，不受外部環(huán)境的影響。通常是透明、柔性材料或普通玻璃。

（2）透明導(dǎo)電層（Transparent Conductor）。

透明導(dǎo)電層是電極材料，在電化學(xué)反應(yīng)中為電致變色器件提供電子導(dǎo)體，通常具有高電導(dǎo)率和透光性。常見(jiàn)的是摻錫氧化銦薄膜和摻氟氧化錫薄膜。

（3）電致變色層（Electrochromic Layer）。

作為電致變色器件的核心，電致變色層對(duì)整個(gè)器件的性能起到?jīng)Q定性的作用。這是一層電致變色薄膜，主要由沉積在透明導(dǎo)電層上的電致變色材料組成。

（4）離子導(dǎo)體層（Ion Conductor）。

離子導(dǎo)體層是提供電致變色材料所需補(bǔ)償離子的場(chǎng)所，是傳導(dǎo)電子與離子的通道，又稱電解質(zhì)層。

（5）離子儲(chǔ)存層（Counter-Electrode）。

離子儲(chǔ)存層的主要作用是存儲(chǔ)和提供電致變色所需的離子，從而起到平衡電荷的作用，也稱對(duì)電極層。

1.2 關(guān)鍵性能指標(biāo)

電致變色器件的關(guān)鍵性能指標(biāo)包括以下幾個(gè)方面：

（1）光的調(diào)制幅度。

光的調(diào)制幅度是指電致變色器件在透明狀態(tài)和著色狀態(tài)的透光率的差值，反映了器件在著色前后顏色的對(duì)比度，調(diào)制幅度越大，則性能越好。

（2）著色效率。

著色效率是指電致變色器件著色過(guò)程中，注入單位電荷密度的光密度變化值，它是電致變色器件最重要的性能指標(biāo)之一。

（3）響應(yīng)時(shí)間。

響應(yīng)時(shí)間是指電致變色器件從一種狀態(tài)到另一種狀態(tài)所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間，也是離子嵌入與遷出反應(yīng)的時(shí)間常數(shù)。該性能指標(biāo)由分散途徑的長(zhǎng)度和離子的分散系數(shù)決定，前者取決于器件中電致變色材料的微觀結(jié)構(gòu)與形貌，而后者則依賴器件中電致變色材料的晶體結(jié)構(gòu)。

（4）循環(huán)壽命。

在持續(xù)對(duì)電致變色器件施加正反向電壓時(shí)，電致變色器件會(huì)在著色態(tài)和褪色態(tài)間循環(huán)，這時(shí)可測(cè)定其循環(huán)次數(shù)和器件電致變色性能，例如透光率、響應(yīng)時(shí)間等變量間的關(guān)系。電致變色器件的性能無(wú)法滿足應(yīng)用需求時(shí)，該循環(huán)次數(shù)即為電致變色器件的循環(huán)壽命。

2 智能舷窗現(xiàn)有產(chǎn)品及開(kāi)發(fā)狀態(tài)

智能舷窗和傳統(tǒng)舷窗類似，分外層、中層和內(nèi)層。傳統(tǒng)舷窗的中間層一般為丙烯酸纖維材料，而智能舷窗的中間層為電致變色材料。

2.1 現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)

現(xiàn)有搭載智能舷窗的機(jī)型，其AlteosTM遮光組件安裝在內(nèi)層防塵窗和外層結(jié)構(gòu)窗之間。其智能舷窗的結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 智能舷窗結(jié)構(gòu)圖

智能舷窗考慮了人機(jī)交互體驗(yàn)，乘客可通過(guò)按舷窗下方或扶手邊的調(diào)節(jié)按鈕自行調(diào)節(jié)舷窗亮度；因?yàn)椴恍枰友b遮光板，舷窗的尺寸更大，重量卻更輕；AlteosTM遮光組件可阻擋99.97%的可見(jiàn)光，同時(shí)可有效阻擋高空紫外線；此外，智能舷窗的維護(hù)較為便捷，可打開(kāi)飛機(jī)內(nèi)側(cè)防塵罩更換AlteosTM組件。

2.2 關(guān)鍵性能分析

智能舷窗在提高旅客乘機(jī)體驗(yàn)和舒適性方面得到了廣泛好評(píng)，但也需深入研究其風(fēng)險(xiǎn)和缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)智能舷窗的安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和維修性的分析，進(jìn)一步論證智能舷窗的應(yīng)用可行性。

2.2.1 安全性

（1）中間層電致變色組件不承受客艙壓力，因此對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度并無(wú)特殊要求，使用電致變色組件也不會(huì)影響外層承壓結(jié)構(gòu)窗戶的選擇。

（2）電致變色材料技術(shù)由美國(guó) Gentex公司提供，該公司在汽車等市場(chǎng)上已有超過(guò)1億件產(chǎn)品，大樣本數(shù)據(jù)可充分證明其安全性。

（3）AlteosTM遮光組件已在B787和King Air 350i飛機(jī)上成功應(yīng)用。

（4）機(jī)組可在需要時(shí)統(tǒng)一控制舷窗亮度，在飛機(jī)起飛著陸過(guò)程和應(yīng)急狀態(tài)下，無(wú)須每位靠窗乘客拉開(kāi)遮光板，提高了飛機(jī)起降安全。

（5）斷電時(shí)，AlteosTM遮光組件由備用電源供電，默認(rèn)狀態(tài)為透光，保證飛行中遇到故障時(shí)的安全性。

2.2.2 舒適性

智能舷窗在舒適性方面優(yōu)于傳統(tǒng)舷窗：

（1）乘客可以根據(jù)喜好調(diào)節(jié)舷窗亮度，不同于傳統(tǒng)舷窗只有遮光板打開(kāi)和關(guān)閉，電致變色窗戶可以讓旅客在欣賞窗外風(fēng)景的同時(shí)不會(huì)感到光線刺眼。

（2）有效阻擋紫外線。

（3）阻擋紅外線輻射，降低客艙溫度，提高空調(diào)和通風(fēng)設(shè)備效率。但ANA航空2012年的客戶滿意度調(diào)查顯示，有12%的乘客不喜歡智能舷窗，主要是舷窗調(diào)到最暗時(shí)仍可透光，對(duì)于遠(yuǎn)程航線需休息的乘客來(lái)說(shuō)遮光能力不夠。PPG隨后更新了產(chǎn)品，遮光率從 9993%提高到 99997%。

2.2.3 經(jīng)濟(jì)性

采用智能舷窗可達(dá)到減重目的。根據(jù)PPG公司提供的數(shù)據(jù)，相同尺寸前提下，智能舷窗相對(duì)于傳統(tǒng)舷窗可減重34%。

智能舷窗目前屬于新技術(shù)，成本約為傳統(tǒng)舷窗的2倍，隨著該技術(shù)在民用飛機(jī)中的不斷普及，成本有望逐步遞減。

智能舷窗耗電量不高，功率需求最大為60W。

2.2.4 可維護(hù)性

AlteosTM遮光組件壽命可達(dá)70000循環(huán)，屬于航線更換件，維護(hù)簡(jiǎn)便，可直接打開(kāi)飛機(jī)內(nèi)側(cè)防塵罩更換 AlteosTM組件。

但在可維護(hù)性方面也存在缺點(diǎn)：

（1）目前只有少數(shù)公司有維修能力，維護(hù)成本高。

（2）據(jù)部分旅客反映，調(diào)光按鈕和電致變色玻璃的故障概率高。

2.3 潛在風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

智能舷窗作為民用航空新技術(shù)，其應(yīng)用還存在如下風(fēng)險(xiǎn)：

（1）技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)：B787作為首款使用智能舷窗的機(jī)型，進(jìn)入市場(chǎng)不到5年，其可靠性、維修率均有待市場(chǎng)檢驗(yàn)。

（2）供應(yīng)商風(fēng)險(xiǎn)：目前擁有批產(chǎn)項(xiàng)目的智能舷窗供應(yīng)商較少（其余均為研發(fā)階段），供應(yīng)商可選范圍窄，其價(jià)格和質(zhì)量等因素尚存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

（3）客戶風(fēng)險(xiǎn)：雖然國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)B787飛機(jī)的航空公司普遍認(rèn)可智能舷窗優(yōu)點(diǎn)突出，舒適性和智能化程度高，但仍有少數(shù)乘客表示智能舷窗遮光性能不好，維修率高。

綜上所述，智能舷窗和傳統(tǒng)舷窗和主要差異，如表1所示。

通過(guò)對(duì)比可以看出，盡管智能舷窗當(dāng)前還不夠成熟，但其光線可調(diào)、有效擋紫外線和紅外線、重量輕的優(yōu)勢(shì)非常突出。若假以時(shí)日，使其成本和維護(hù)便利度的劣勢(shì)將逐步消失；而其舒適性、安全性方面的優(yōu)勢(shì)，將使其具有逐步取代傳統(tǒng)舷窗的潛質(zhì)。

3 智能舷窗未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

盡管可控光線的智能舷窗尚未在當(dāng)前民用飛機(jī)中普及，但供應(yīng)商已經(jīng)開(kāi)始了下一代智能舷窗的研發(fā)工作。

3.1 智能舷窗新功能

以Fokker公司的SPD EDW （Electronically Dimmable Window，電子可控舷窗）產(chǎn)品為例，除了上述所說(shuō)的可通過(guò)基本的觸控按鈕調(diào)節(jié)舷窗明暗之外，又開(kāi)發(fā)出通過(guò)CAN總線通信、CMS接口，及RS485通信協(xié)議等方式，與智能終端（如iPad）進(jìn)行交互的操作方式，增強(qiáng)智能舷窗的可玩性。如圖3所示。

如果說(shuō)Fokker公司在智能舷窗方面進(jìn)行了一些試探性的研究，那么Vision Systems公司的開(kāi)發(fā)步伐則顯得更為激進(jìn)。其最新一代研發(fā)的產(chǎn)品Acti-Vision互動(dòng)舷窗，為智能舷窗加載了信息可視界面。如圖4所示。

該系統(tǒng)可為乘客提供更多的信息及服務(wù)，除了燈光控制外，支持民用飛機(jī)及航空公司為旅客增加飛機(jī)及旅途信息（包括實(shí)時(shí)位置顯示）、機(jī)票業(yè)務(wù)辦理、機(jī)上餐飲、呼叫服務(wù)、盥洗室指示燈、報(bào)刊雜志、廣告、小游戲等一系列擴(kuò)展功能。這也為航空公司提供特色增值服務(wù)，提升自身品牌價(jià)值，及贏取更多利潤(rùn)創(chuàng)造了條件。

3.2 智能舷窗在客艙娛樂(lè)功能應(yīng)用的局限性

智能舷窗未來(lái)可實(shí)現(xiàn)的諸如與智能終端互聯(lián)、信息顯示等新功能，不僅可為靠窗座位提供更多服務(wù)，也有助于提升客戶滿意率及靠窗座位票價(jià)。但與此同時(shí)，還存在一定局限性，制約其快速發(fā)展。

（1）在當(dāng)今的民用客機(jī)客艙布局中，通常有60%～80%的乘客的座位并不靠窗，智能舷窗對(duì)旅客的覆蓋率并不高。

（2）在商務(wù)機(jī)、私人飛機(jī)中，很多舷窗周圍卻沒(méi)有安排座椅。

（3）人們所能攜帶的智能電子設(shè)備與日俱增，其功能性、便攜性、信息量、更新速度，均遠(yuǎn)超智能舷窗所能提供的服務(wù)。這將成為未來(lái)制約智能舷窗在客艙娛樂(lè)系統(tǒng)中占據(jù)一席之地的因素。

前述兩個(gè)正處于研發(fā)中的智能舷窗項(xiàng)目，尚未投入使用。盡管由于前面提到的幾種原因，使其應(yīng)用范圍存在一定局限性，但從各供應(yīng)商的研發(fā)路線及規(guī)劃中看出，對(duì)深度智能化的舷窗，仍持樂(lè)觀態(tài)度；同時(shí)從大多數(shù)的旅客體驗(yàn)來(lái)看，對(duì)智能舷窗也是積極的反饋居多。未來(lái)智能舷窗的趨勢(shì)仍會(huì)是科技化、信息化、更多人機(jī)交互，并將舷窗的功能發(fā)揮到極致。

4 結(jié)論與展望

目前民用飛機(jī)采用大尺寸的舷窗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，未來(lái)智能舷窗的應(yīng)用將更為廣泛。本文闡述了電致變色材料和B787使用的智能舷窗結(jié)構(gòu)及產(chǎn)品特性，同時(shí)分析了智能舷窗安全性、舒適性、經(jīng)濟(jì)性和維修性方面的優(yōu)劣，以及大范圍應(yīng)用的潛在風(fēng)險(xiǎn)，得出智能舷窗可逐步取代傳統(tǒng)舷窗的結(jié)論。

科技化、信息化、更多人機(jī)交互是智能舷窗以及未來(lái)民用飛機(jī)客艙內(nèi)飾發(fā)展的一種趨勢(shì)，隨著其可靠性的不斷提高，優(yōu)勢(shì)也會(huì)愈加明顯。最終會(huì)對(duì)提升旅客的航空體驗(yàn)及滿意率，起到積極的作用，進(jìn)而促進(jìn)航空公司圍繞其開(kāi)發(fā)更多特色增值服務(wù)。

從本文論述的智能舷窗技術(shù)進(jìn)一步拓展，可考慮將其應(yīng)用于駕駛艙擋風(fēng)玻璃的遮陽(yáng)板上。國(guó)內(nèi)大多數(shù)機(jī)型中采用的遮陽(yáng)板，均為手動(dòng)式半透明玻璃板。當(dāng)陽(yáng)光強(qiáng)烈刺眼時(shí)，由飛行員手動(dòng)將遮陽(yáng)板拉下，而半透明玻璃板本身的透光率并不可調(diào)。

若將上文提及的智能舷窗中的可變透光率調(diào)節(jié)，以及智能信息可視界面功能，搭載至駕駛艙擋風(fēng)玻璃中，實(shí)現(xiàn)類似高端汽車抬頭顯示功能，則可為提升國(guó)內(nèi)民用飛機(jī)科技含量，改善飛行員駕駛舒適性，進(jìn)而為提升航空公司乃至中國(guó)民用飛機(jī)的形象，均具有一定指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]羅騰騰. 關(guān)于某型飛機(jī)客艙舷窗組件設(shè)計(jì)的分析與研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究， 2012，（3）： 5759.

[2]馬董云.智能窗用有機(jī)/無(wú)機(jī)電致變色薄膜的結(jié)構(gòu)與性能調(diào)控及器件設(shè)計(jì)[D].上海：東華大學(xué)，2013.

[3]曾藝.民用飛機(jī)客艙智能舷窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].航空科學(xué)技術(shù)， 2015， 26（8）：5356.

[4]Ruben B， Bjorn P J， Arild G. Properties， requirements and possibilities of smart windows for dynamic daylight and solar energy control in buildings： Astate-of-the-artreview [J]. Solar Energy Materials & Solar Cells， 2010， 9（4）： 87105.

[5]楊樹(shù)威. 新型自供能電致變色材料和器件的探索及研究[D].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2013.

[6]徐軼辰. 民用飛機(jī)舷窗透明件的設(shè)計(jì)與分析 [J].科技信息， 2103， （18）： 490490.

[7]季光明. 大型商用飛機(jī)客艙舷窗有機(jī)玻璃應(yīng)用進(jìn)展[J]. 世界橡膠工業(yè)， 2103， （18）： 490490.