淺析波音737NG飛機風擋疏水涂層及其維護

摘要：通過分析一起波音737NG飛機風擋排雨故障，介紹了疏水涂層的工作原理及維護要點，可為同類維護提供參考。

關鍵詞：波音737NG；疏水涂層；風擋玻璃；排雨系統

Keywords：B737NG；hydrophobic coating；windshield；rain drainage system

1 故障背景

2019年7月，北京地區進入雨季，國航多架飛機普遍反映在雨中起飛時飛機風擋排雨能力差、能見度不足。維修人員隨即對涉事飛機的風擋雨刷、雨刷馬達進行檢查及更換。2019年8月，A飛機再次報告，飛機在雨中進近著陸時出現左側風擋排雨能力差、能見度不足。該飛機已經更換為全新的雨刷片，檢查其雨刷馬達工作性能良好，對風擋表面進行潑水試驗，未發現風擋雨刷系統存在問題。經與工程師商討，將該飛機停場并對左側一號風擋進行更換，完成更換后對其進行持續監控，在隨后的雷雨天氣中再未出現風擋排雨能力差問題。

2019年8月底，B飛機同樣報告在雨中進近著陸時出現右側風擋排雨能力差、能見度不足。該飛機在該航段結束后進行C檢維護，決定對該風擋進行排故。考慮到更換風擋所需維護成本較大、占用人力較多，決定通過研究737NG飛機的風擋排雨系統來徹底解決此類問題。

737CL飛機的風擋排雨采用化學排雨劑系統。風擋排雨系統一般在大雨、飛機高速飛行時使用。迎面高速氣流及風擋雨刷將雨水排出，從而保證風擋有足夠的視野。

但737NG飛機取消了排雨劑系統，且波音飛機FIM手冊并沒有介紹排雨不暢而影響風擋能見度類故障的排故方案，只在波音飛機SDS30-43-00中有描述，即將疏水涂層噴涂在風擋表面（見圖1）可以提高在大雨天氣下風擋的能見度。根據波音飛機AMM 30-43-00/201中介紹，737NG飛機的風擋排雨主要通過雨刷將雨水排出機外，疏水涂層雖然不是放行飛機的必要要求，但波音公司建議需要保持該涂層的有效性。由于此前對B飛機的雨刷片及雨刷馬達進行了維護，因此判斷問題是由疏水涂層性能減低或失效導致的。

2 疏水涂層工作原理

由于玻璃表面具有較高的表面能，導致風擋玻璃表面呈現親水性。為了降低表面能，需覆蓋一層低表面能的材料，該材料即是疏水涂層。疏水涂層通常是指水在涂層表面的靜態接觸角大于90°的涂層[1]。根據AMM 30-43-00/201，737NG飛機疏水涂層主要由美國PPG公司提供的原材料對風擋疏水涂層進行維護，而國航選用的是件號為DSS0100的器材包。從器材包的材料可知，PPG公司制備的疏水涂層主要由鹵化硅烷和氟化物疏水涂層組成，鹵化硅烷疏水涂層是在硅烷單體上引入憎水基團，含有鹵化硅烷及憎水基團制作的疏水涂層與水的靜態接觸角最高達110°[2]，提高了風擋的表面張力，降低了部分表面能。氟化物疏水涂層主要由含氟硅氧烷組成，以含氟樹脂為基礎，在增加含氟量的同時，在含氟樹脂的基礎上增加了氣相的二氧化硅，得到的涂層與水的靜態接觸角最高可達165°[3]，進一步提高了含氟疏水涂層的疏水性。

3 疏水涂層性能評估

為了判斷疏水涂層的性能衰退是否是導致風擋在雨中能見度水平降低的原因，需對疏水涂層性能進行評估。

飛機在雨中飛行時，雨水在高速氣流的作用下以水滴的形態附著在風擋表面。維護人員前期為了驗證風擋雨刷系統能夠正常工作，通常將水傾倒在風擋表面，無法模擬雨水在空中的形態，導致只能驗證風擋雨刷系統能否正常工作而無法驗證疏水涂層的有效性。

將純凈水以噴霧狀噴射到風擋表面，可以模擬飛機在雨中高速飛行時的形態。通過判斷水滴在風擋表面的形態便可判斷出疏水涂層的疏水性是否有效。如果絕大多數水滴在風擋表面能保持水滴本身固有的形態，少部分水滴在向下流淌的通道中仍可保持自身圓形或橢圓形，就能證明風擋疏水涂層性能良好，無需對其維護。如果水滴在風擋表面的形態雜亂無章，甚至大量水滴聚集在一起，說明疏水涂層性能失效，需對疏水涂層進行重新維護。

維護人員將純凈水以霧狀噴灑在B飛機左右一號風擋表面，發現左側風擋表面上的水滴絕大多數可以保持水滴本身的橢圓形或者圓形，沒有大量水滴聚集在風擋表面，證明左側風擋的疏水涂層仍然有效。而右側風擋表面的水滴雜亂無章，甚至部分水滴聚集在風擋的中心，嚴重影響了風擋視野，說明右側風擋疏水涂層已經失效。這一情況與機組在空中報告的右側風擋雨中能見度差相符。

4 疏水涂層的維護

疏水涂層以透明的涂層形式保持在一號風擋外表，但涂層不會永久地保持在風擋的表面。影響涂層使用性能的主要因素包括：雨刷的使用次數及在風擋表面的壓力；疏水涂層維護程序。

4.1 雨刷的使用對疏水涂層的影響

完成左右風擋疏水涂層的評估后，分別打開雨刷電門，一邊噴射霧狀純凈水一邊以不同速度對風擋表面除水，發現左側風擋雨刷在運動過程中會出現“跳躍”現象，且隨著雨刷的運動加快，“跳躍”現象更加明顯。右側雨刷雖然沒有出現運動異常，但能明顯聽見雨刷與風擋玻璃的摩擦聲。

根據上述現象，初步判定雨刷在風擋表面的壓力過大。根據AMM 30-42-31/201檢查發現，左側雨刷支臂壓力達到了12lb，右側雨刷支臂壓力達到了27lb，遠遠大于手冊規定的6.5～7.5lb。翻閱B飛機的維護記錄發現，左側風擋為15日前更換的全新風擋。由此得出結論：風擋雨刷的壓力和使用次數可以導致風擋疏水涂層性能下降，在日常維護中需將雨刷支臂的壓力調節至正常范圍內，才能保證疏水涂層的磨損降到最低。

4.2 疏水涂層維護程序

根據波音飛機AMM 30-43-00/201，風擋玻璃表面失效的疏水涂層可以重新制作，無需更換新的風擋以獲取全新有效的疏水涂層，從而顯著降低了維護成本。

1）失效疏水涂層的去除

使用去離子水和無紡紙巾反復清潔風擋，確保玻璃表面清潔、干燥無水、無浮沉粉灰和油脂等污染物。疏水涂層以化學鍵的形式覆蓋在風擋表面，去離子水無法去除殘余的疏水涂層，需要使用氧化鋁溶劑對風擋表面進行拋光工作。

拋光工作是整個疏水涂層制備的基礎，如果拋光過程不充分，舊的涂層沒有清除干凈，新制備的涂層將覆蓋在其表面，導致涂層厚度加大，使風擋雨刷運動阻力加大，反而加劇疏水涂層的磨損速度。

2）疏水涂層施工

不同機型的風擋尺寸所需的溶劑含量不同，以737NG一號風擋為例，所需鹵化硅烷和氟化物疏水溶劑各20ml。在施工過程中需使用正確數量的溶劑，過多或過少的溶劑都會影響風擋表面的能見度或使用性能。

首先，使用鹵化硅烷施工。表面能高的鹵化硅烷作為涂層的底層，使化學溶劑更容易覆蓋在玻璃表面。鹵化硅烷具有易揮發的特性，打開溶劑后一定要在15min內將20ml溶劑涂覆在風擋表面，同時保證風擋的每一處都涂抹均勻。如果涂覆過多，風擋表面將呈現薄霧狀；涂覆過少，風擋表面將會出現明顯的條紋。

其次，使用氟化物溶劑作為涂層涂覆在鹵化硅烷表面。鹵化硅烷表面能明顯低于風擋玻璃表面，使氟化物溶劑更容易附著在風擋表面。將氟化物溶劑快速、均勻地涂覆在風擋表面，經過氟化物施工后的疏水涂層風擋玻璃表面應呈現明顯的薄霧狀，如果溶劑涂覆不均勻，可以從外部明顯發現。

此時氟化物并未完全覆蓋在鹵化硅烷表面，但此時的風擋已具有極高的疏水性。為了確保涂層更長的使用壽命及優異的性能，PPG公司建議使用電熱毯保持35±5℃對重新涂覆的疏水涂層進行8h的熱固化處理，即可得到全新制作完畢的疏水涂層。

對熱處理后的疏水涂層進行評估，當評估達到性能要求時即可認為達到適航要求。

5 總結

B飛機在完成疏水涂層重新制備后，機組反饋飛機風擋排雨能力較好，在2019-2020年整個雨季中均未出現排雨能力差而減低能見度的情況，證明疏水涂層不但可以在日常維護中重新制備，而且在經正確操作和維護后可以保持較長的使用壽命。

在實際運營和排故中，需要維護人員認真檢查排雨系統而不是單純地更換風擋及雨刷系統。更換風擋雖然可以代替疏水涂層的制作但成本較高，一塊737NG一號風擋的價格大約為1.5萬美元（約合人民幣95511元），而制作疏水涂層所需的全部材料僅需500美元（約合人民幣3183元）；更換一塊一號風擋所需工時為20h/人，制作疏水涂層所需要的工時為10h/人。綜合比較，重新制備風擋的疏水涂層可以大大降低航空公司的運營成本。

建議生產計劃部門將疏水涂層評估和制備工作安排至C檢工作中，飛機在C檢中有足夠的停場時間及人力對疏水涂層進行評估和施工。根據現有監控數據，疏水涂層的壽命足以滿足737NG飛機C檢檢查間隔，可達到預防性維修的效果。

參考文獻

[1] P Patel，C K Choi，D D Meng. TiO2–SiO2–PDMS nano-composite hydrophobic coating with self-cleaning properties for marble Protection [J]. Progress in Organic Coatings，2010，12：114.

[2] Wenzel RN Ind Eng Chem. T Young. An essay on the cohesion of fluids[J]. Philosophical Transactions of the Royal Society of London，1936，28：988.

[3] Cassie ABD. Hydrophobic coating of a microwell-patterned hydrophilic polymer substrate for targeted adhesion with high-resolution soft lithography [J]. Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，1944，40：546.

[4] 荊蒙蒙.自清潔氟碳涂料的研制[D].江西：南昌航空大學.2012.

作者簡介

劉一瑋，助理工程師，主要從事波音737NG飛機航線及定檢維護工作。