吳佳茜+伍志湘??

摘 要：為了對智能舷窗在民用飛機上的應用開展可行性分析，首先介紹了電子變色器件結(jié)構(gòu)，材料及相關原理；并從當前智能舷窗產(chǎn)品的經(jīng)濟性、安全性、舒適性及可維護性進行闡述；最后對智能舷窗未來發(fā)展趨勢進行展望。通過對比，智能舷窗相較傳統(tǒng)舷窗具有一定優(yōu)勢。未來智能舷窗將朝著科技化、信息化、更多人機交互的方向發(fā)展。

關鍵詞：民用飛機；智能舷窗；電致變色；未來趨勢

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.25.089

1 電致變色技術

電致變色（Electrochromism）是指材料在外加電場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、可見光或近紅外區(qū)域的透射率、反射率或吸收率，通過外加電場作用，產(chǎn)生了穩(wěn)定的可逆變化。20世紀60年代，美國哥倫比亞大學在研究有機染料時發(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，科學家發(fā)現(xiàn)WO3和MoO3在室溫下存在電致變色效應，并首次用無定型WO3薄膜制作了電致變色器件。隨機提出了“氧空位理論”，電致變色效應開始作為一項理論，被廣泛關注。20世紀80年代，美國科學家CM.Lampert和瑞典科學家C.G.Granqvist等提出了以電致變色薄膜為基礎的一種新型智能節(jié)能窗，稱為智能窗，這被認為是電致變色研究的一個里程碑。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，實現(xiàn)了電致變色材料的商品化；2002年，德國成功研制出應用在汽車智能玻璃窗上的導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用得到進一步提升。2008年7月，波音787客機客艙窗玻璃淘汰了機械式舷窗遮光板，采用了電致變色技術，第一次讓電致變色器件應用到航空領域。

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反應，使其著色。在電致變色材料發(fā)生氧化還原反應時，離子存儲層儲存相應的反離子，保持整個系統(tǒng)電荷平衡。當施加反向電壓時，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）透明導電層（Transparent Conductor）。

透明導電層是電極材料，在電化學反應中為電致變色器件提供電子導體，通常具有高電導率和透光性。常見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，電致變色層對整個器件的性能起到?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電層上的電致變色材料組成。

（4）離子導體層（Ion Conductor）。

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

（5）離子儲存層（Counter-Electrode）。

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

1.2 關鍵性能指標

電致變色器件的關鍵性能指標包括以下幾個方面：

（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之一。

（3）響應時間。

響應時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)換時間，也是離子嵌入與遷出反應的時間常數(shù)。該性能指標由分散途徑的長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)對電致變色器件施加正反向電壓時，電致變色器件會在著色態(tài)和褪色態(tài)間循環(huán)，這時可測定其循環(huán)次數(shù)和器件電致變色性能，例如透光率、響應時間等變量間的關系。電致變色器件的性能無法滿足應用需求時，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交互體驗，乘客可通過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；因為不需要加裝遮光板，舷窗的尺寸更大，重量卻更輕；AlteosTM遮光組件可阻擋99.97%的可見光，同時可有效阻擋高空紫外線；此外，智能舷窗的維護較為便捷，可打開飛機內(nèi)側(cè)防塵罩更換AlteosTM組件。

2.2 關鍵性能分析

智能舷窗在提高旅客乘機體驗和舒適性方面得到了廣泛好評，但也需深入研究其風險和缺點，通過對智能舷窗的安全性、舒適性、經(jīng)濟性和維修性的分析，進一步論證智能舷窗的應用可行性。

2.2.1 安全性

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

（2）電致變色材料技術由美國 Gentex公司提供，該公司在汽車等市場上已有超過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飛機上成功應用。

（4）機組可在需要時統(tǒng)一控制舷窗亮度，在飛機起飛著陸過程和應急狀態(tài)下，無須每位靠窗乘客拉開遮光板，提高了飛機起降安全。

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

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和關閉，電致變色窗戶可以讓旅客在欣賞窗外風景的同時不會感到光線刺眼。

（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)和通風設備效率。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)到最暗時仍可透光，對于遠程航線需休息的乘客來說遮光能力不夠。PPG隨后更新了產(chǎn)品，遮光率從 9993%提高到 99997%。

2.2.3 經(jīng)濟性

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

智能舷窗目前屬于新技術，成本約為傳統(tǒng)舷窗的2倍，隨著該技術在民用飛機中的不斷普及，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 可維護性

AlteosTM遮光組件壽命可達70000循環(huán)，屬于航線更換件，維護簡便，可直接打開飛機內(nèi)側(cè)防塵罩更換 AlteosTM組件。

但在可維護性方面也存在缺點：

（1）目前只有少數(shù)公司有維修能力，維護成本高。

（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 潛在風險點分析

智能舷窗作為民用航空新技術，其應用還存在如下風險：

（1）技術風險：B787作為首款使用智能舷窗的機型，進入市場不到5年，其可靠性、維修率均有待市場檢驗。

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

（3）客戶風險：雖然國內(nèi)運營B787飛機的航空公司普遍認可智能舷窗優(yōu)點突出，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。

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

3 智能舷窗未來發(fā)展趨勢

盡管可控光線的智能舷窗尚未在當前民用飛機中普及，但供應商已經(jīng)開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，除了上述所說的可通過基本的觸控按鈕調(diào)節(jié)舷窗明暗之外，又開發(fā)出通過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）進行交互的操作方式，增強智能舷窗的可玩性。如圖3所示。

如果說Fokker公司在智能舷窗方面進行了一些試探性的研究，那么Vision Systems公司的開發(fā)步伐則顯得更為激進。其最新一代研發(fā)的產(chǎn)品Acti-Vision互動舷窗，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，除了燈光控制外，支持民用飛機及航空公司為旅客增加飛機及旅途信息（包括實時位置顯示）、機票業(yè)務辦理、機上餐飲、呼叫服務、盥洗室指示燈、報刊雜志、廣告、小游戲等一系列擴展功能。這也為航空公司提供特色增值服務，提升自身品牌價值，及贏取更多利潤創(chuàng)造了條件。

3.2 智能舷窗在客艙娛樂功能應用的局限性

智能舷窗未來可實現(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，也有助于提升客戶滿意率及靠窗座位票價。但與此同時，還存在一定局限性，制約其快速發(fā)展。

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

（2）在商務機、私人飛機中，很多舷窗周圍卻沒有安排座椅。

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

前述兩個正處于研發(fā)中的智能舷窗項目，尚未投入使用。盡管由于前面提到的幾種原因，使其應用范圍存在一定局限性，但從各供應商的研發(fā)路線及規(guī)劃中看出，對深度智能化的舷窗，仍持樂觀態(tài)度；同時從大多數(shù)的旅客體驗來看，對智能舷窗也是積極的反饋居多。未來智能舷窗的趨勢仍會是科技化、信息化、更多人機交互，并將舷窗的功能發(fā)揮到極致。

4 結(jié)論與展望

目前民用飛機采用大尺寸的舷窗設計已經(jīng)成為一種趨勢，未來智能舷窗的應用將更為廣泛。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，同時分析了智能舷窗安全性、舒適性、經(jīng)濟性和維修性方面的優(yōu)劣，以及大范圍應用的潛在風險，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、更多人機交互是智能舷窗以及未來民用飛機客艙內(nèi)飾發(fā)展的一種趨勢，隨著其可靠性的不斷提高，優(yōu)勢也會愈加明顯。最終會對提升旅客的航空體驗及滿意率，起到積極的作用，進而促進航空公司圍繞其開發(fā)更多特色增值服務。

從本文論述的智能舷窗技術進一步拓展，可考慮將其應用于駕駛艙擋風玻璃的遮陽板上。國內(nèi)大多數(shù)機型中采用的遮陽板，均為手動式半透明玻璃板。當陽光強烈刺眼時，由飛行員手動將遮陽板拉下，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，搭載至駕駛艙擋風玻璃中，實現(xiàn)類似高端汽車抬頭顯示功能，則可為提升國內(nèi)民用飛機科技含量，改善飛行員駕駛舒適性，進而為提升航空公司乃至中國民用飛機的形象，均具有一定指導意義。

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