智能舷窗当前设计及未来发展趋势

吴佳茜+伍志湘��

摘 要：为了对智能舷窗在民用飞机上的应用开展可行性分析，首先介绍了电子变色器件结构，材料及相关原理；并从当前智能舷窗产品的经济性、安全性、舒适性及可维护性进行阐述；最后对智能舷窗未来发展趋势进行展望。通过对比，智能舷窗相较传统舷窗具有一定优势。未来智能舷窗将朝着科技化、信息化、更多人機交互的方向发展。

关键词：民用飞机；智能舷窗；电致变色；未来趋势

中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.25.089

1 电致变色技术

电致变色（Electrochromism）是指材料在外加电场或电流作用下所引起的颜色和透明度的可逆变化。该变化为材料在紫外、可见光或近红外区域的透射率、反射率或吸收率，通过外加电场作用，产生了稳定的可逆变化。20世纪60年代，美国哥伦比亚大学在研究有机染料时发现了电致变色现象，并提出了电致变色这一概念。十多年后，科学家发现WO3和MoO3在室温下存在电致变色效应，并首次用无定型WO3薄膜制作了电致变色器件。随机提出了“氧空位理论”，电致变色效应开始作为一项理论，被广泛关注。20世纪80年代，美国科学家CM.Lampert和瑞典科学家C.G.Granqvist等提出了以电致变色薄膜为基础的一种新型智能节能窗，称为智能窗，这被认为是电致变色研究的一个里程碑。1986年，日产公司首次推出了搭载于轿车的电致变色车窗，又称调光玻璃车窗，实现了电致变色材料的商品化；2002年，德国成功研制出应用在汽车智能玻璃窗上的导电高分子电致变色材料，并首先在奔驰高等轿车上使用，使得电致变色材料在汽车玻璃窗中的应用得到进一步提升。2008年7月，波音787客机客舱窗玻璃淘汰了机械式舷窗遮光板，采用了电致变色技术，第一次让电致变色器件应用到航空领域。

1.1 器件结构及材料

电致变色的材料各异，但电致变色器件的结构大多相似：在两层透明导电层间加载一定量电压。在电压作用下，电子和离子一起注入电致变色层，发生氧化还原的电化学反应，使其着色。在电致变色材料发生氧化还原反应时，离子存储层储存相应的反离子，保持整个系统电荷平衡。当施加反向电压时，电子和离子从着色的电致变色层中抽出，从而褪色。电致变色系统的结构，如图1所示。

电致变色器件的结构及工作原理如下：

（1）衬底（Glass Substrate）。

衬底为电致变色器件的最外层，作用是保护和支撑器件内各层，不受外部环境的影响。通常是透明、柔性材料或普通玻璃。

（2）透明导电层（Transparent Conductor）。

透明导电层是电极材料，在电化学反应中为电致变色器件提供电子导体，通常具有高电导率和透光性。常见的是掺锡氧化铟薄膜和掺氟氧化锡薄膜。

（3）电致变色层（Electrochromic Layer）。

作为电致变色器件的核心，电致变色层对整个器件的性能起到决定性的作用。这是一层电致变色薄膜，主要由沉积在透明导电层上的电致变色材料组成。

（4）离子导体层（Ion Conductor）。

离子导体层是提供电致变色材料所需补偿离子的场所，是传导电子与离子的通道，又称电解质层。

（5）离子储存层（Counter-Electrode）。

离子储存层的主要作用是存储和提供电致变色所需的离子，从而起到平衡电荷的作用，也称对电极层。

1.2 关键性能指标

电致变色器件的关键性能指标包括以下几个方面：

（1）光的调制幅度。

光的调制幅度是指电致变色器件在透明状态和着色状态的透光率的差值，反映了器件在着色前后颜色的对比度，调制幅度越大，则性能越好。

（2）着色效率。

着色效率是指电致变色器件着色过程中，注入单位电荷密度的光密度变化值，它是电致变色器件最重要的性能指标之一。

（3）响应时间。

响应时间是指电致变色器件从一种状态到另一种状态所需的转换时间，也是离子嵌入与迁出反应的时间常数。该性能指标由分散途径的长度和离子的分散系数决定，前者取决于器件中电致变色材料的微观结构与形貌，而后者则依赖器件中电致变色材料的晶体结构。

（4）循环寿命。

在持续对电致变色器件施加正反向电压时，电致变色器件会在着色态和褪色态间循环，这时可测定其循环次数和器件电致变色性能，例如透光率、响应时间等变量间的关系。电致变色器件的性能无法满足应用需求时，该循环次数即为电致变色器件的循环寿命。

2 智能舷窗现有产品及开发状态

智能舷窗和传统舷窗类似，分外层、中层和内层。传统舷窗的中间层一般为丙烯酸纤维材料，而智能舷窗的中间层为电致变色材料。

2.1 现有产品结构及主要参数

现有搭载智能舷窗的机型，其AlteosTM遮光组件安装在内层防尘窗和外层结构窗之间。其智能舷窗的结构，如图2所示。

图2 智能舷窗结构图

智能舷窗考虑了人机交互体验，乘客可通过按舷窗下方或扶手边的调节按钮自行调节舷窗亮度；因为不需要加装遮光板，舷窗的尺寸更大，重量却更轻；AlteosTM遮光组件可阻挡99.97%的可见光，同时可有效阻挡高空紫外线；此外，智能舷窗的维护较为便捷，可打开飞机内侧防尘罩更换AlteosTM组件。

2.2 关键性能分析

智能舷窗在提高旅客乘机体验和舒适性方面得到了广泛好评，但也需深入研究其风险和缺点，通过对智能舷窗的安全性、舒适性、经济性和维修性的分析，进一步论证智能舷窗的应用可行性。

2.2.1 安全性

（1）中间层电致变色组件不承受客舱压力，因此对结构强度并无特殊要求，使用电致变色组件也不会影响外层承压结构窗户的选择。

（2）电致变色材料技术由美国 Gentex公司提供，该公司在汽车等市场上已有超过1亿件产品，大样本数据可充分证明其安全性。

（3）AlteosTM遮光组件已在B787和King Air 350i飞机上成功应用。

（4）机组可在需要时统一控制舷窗亮度，在飞机起飞着陆过程和应急状态下，无须每位靠窗乘客拉开遮光板，提高了飞机起降安全。

（5）断电时，AlteosTM遮光组件由备用电源供电，默认状态为透光，保证飞行中遇到故障时的安全性。

2.2.2 舒适性

智能舷窗在舒适性方面优于传统舷窗：

（1）乘客可以根据喜好调节舷窗亮度，不同于传统舷窗只有遮光板打开和关闭，电致变色窗户可以让旅客在欣赏窗外风景的同时不会感到光线刺眼。

（2）有效阻挡紫外线。

（3）阻挡红外线辐射，降低客舱温度，提高空调和通风设备效率。但ANA航空2012年的客户满意度调查显示，有12%的乘客不喜欢智能舷窗，主要是舷窗调到最暗时仍可透光，对于远程航线需休息的乘客来说遮光能力不够。PPG随后更新了产品，遮光率从 9993%提高到 99997%。

2.2.3 经济性

采用智能舷窗可达到减重目的。根据PPG公司提供的数据，相同尺寸前提下，智能舷窗相对于传统舷窗可减重34%。

智能舷窗目前属于新技术，成本约为传统舷窗的2倍，随着该技术在民用飞机中的不断普及，成本有望逐步递减。

智能舷窗耗电量不高，功率需求最大为60W。

2.2.4 可维护性

AlteosTM遮光组件寿命可达70000循环，属于航线更换件，维护简便，可直接打开飞机内侧防尘罩更换 AlteosTM组件。

但在可维护性方面也存在缺点：

（1）目前只有少数公司有维修能力，维护成本高。

（2）据部分旅客反映，调光按钮和电致变色玻璃的故障概率高。

2.3 潜在风险点分析

智能舷窗作为民用航空新技术，其应用还存在如下风险：

（1）技术风险：B787作为首款使用智能舷窗的机型，进入市场不到5年，其可靠性、维修率均有待市场检验。

（2）供应商风险：目前拥有批产项目的智能舷窗供应商较少（其余均为研发阶段），供应商可选范围窄，其价格和质量等因素尚存在一定风险。

（3）客户风险：虽然国内运营B787飞机的航空公司普遍认可智能舷窗优点突出，舒适性和智能化程度高，但仍有少数乘客表示智能舷窗遮光性能不好，维修率高。

综上所述，智能舷窗和传统舷窗和主要差异，如表1所示。

通过对比可以看出，尽管智能舷窗当前还不够成熟，但其光线可调、有效挡紫外线和红外线、重量轻的优势非常突出。若假以时日，使其成本和维护便利度的劣势将逐步消失；而其舒适性、安全性方面的优势，将使其具有逐步取代传统舷窗的潜质。

3 智能舷窗未来发展趋势

尽管可控光线的智能舷窗尚未在当前民用飞机中普及，但供应商已经开始了下一代智能舷窗的研发工作。

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）产品为例，除了上述所说的可通过基本的触控按钮调节舷窗明暗之外，又开发出通过CAN总线通信、CMS接口，及RS485通信协议等方式，与智能终端（如iPad）进行交互的操作方式，增强智能舷窗的可玩性。如图3所示。

如果说Fokker公司在智能舷窗方面进行了一些试探性的研究，那么Vision Systems公司的开发步伐则显得更为激进。其最新一代研发的产品Acti-Vision互动舷窗，为智能舷窗加载了信息可视界面。如图4所示。

该系统可为乘客提供更多的信息及服务，除了灯光控制外，支持民用飞机及航空公司为旅客增加飞机及旅途信息（包括实时位置显示）、机票业务办理、机上餐饮、呼叫服务、盥洗室指示灯、报刊杂志、广告、小游戏等一系列扩展功能。这也为航空公司提供特色增值服务，提升自身品牌价值，及赢取更多利润创造了条件。

3.2 智能舷窗在客舱娱乐功能应用的局限性

智能舷窗未来可实现的诸如与智能终端互联、信息显示等新功能，不仅可为靠窗座位提供更多服务，也有助于提升客户满意率及靠窗座位票价。但与此同时，还存在一定局限性，制约其快速发展。

（1）在当今的民用客机客舱布局中，通常有60%～80%的乘客的座位并不靠窗，智能舷窗对旅客的覆盖率并不高。

（2）在商务机、私人飞机中，很多舷窗周围却没有安排座椅。

（3）人们所能携带的智能电子设备与日俱增，其功能性、便携性、信息量、更新速度，均远超智能舷窗所能提供的服务。这将成为未来制约智能舷窗在客舱娱乐系统中占据一席之地的因素。

前述两个正处于研发中的智能舷窗项目，尚未投入使用。尽管由于前面提到的几种原因，使其应用范围存在一定局限性，但从各供应商的研发路线及规划中看出，对深度智能化的舷窗，仍持乐观态度；同时从大多数的旅客体验来看，对智能舷窗也是积极的反馈居多。未来智能舷窗的趋势仍会是科技化、信息化、更多人机交互，并将舷窗的功能发挥到极致。

4 结论与展望

目前民用飞机采用大尺寸的舷窗设计已经成为一种趋势，未来智能舷窗的应用将更为广泛。本文阐述了电致变色材料和B787使用的智能舷窗结构及产品特性，同时分析了智能舷窗安全性、舒适性、经济性和维修性方面的优劣，以及大范围应用的潜在风险，得出智能舷窗可逐步取代传统舷窗的结论。

科技化、信息化、更多人机交互是智能舷窗以及未来民用飞机客舱内饰发展的一种趋势，随着其可靠性的不断提高，优势也会愈加明显。最终会对提升旅客的航空体验及满意率，起到积极的作用，进而促进航空公司围绕其开发更多特色增值服务。

从本文论述的智能舷窗技术进一步拓展，可考虑将其应用于驾驶舱挡风玻璃的遮阳板上。国内大多数机型中采用的遮阳板，均为手动式半透明玻璃板。当阳光强烈刺眼时，由飞行员手动将遮阳板拉下，而半透明玻璃板本身的透光率并不可调。

若将上文提及的智能舷窗中的可变透光率调节，以及智能信息可视界面功能，搭载至驾驶舱挡风玻璃中，实现类似高端汽车抬头显示功能，则可为提升国内民用飞机科技含量，改善飞行员驾驶舒适性，进而为提升航空公司乃至中国民用飞机的形象，均具有一定指导意义。

参考文献

[1]罗腾腾. 关于某型飞机客舱舷窗组件设计的分析与研究[J].民用飞机设计与研究， 2012，（3）： 5759.

[2]马董云.智能窗用有机/无机电致变色薄膜的结构与性能调控及器件设计[D].上海：东华大学，2013.

[3]曾艺.民用飞机客舱智能舷窗系统设计[J].航空科学技术， 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]杨树威. 新型自供能电致变色材料和器件的探索及研究[D].合肥：中国科学技术大学，2013.

[6]徐轶辰. 民用飞机舷窗透明件的设计与分析 [J].科技信息， 2103， （18）： 490490.

[7]季光明. 大型商用飞机客舱舷窗有机玻璃应用进展[J]. 世界橡胶工业， 2103， （18）： 490490.