飞机上的窗户为什么是椭圆形（这就是飞机窗户是椭圆形的原因）

每天有成千上万的人乘飞机环游世界，但大多数人并不知道为什么飞机窗户是圆的。现在我们这一代的飞机旅行者认为窗户一直都是现在的形状，也就是椭圆形，但事实并非如此。在20世纪50年代以前，飞机确实有方形窗户。从方形窗户到圆形/椭圆形窗户的演变不仅仅是为了美观，这背后也有科学依据。这就是物理学的断裂力学。

1903年，莱特兄弟进行了人类的第一次飞行，但直到1952年，第一架喷气式客机才进行了第一次首次飞行。德哈维兰DH 106彗星型客机是载人客机的一次巨大的成功，因为它的加压舱，可以可以使它飞到35000英尺（10668米）高空。飞行高度越高，空气密度越低，这就减少了对结构的阻力，从而会更好的提升飞机的速度。当时这架飞机被认为是英国工程公司的壮举。甚至伊丽莎白女王也在1953年6月30日进行了一次特别的飞行，但这一名声并没有持续多久。两架DH 106彗星客机在半空中解体，造成56人死亡：英国海外航空781号班机在经历爆炸减压后坠入地中海，机上35人全部遇难，南非航空201航班在35000英尺(11000米)高空解体，机上21人全部遇难。

对两起事故都进行了广泛的调查。研究结果表明，半空中解体的原因是方形窗。事实上，德哈维兰在飞机生产过程中进行了多次测试，公司甚至证明了飞机在增压舱内不会发生故障。当时所有人都认为预生产测试是足够安全的，因为德·哈维兰公司进行了大量的实验测试。在设计过程中对平均应力进行了计算，发现平均应力小于材料极限强度的一半。对于飞行安全来说，这个计算结果似乎已经足够了，而德哈维兰没有进一步计算应力值，而是依赖测试作为彗星客机安全的主要证据。公司遗漏了一件事，它没有考虑到角落里的集中压力。

德哈维兰DH 106彗星，方窗

应力集中是由于物体几何形状的突然变化而引起的应力在体内的累积。当裂纹尖端、孔洞和截面面积减小导致机体几何形状发生突变时，这些裂纹尖端、孔洞附近的局部应力增大，截面面积减小。整体结构往往会在这些压力更集中的地方而被破坏。因此，为了防止结构被破坏，应该避免或减少压力集中。

几何突变引起的角点应力集中

研究发现，由于窗户和窗框呈方形，应力集中程度较高。角的突然变化是几何形状破坏了应力流，这与现代的圆形窗不同。由于角落处的应力较大，在结构的切口处往往有裂纹萌生的机会。飞行过程中飞机结构承受着各种载荷，所有的荷载都不是等量齐观的，而是循环的。这会导致疲劳负荷。疲劳载荷使裂纹在大的周期内扩展。但由于1954年对断裂力学的不了解，在飞机的设计中没有考虑裂纹扩展理论。压力舱的失效是由于疲劳裂纹的增长而引起的，这些裂纹很可能是由于飞机结构的缺陷而产生的，在早期的飞机设计中并没有出现问题，因为所需的舱内压力较低。德·哈维兰所进行的严格试验没有发现这一问题，这可能是由于在进行试验的次序方面有一组不完善的情况，在当时很难预料这一点。

方形和椭圆形窗口的应力集中

781航班半空解体的计算机动画

在这些惨痛的事故之后，彗星客机以无法恢复它以前的辉煌，1997年，彗星完成了它的最后一次飞行。彗星客机的失败使飞机制造商大吃一惊。从服役中撤回彗星1号后，在飞机上进行了广泛的疲劳试验。这有助于飞机制造商识别飞机的设计缺陷和关键区域。虽然1号彗星的事故是悲惨的，但它为未来飞机的安全开辟了新的领域。