“飞机撞鸟”世界性难题有新突破

　　图：“鸟撞”目前是世界性难题。西北工业大学供图

　　针对“飞机撞鸟”的世界性难题，西北工业大学李玉龙教授团队经过数年钻研，新近提出一种新的设计理念，获得抗鸟撞研究领域的创新性重大突破。

　　2015年12月17日，我国海军东海舰队一架飞机在训练中发生飞行事故，飞机坠毁，机组人员及时跳伞，事故未造成人员伤亡。消息发布后受到社会各方关注。

　　经调查，事故真相披露：战机坠落是因为在空中意外遭受鸟撞。在此次事件中，失事发动机进气道内壁存在一条长约80厘米，宽约10厘米的喷射状血迹，并在内部叶片上发现多处软组织残留痕迹。

　　经鉴定，判定为发动机叶片损坏为鸟撞所致，所撞击的是一只体重在1～1.3千克左右的成年绿头鸭。

　　李玉龙教授 郭友军/摄

　　“鸟撞”是世界性难题

　　为什么一只重量至多几公斤、飞行速度相对缓慢的小鸟，会对比它庞大得多的飞机造成如此大的伤害?

　　我们所说的“鸟撞飞机”，实际上是“飞机撞鸟”，问题的根源就在于飞行器运行中的高速，而不是鸟类本身的质量。

　　根据动量定理，一只0.45公斤的鸟与时速800公里的飞机相撞，会产生153公斤的冲击力;一只7公斤的大鸟撞在时速960公里的飞机上，冲击力将达到144吨。

　　高速运动使鸟的破坏力达到惊人的程度，一只麻雀就足以撞毁降落时的飞机发动机。而鸟类的生物特性，决定了它以距离而非速度作为“是否飞走”的判断基准，但飞机的高速度让它还来不及反应，就变成了“凶手”和牺牲者。

　　“鸟撞”目前是世界性难题。根据国际航空协会统计，1912年以来，鸟撞至少导致63架民用航空器失事;军用飞行器速度快，鸟撞危害更为严重，1950年以来文献记载的严重事故超过353起，至少165人遇难。1992～2008年，我国军用飞机因鸟撞造成20起严重的飞行事故、58起飞行事故征候和210起飞行问题，导致18架飞机坠毁、12名飞行员牺牲。

　　一次又一次机毁人亡的空难用“惨烈”“血淋淋”的事实警示我们，飞机防鸟撞必须要列入人类科学研究的重大课题了。

　　面对频发的鸟撞飞机事故，目前普遍采用的解决办法是驱鸟，常用的有空气炮、录音驱鸟、猎杀、豢养猛禽、仿生航模驱鸟等。虽然主动驱鸟在很大程度上减少了鸟撞飞机事故的发生，但百密一疏，仍不能从根本上解决问题。

　　除了驱鸟，第二种方法就是对飞机本身进行“抗鸟撞”设计。

　　在抗鸟撞飞机设计上，国际上通常采用两种理念。一种是“以硬碰硬”，通过改善飞机材料，以提升强度来应对鸟撞产生的巨大冲击力。但这种做法对材料的要求很高，既要重量轻又要强度高，会受到材料技术及成本的限制。

　　二是采用吸能材料。如同海绵吸水，机体材料会吸附冲击力，保证飞机结构不受损失。这种做法目前在汽车上的应用非常普遍，但对于飞机上应用的研发和普及程度而言，也是件难事。

　　“鸟撞”原理来源于大禹“疏胜于堵”

　　针对这一世界性难题，西北工业大学李玉龙教授团队创新性地提出了一种新的设计理念。其理念的核心就是“以疏导能量代替对抗能量”，“就像大禹治水，‘堵’是下下策，‘疏导’才是良方。”李玉龙教授形象地说。

　　事实上，正是从大禹“疏胜于堵”的理念获得启发，团队想到通过改善机身结构的办法来应对鸟撞，而不是单纯改变强度和材料。

　　李教授是这么解释的：“鸟作为一个软体，在高速撞击的过程中，表现出的是一个液态的状态，就像水打在一块板子上一样，既然是这样的流体，那么我们就可以把它疏导得更合理。”

　　以尾翼为例，这里最需要保护的是主梁，因其背后附有重要的器件设备。李教授和团队在尾翼内置了一块三角形的蒙皮，用与活鸟同等质量的硅胶模块，以644km/h的速度进行冲击试验。当尾翼受到撞击，蒙皮变形成像刀片一样的利器，将冲击物飞开，从而分散冲击产生的动能，保证机身完好。

　　“难就难在，现有的研究很难考虑到这个角度。”李教授表示，另一个难点，在于增加结构的同时，却不能改变机翼的原本重量，不然整个机身的气体动力学结构都会改变。这就需要在减少机翼其他部分重量的同时，提升强度。

　　从理论到实现应用，需要一系列的实验验证。实验不仅可以验证理论，同时很多的实验数据也可以进一步修正和丰富理论。李教授说，很多时候，实验下来的结果和理论预想存在很大的偏差，看似简单的原理背后，却是整个团队夜以继日、连续多年的摸索——速度、结构上任何一处细微的变化，导致的结果将大相径庭。团队曾经一连提出几种构型，都存在一定的问题。

　　为了进一步加快研发效率与实验成功率，团队采用“仿真实验”与“现实实验”相结合的方式。经过多年反复验证，团队仿真实验的结果终于与真实实验几乎完全吻合!进一步验证了李教授所提出理念的可行性与有效性。

　　2015年夏天，李教授团队研发的“加强结构”已经通过了美国专利认证，今年就要拿到法国专利。而且，这项技术已经应用到了很多军用、民用的飞机上，也取得非常好的效果，其中就包括我国的大飞机C919。

　　据李教授介绍，事实上，“鸟撞”的研究领域并不限于飞机上，日常交通工具如高铁、汽车在高速运行的环境下，如何防范飞鸟、高处的落石等都是该领域的研究内容。

　　“鸟撞”实验系统已得到应用

　　除了机翼，飞机上另一个最易受鸟撞击的“重灾区”就是飞机发动机，30%～40%的鸟撞事故发生在发动机上。

　　针对发动机结构，十几年来，李教授团队投入大量的精力在试验和实践中，研发出了一套针对“鸟撞”发动机的实验设备，目前已经得到了良好的应用。

　　在与国内航空相关单位的合作中，团队研发出的抗鸟撞地面实验设备——抗鸟撞空气炮，适航精度能达到1.5%～2%(一般水平在3%)，保证了炮弹发射精度准确。目前，空气炮已被国内很多航空实验室采用。

　　不论抗鸟撞结构，还是炮弹，都需要依靠严密的测试方法和设备，及大量实验数据。静态实验相对容易，但在冲击状态下，材料的结构属性，如屈服应力、流动应力、破坏应力等因素均会发生极大的变化。如何做材料动态力学性能测试，才是解决抗鸟撞问题的关键因素。这也正是李玉龙团队的另一张王牌：高变形速率、高温环境下的力学性能测试。目前，相关设备已出口美国、澳大利亚等国家。

　　据悉，“加强结构”已经在ARJ21-700飞机上进行了验证，目前尚处于适航要求的仿真实验阶段。一旦成功，将会为机身减去10.5kg的重量。

　　记者采访结束时获悉：团队的下一步目标，是将机翼的抗冲击力提高到1.8kg，尾翼则要提高到3.6kg，这意味着，对抗鸟撞的条件要求更高、更严格。

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