ARJ21首次鸟撞试验:鸟体穿透机体进入驾驶舱

资料图：飞机撞鸟试验漫画。

　　不久前，海南航空公司HU7863航班遭遇惊险一幕，在飞行过程中，飞机雷达罩遭鸟类撞击。所幸飞机在合肥新桥机场安全着陆，没有造成人员伤亡。事后，海航取消了该飞机执飞的其他航班，对雷达罩进行检修。

　　虽然飞机有着“铁鸟”之称，但在空中高速飞行时撞上一只飞鸟，还是非常危险的，因此每架飞机起飞之前，机场都会进行专门的驱鸟工作。尽管如此，飞机鸟撞事故仍时有发生。

　　由于鸟撞事故给飞机带来的危害越来越大，鸟撞问题已经成为飞机设计中必须考虑的重要内容之一。在飞机设计中， 国外早在上世纪70年代就贯彻了抗鸟撞设计标准，我国近年来先后制定了各种关于鸟撞击的军标、航标和规范。在民机研制必须遵守的安全性适航规范CCAR25部中，就有3个条款对鸟撞提出了要求。在本期专题中，我们将通过ARJ21-700飞机的鸟撞试验，走进这个对大家来说有点陌生的领域。

　　ARJ21-700飞机是国内第一次严格按照CCAR25部进行设计的民用客机，能否顺利通过适航验证是其研制是否成功的标志，也是ARJ21-700飞机投入市场运营的通行证。

　　按照CCAR25部的要求，鸟撞适航验证工作是民用客机整体适航验证工作的一个重要组成部分，其结果直接关系到整型飞机能否取得适航证，也就是说，鸟撞验证不成功，ARJ21-700飞机就无法通过适航验证，投入运营更无从谈起。

　　由于缺乏相关设计及验证经验等原因，ARJ21-700飞机鸟撞适航验证工作走过了一段异常曲折的道路。

　　鸟撞初探

　　从失败中找寻方法 出现问题一一归零

　　2009年12月30日，ARJ21-700飞机进行了第一次鸟撞研发试验——机头座舱盖上壁板鸟撞研发试验，试验结果鸟体穿透结构进入驾驶舱，大大超出了原来的预料，这给飞机设计人员提出了一个全新的、无技术积累的、非常棘手的命题：结构不能满足抗鸟撞要求!

　　如何才能设计出能够满足抗鸟撞要求的结构呢?最直接的方法是“结构设计-试验-重新设计-再试验”，但是，我们的周期和经费都绝不允许。

　　由于国内首次严格按照适航标准开展民机鸟撞适航验证，ARJ21飞机面临的所有问题都是全新的内容，包括对条款的理解、所需的验证手段、采用的分析方法、试验如何开展、评判标准如何制定等等都要从零开始，全新制定，完全没有成熟的方法和流程可以借鉴。

　　仅以计算分析方法为例，由于国内飞机结构鸟撞动力学仿真分析起步较晚，目前已有的计算分析大多局限于简单板结构，对于复杂结构系统完全没有相关经验可以借鉴。但是显而易见，ARJ21-700飞机结构形式非常复杂、影响鸟撞动力学分析结果的因素非常之多，包括不同的结构形式、不同材料、不同连接形式、接触参数、摩擦系数、失效准则等等。这些因素相互作用，互相影响使得鸟撞动力学仿真分析异常复杂。

　　面临巨大的技术难题和挑战，中国商用飞机有限责任公司(Commercial Aircraft Corporation of China,Ltd.，简称“中国商飞”)相关部门和上海飞机设计研究院立刻着手进行困难分析，制定攻关策略，进行人员调配等一系列行之有效的方法。

　　我们成立了鸟撞IPT团队，包括强度、总体、结构、系统、四性等多个专业成员。正是IPT团队的存在才使得各专业协调效率大大提高，节约了大量时间，加快了进度。

　　公司领导及院领导都高度重视这一问题，给设计人员提供了很多咨询和调研机会，使得设计人员可以向国内外有经验的公司、单位学习。通过多方学习，加快了专业能力的提升，为快速有效的解决鸟撞问题奠定了坚实的基础。

　　公司和院领导积极帮助寻求各个方面的支持和合作，为鸟撞适航取证的开展提供了另一个新思路。从机头鸟撞与清华大学开展的合作，到垂尾鸟撞与美国ASC公司的合作，这些合作也为鸟撞问题的解决开拓了思路，提供了支持。

　　根据飞机取证实际周期要求，公司领导采取实事求是的态度果断决定对于平尾和垂尾这类鸟撞问题可以“先用保守方案通过适航验证，然后再进行减重优化”的原则，这大大加速了鸟撞验证的步伐。

　　从机头到平尾前缘，从机翼到垂尾，为了获取准确的鸟撞仿真分析结果，团队在两总系统的指挥下开展了大量的研发试验，反复修正分析方法，逐步摸索出一套工程可用的、合理的鸟撞动力学仿真分析方法，并得到了适航当局的高度认可。

　　尽管ARJ21-700飞机鸟撞验证工作周期十分紧张，但公司决不放松质量关。针对整个分析、试验、适航过程中出现的任何问题都严格控制、层层把关;对不同阶段设置评审节点、对出现的问题一一归零。

　　多次试验

　　机体强度经受住考验 国内首创民机“强度设计”概念

　　2010年6月26日至10月20日，ARJ21-700飞机机头4次试验在西安飞机强度研究所的103试验厂房里陆续完成，为ARJ21-700飞机后续鸟撞适航验证工作的顺利开展奠定了基础。

　　2011年5月31日至6月17日，ARJ21-700飞机机翼鸟撞的三次验证顺利完成。

　　2011年8月29日、30日， ARJ21-700飞机平尾鸟撞的两次适航验证试验顺利完成。

　　2011年10月30日，伴随着ARJ21-700飞机垂尾鸟撞第二点适航验证试验的圆满成功，ARJ21-700飞机垂尾鸟撞适航验证试验全部通过适航验证!

　　ARJ21-700飞机鸟撞适航验证工作在一系列的捷报频传中落下帷幕。在整个攻关过程中，研发中心不畏艰难，克服了人员严重不足、技术储备严重不足等多方面困难，在公司领导的指挥下，在院两总系统的带领下，不分白天黑夜加班加点，逐步深入研究，积极探索，从最初的举步维艰到目前取得了决定性胜利，经历了一个完整的科学探索的历程。

　　目前，ARJ21-700飞机鸟撞适航验证工作已经顺利完成。概括下来，通过ARJ21-700飞机鸟撞分析与适航验证工作，走通了一条民机鸟撞适航验证的工作流程，填补了国内空白;形成了一套鸟撞动力学仿真分析核心技术;开创了民机设计中多专业联合工作的新模式(IPT团队);首次实现了民机设计过程中真正意义上的“强度设计”的概念。

　　取得成果

　　提出“三结合抗鸟撞”思想 对后续机型具有指导意义

　　ARJ21-700飞机鸟撞分析与适航验证工作的完成，填补了我国民机制造业相关领域的空白，对C919飞机及后续机型的抗鸟撞设计工作具有直接指导意义，对我国大飞机研制及其他相关行业的发展具有重大意义。

　　针对CCAR25部抗鸟撞设计的相关要求，我们提出了综合考虑结构设计和系统设计相结合的安全性分析与适航验证思想(结构安全与系统安全相结合、总体布置与评判标准相结合、研发试验与分析修正相结合的“三结合抗鸟撞”设计思想);制订了机头、机翼、平尾、垂尾等各个部件的抗鸟撞合格判据;针对不同的部位和结构形式特点，总结整理出了飞机抗鸟撞设计原则。这在国内尚属首创，应用该验证思想成功完成了ARJ21-700飞机的抗鸟撞适航验证工作，得到了局方的认可和批准。

　　我们建立了一套完整的运输类飞机抗鸟撞设计、分析、试验技术体系，制订了相应的抗鸟撞适航符合性验证流程。该体系根据适航条款总体要求，制定了运输类飞机从设备合理布置-初步鸟撞分析-研发试验修正-结构设计更改-适航选点分析-适航验证试验-符合性分析说明的抗鸟撞设计及适航验证流程。该体系流程已成功应用于ARJ21-700飞机鸟撞适航验证工作中并得到了局方的认可，填补了国内在该领域的空白，在国内飞行器结构动力学领域具有突破意义。

　　我们提出了一套与试验验证相结合的鸟撞分析方法，包括鸟撞建模原则、鸟撞仿真分析技术、剩余强度和安全性评估准则等。开展了大量的鸟撞研发试验，并利用其结果反复修正仿真分析方法(包括建模方法、分析参数等)，最终建立了一套经试验验证的、能够较好的模拟真实鸟体撞击过程的建模方法和动力学仿真分析方法，是飞行器结构动力学理论在国内航空实际工程应用的一次突破。

　　该方法得到了适航当局的认可，并直接应用于ARJ21飞机的抗鸟撞适航验证工作中，发现了ARJ21-700飞机不能满足设计要求的薄弱部位，并依托仿真结果制订出了合理的结构更改方案;通过对不同部件各部位大量的对比分析，确定了有限几个典型位置作为飞机最终适航验证试验的位置，大大减少了试验件数量和试验次数，从而大幅度节约了设计成本，缩短了型号研制周期，具有很大的经济效益和社会效益。

　　我们提出了一套鸟撞研发和验证试验的方法，包括试验规划、试验方案、试验点位选取原则及适航监控程序，制订了运输类飞机鸟撞适航试验评判原则。根据适航条款要求，在国内首次制定了一套完整的运输类飞机鸟撞适航试验评判原则和体系，并得到了局方的高度认可。依托准确的鸟撞动力学仿真分析方法及适航试验评判体系选取了ARJ21-700飞机的鸟撞适航验证试验点，并完善提高了国内鸟撞试验技术。(中国商用飞机有限责任公司网站 作者为中国商飞上飞院研究员、副主任设计师)

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