民航网
民航网 - 民航新闻 - “飞机撞鸟”世界性难题有新突破
新闻搜索
“飞机撞鸟”世界性难题有新突破
来源:互联网  编辑:民航网CAAC.com.cn  日期:2016-04-26

  原标题:“飞机撞鸟”世界性难题有新突破

  刘建平 郑真 张阿娇 中国青年报·中青在线记者 孙海华《中国青年报》(2016年04月26日11版)

“鸟撞”目前是世界性难题。西北工业大学供图 李玉龙教授 郭友军/摄

  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。

  “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。

  本报西安4月25日电


我有话说

用户 密码

主办单位::@民航网 国盛泰富航空基金会   &copy2012-2014 CAAC.com.cn   粤ICP备13020029号  企业认证 信息纠错 自助登记 新闻发布 广告刊登