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“飛機撞鳥”世界性難題有新突破
來源:互聯網  編輯:民航網CAAC.com.cn  日期:2016-04-26

  原標題:“飛機撞鳥”世界性難題有新突破

  劉建平 鄭真 張阿嬌 中國青年報·中青在線記者 孫海華《中國青年報》(2016年04月26日11版)

“鳥撞”目前是世界性難題。西北工業大學供圖 李玉龍教授 郭友軍/攝

  針對“飛機撞鳥”的世界性難題,西北工業大學李玉龍教授團隊經過數年鉆研,新近提出一種新的設計理念,獲得抗鳥撞研究領域的創新性重大突破。

  2015年12月17日,我國海軍東海艦隊一架飛機在訓練中發生飛行事故,飛機墜毀,機組人員及時跳傘,事故未造成人員傷亡。消息發布后受到社會各方關注。

  經調查,事故真相披露:戰機墜落是因為在空中意外遭受鳥撞。在此次事件中,失事發動機進氣道內壁存在一條長約80厘米,寬約10厘米的噴射狀血跡,并在內部葉片上發現多處軟組織殘留痕跡。

  經鑒定,判定為發動機葉片損壞為鳥撞所致,所撞擊的是一只體重在1~1.3千克左右的成年綠頭鴨。

  “鳥撞”是世界性難題

  為什么一只重量至多幾公斤、飛行速度相對緩慢的小鳥,會對比它龐大得多的飛機造成如此大的傷害?

  我們所說的“鳥撞飛機”,實際上是“飛機撞鳥”,問題的根源就在于飛行器運行中的高速,而不是鳥類本身的質量。

  根據動量定理,一只0.45公斤的鳥與時速800公里的飛機相撞,會產生153公斤的沖擊力;一只7公斤的大鳥撞在時速960公里的飛機上,沖擊力將達到144噸。

  高速運動使鳥的破壞力達到驚人的程度,一只麻雀就足以撞毀降落時的飛機發動機。而鳥類的生物特性,決定了它以距離而非速度作為“是否飛走”的判斷基準,但飛機的高速度讓它還來不及反應,就變成了“兇手”和犧牲者。

  “鳥撞”目前是世界性難題。根據國際航空協會統計,1912年以來,鳥撞至少導致63架民用航空器失事;軍用飛行器速度快,鳥撞危害更為嚴重,1950年以來文獻記載的嚴重事故超過353起,至少165人遇難。1992~2008年,我國軍用飛機因鳥撞造成20起嚴重的飛行事故、58起飛行事故征候和210起飛行問題,導致18架飛機墜毀、12名飛行員犧牲。

  一次又一次機毀人亡的空難用“慘烈”“血淋淋”的事實警示我們,飛機防鳥撞必須要列入人類科學研究的重大課題了。

  面對頻發的鳥撞飛機事故,目前普遍采用的解決辦法是驅鳥,常用的有空氣炮、錄音驅鳥、獵殺、豢養猛禽、仿生航模驅鳥等。雖然主動驅鳥在很大程度上減少了鳥撞飛機事故的發生,但百密一疏,仍不能從根本上解決問題。

  除了驅鳥,第二種方法就是對飛機本身進行“抗鳥撞”設計。

  在抗鳥撞飛機設計上,國際上通常采用兩種理念。一種是“以硬碰硬”,通過改善飛機材料,以提升強度來應對鳥撞產生的巨大沖擊力。但這種做法對材料的要求很高,既要重量輕又要強度高,會受到材料技術及成本的限制。

  二是采用吸能材料。如同海綿吸水,機體材料會吸附沖擊力,保證飛機結構不受損失。這種做法目前在汽車上的應用非常普遍,但對于飛機上應用的研發和普及程度而言,也是件難事。

  “鳥撞”原理來源于大禹“疏勝于堵”

  針對這一世界性難題,西北工業大學李玉龍教授團隊創新性地提出了一種新的設計理念。其理念的核心就是“以疏導能量代替對抗能量”,“就像大禹治水,‘堵’是下下策,‘疏導’才是良方。”李玉龍教授形象地說。

  事實上,正是從大禹“疏勝于堵”的理念獲得啟發,團隊想到通過改善機身結構的辦法來應對鳥撞,而不是單純改變強度和材料。

  李教授是這么解釋的:“鳥作為一個軟體,在高速撞擊的過程中,表現出的是一個液態的狀態,就像水打在一塊板子上一樣,既然是這樣的流體,那么我們就可以把它疏導得更合理。”

  以尾翼為例,這里最需要保護的是主梁,因其背后附有重要的器件設備。李教授和團隊在尾翼內置了一塊三角形的蒙皮,用與活鳥同等質量的硅膠模塊,以644km/h的速度進行沖擊試驗。當尾翼受到撞擊,蒙皮變形成像刀片一樣的利器,將沖擊物飛開,從而分散沖擊產生的動能,保證機身完好。

  “難就難在,現有的研究很難考慮到這個角度。”李教授表示,另一個難點,在于增加結構的同時,卻不能改變機翼的原本重量,不然整個機身的氣體動力學結構都會改變。這就需要在減少機翼其他部分重量的同時,提升強度。

  從理論到實現應用,需要一系列的實驗驗證。實驗不僅可以驗證理論,同時很多的實驗數據也可以進一步修正和豐富理論。李教授說,很多時候,實驗下來的結果和理論預想存在很大的偏差,看似簡單的原理背后,卻是整個團隊夜以繼日、連續多年的摸索——速度、結構上任何一處細微的變化,導致的結果將大相徑庭。團隊曾經一連提出幾種構型,都存在一定的問題。

  為了進一步加快研發效率與實驗成功率,團隊采用“仿真實驗”與“現實實驗”相結合的方式。經過多年反復驗證,團隊仿真實驗的結果終于與真實實驗幾乎完全吻合!進一步驗證了李教授所提出理念的可行性與有效性。

  2015年夏天,李教授團隊研發的“加強結構”已經通過了美國專利認證,今年就要拿到法國專利。而且,這項技術已經應用到了很多軍用、民用的飛機上,也取得非常好的效果,其中就包括我國的大飛機C919。

  據李教授介紹,事實上,“鳥撞”的研究領域并不限于飛機上,日常交通工具如高鐵、汽車在高速運行的環境下,如何防范飛鳥、高處的落石等都是該領域的研究內容。

   “鳥撞”實驗系統已得到應用

  除了機翼,飛機上另一個最易受鳥撞擊的“重災區”就是飛機發動機,30%~40%的鳥撞事故發生在發動機上。

  針對發動機結構,十幾年來,李教授團隊投入大量的精力在試驗和實踐中,研發出了一套針對“鳥撞”發動機的實驗設備,目前已經得到了良好的應用。

  在與國內航空相關單位的合作中,團隊研發出的抗鳥撞地面實驗設備——抗鳥撞空氣炮,適航精度能達到1.5%~2%(一般水平在3%),保證了炮彈發射精度準確。目前,空氣炮已被國內很多航空實驗室采用。

  不論抗鳥撞結構,還是炮彈,都需要依靠嚴密的測試方法和設備,及大量實驗數據。靜態實驗相對容易,但在沖擊狀態下,材料的結構屬性,如屈服應力、流動應力、破壞應力等因素均會發生極大的變化。如何做材料動態力學性能測試,才是解決抗鳥撞問題的關鍵因素。這也正是李玉龍團隊的另一張王牌:高變形速率、高溫環境下的力學性能測試。目前,相關設備已出口美國、澳大利亞等國家。

  據悉,“加強結構”已經在ARJ21-700飛機上進行了驗證,目前尚處于適航要求的仿真實驗階段。一旦成功,將會為機身減去10.5kg的重量。

  記者采訪結束時獲悉:團隊的下一步目標,是將機翼的抗沖擊力提高到1.8kg,尾翼則要提高到3.6kg,這意味著,對抗鳥撞的條件要求更高、更嚴格。

  本報西安4月25日電


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