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      “飞机撞鸟”世界性难题有新突破

      2016年04月26日 18:14 中国青年报 微博
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        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“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?#20013;?#30340;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?#36335;?#21160;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?#25103;?#29616;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?#35748;?#23545;缓慢的小鸟,会对?#20154;?#24222;大得多的飞机造成如此大的伤害?

        我们所说的“鸟撞飞机?#20445;导?#19978;是“飞机撞鸟?#20445;?#38382;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?#36857;?#20294;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?#38590;?#37325;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?#25910;?#20505;和210起飞行问题,导致18架飞机坠毁、12名飞?#24615;?#29306;牲。

        一次又一次机毁人亡的空难用?#23433;?#28872;”“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?#20445;?#36890;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?#38590;?#21457;?#25512;?#21450;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?#20013;?#30340;设计理念。其理念的核心就是“以疏导能量代替对抗能量?#20445;?#23601;像大禹治水,‘堵’是下下策,‘疏导’才是良?#20581;!?#26446;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?#28023;?#22240;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?#21892;ぃ?#29992;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,?#21892;?#21464;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?#38590;?#31350;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?#23616;?#37327;,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?#31181;?#37327;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?#37096;?#20197;进一步修正?#22836;?#23500;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,?#27492;?#31616;单的原理背后,却是整个团队夜?#32422;?#26085;、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,?#21363;?#22312;一定的问题。

        为了进一步加快研发效?#35270;?#23454;验成功率,团队采用“仿真实验”与“现实实验”相结合的方?#20581;?#32463;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”?#38590;?#31350;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?#38590;?#31350;内容。

         “鸟撞”实验系统已得?#25509;?#29992;

        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?#21490;?#29983;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?#23548;?#20013;,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?#25925;?#24615;,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?#25628;?#35777;,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

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