飞机“鸟撞”难题有了新解法

    鸟撞飞机，这是一个可怕的世界性难题。

    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年至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。

    为什么一只重量至多几公斤、飞行速度相对缓慢的鸟，会对庞大得多的飞机造成如此大的伤害？如何避免此类事故，西北工业大学李玉龙教授团队潜心研究，终于有了新的突破。

为什么飞机“怕”鸟撞？

    我们所说的“鸟撞飞机”，实际上是“飞机撞鸟”，问题的根源在于飞行器的高速运行，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惊人，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。

    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，但在飞机上的研发和应用较少，普及还是件难事。

“疏导才是良方”

    针对这一世界性难题，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。”李玉龙形象地告诉记者。

    李玉龙是这么解释的：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，就像水打在一个板子上一样，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。

    这看似简单的原理背后，却是整个团队夜以继日、连续五六年的摸索过程。2000年左右，团队提出“加强结构”这个全新构型。接下来从仿真模拟实验到飞机实体实验，反复碰壁、求索，又是一段漫长的验证过程。

    2015年夏天，西北工业大学的“加强结构”已经通过了美国专利，今年就要拿到法国专利，而且这项技术已经开始应用，取得非常好的效果。

    实际上，鸟撞不仅发生在航空器上，而且日常交通工具如高铁、汽车在高速运行的环境下，都有可能遭遇鸟撞。因此，李玉龙教授团队的鸟撞研究领域并不仅限于抗鸟撞飞机，也涉及其他领域。

创新性打造精确高效的抗鸟撞实验

    除了机翼，飞机上最易受鸟撞击的关键部位还有发动机——30%~40%的鸟撞事故发生在发动机上。十几年来，针对发动机结构，李玉龙教授团队投入了大量精力去试验和实践，终于解决了发动机高速旋转状态下的全尺寸问题，在国内属首创。在与国内航空相关单位的合作中，团队研发出了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。

    “工欲善其事，必先利其器”。不论抗鸟撞结构也好、炮弹也罢，都需要依靠严密的测试方法和设备，以及大量的实验数据。静态实验或许容易，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。

    “团队的下一步目标，就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。”李玉龙教授说。

    （本报记者 张哲浩 本报通讯员 刘建平 郑真 张阿娇）