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【科技在線】

與飛機(jī)碰撞的世界性難題對(duì)比，西北工業(yè)大學(xué)教授李玉龍經(jīng)過(guò)幾年的鉆研，最近提出了新的設(shè)計(jì)理念，取得了鳥(niǎo)碰撞研究行業(yè)創(chuàng)新的重大突破。

年12月17日，中國(guó)海軍東海艦隊(duì)的飛機(jī)在訓(xùn)練中發(fā)生飛行事故，飛機(jī)墜毀，船員立即跳傘，事故中沒(méi)有人員傷亡。 消息公布后，受到了社會(huì)各方面的關(guān)注。

調(diào)查結(jié)果表明，事故真相是戰(zhàn)斗機(jī)墜毀是因?yàn)榭赵谑鹿手惺艿搅锁B(niǎo)的撞擊。 在此次事件中，事故發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)壁存在長(zhǎng)約80厘米、寬約10厘米的噴射狀血跡，在內(nèi)部葉片上發(fā)現(xiàn)多處軟組織殘留痕跡。

據(jù)鑒定，判斷發(fā)動(dòng)機(jī)葉片損傷是由鳥(niǎo)的碰撞引起的，碰撞的是體重1~1.3公斤左右的成年鴨子。

鳥(niǎo)的碰撞是世界性的難題

為什么重量最多只有幾公斤，飛行速度比較慢的小鳥(niǎo)，會(huì)對(duì)那架巨大得多的飛機(jī)造成這么大的傷害？

我們說(shuō)的鳥(niǎo)撞飛機(jī)，實(shí)際上是飛機(jī)撞鳥(niǎo)，問(wèn)題的根源是飛機(jī)運(yùn)行中的高速，而不是鳥(niǎo)自身的質(zhì)量。

根據(jù)動(dòng)量定理，0.45公里的鳥(niǎo)撞上時(shí)速800公里的飛機(jī)時(shí)，7公里的大鳥(niǎo)會(huì)撞上時(shí)速960公里的153公里的飛機(jī)，沖擊力達(dá)到144噸。

高速運(yùn)動(dòng)使鳥(niǎo)的破壞力驚人，足以用一只麻雀摧毀著陸時(shí)飛機(jī)的引擎。 鳥(niǎo)類(lèi)的生物學(xué)特征決定了不作為速度而是作為是否能飛離距離的評(píng)價(jià)基準(zhǔn)，但由于飛機(jī)的高速化，反應(yīng)來(lái)不及，成為了犯人和犧牲者。

鳥(niǎo)的碰撞是目前世界性的難題。 據(jù)國(guó)際航空空協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，1912年以來(lái)，鳥(niǎo)撞至少造成63架民航空機(jī)事故的軍用飛機(jī)速度較快，鳥(niǎo)撞危害更為嚴(yán)重，1950年以來(lái)文獻(xiàn)記載的重大事故超過(guò)353起，為數(shù)不多。 從1992年到2008年，我國(guó)軍用飛機(jī)因鳥(niǎo)撞造成20起嚴(yán)重飛行事故、58起飛行事故征象和210起飛行問(wèn)題，18架飛機(jī)墜毀，12名飛行員遇難。

多次以飛機(jī)致人死亡空慘烈血淋淋的事實(shí)警告我們，防止飛機(jī)鳥(niǎo)撞必須列入人類(lèi)科學(xué)研究的重大課題。

面對(duì)頻發(fā)的鳥(niǎo)撞事故，目前常用的處理方法是滅鼠，常用的有空氣炮、錄音滅鼠、捕獵猛禽、仿生機(jī)器人等。 通過(guò)積極驅(qū)除鳥(niǎo)類(lèi)，飛機(jī)相撞事故的發(fā)生大幅減少，但百密一疏，根本無(wú)法處理問(wèn)題。

除了驅(qū)除鳥(niǎo)，第二個(gè)方法是給飛機(jī)本身設(shè)計(jì)抗鳥(niǎo)撞擊的設(shè)計(jì)。

抗鳥(niǎo)撞飛機(jī)的設(shè)計(jì)在國(guó)際上一般使用兩種理念。 一個(gè)是堅(jiān)硬的碰撞，通過(guò)改善飛機(jī)的材料，提高強(qiáng)度來(lái)應(yīng)對(duì)鳥(niǎo)碰撞帶來(lái)的巨大沖擊力。 但是，該方法對(duì)材料要求高，必須重量輕，強(qiáng)度高，受材料技術(shù)和價(jià)格的限制。

二是使用吸能材料。 就像海綿吸水一樣，機(jī)體的材料吸附?jīng)_擊力，防止飛機(jī)的結(jié)構(gòu)受到損失。 該方法目前在汽車(chē)上的應(yīng)用非常普遍，但對(duì)飛機(jī)上應(yīng)用的研發(fā)和推廣程度也很困難。

鳥(niǎo)撞的原理來(lái)源于大禹比堵車(chē)生疏

與這個(gè)世界性難題對(duì)比，西北工業(yè)大學(xué)的李玉龍教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新地提出了新的設(shè)計(jì)理念。 其理念的核心是疏導(dǎo)能源而不是對(duì)抗能源。 正如大禹治水一樣，堵車(chē)是下策，疏導(dǎo)是好方法。 李玉龍教授形象地說(shuō)。

事實(shí)上，從禹疏優(yōu)于堵車(chē)的理念中得到了啟發(fā)，球隊(duì)不僅僅是改變強(qiáng)度和材料，而是考慮通過(guò)改善機(jī)體結(jié)構(gòu)來(lái)應(yīng)對(duì)鳥(niǎo)撞。

李教授做了如下說(shuō)明。 鳥(niǎo)做了軟件，在高速撞擊的過(guò)程中，表現(xiàn)出液態(tài)，就像水碰到木板一樣。 既然是這樣的流體，我們就可以更合理地引導(dǎo)它。

李玉龍教授

以尾翼為例，這里需要保護(hù)的是主梁，因?yàn)樗谋澈蟾接兄匾脑O(shè)備、設(shè)備。 李教授和團(tuán)隊(duì)在尾翼上內(nèi)置了三角形蒙皮，用與活鳥(niǎo)同等質(zhì)量的硅模塊以644km/h的速度進(jìn)行了沖擊試驗(yàn)。 尾翼受到?jīng)_擊后，表皮變形為葉片一樣的利器，通過(guò)使沖擊物飛濺，分散沖擊產(chǎn)生的動(dòng)能，確保機(jī)體的健全性。

困難的是，現(xiàn)有的研究很少考慮這一立場(chǎng)。 李教授說(shuō)，另一個(gè)難點(diǎn)是，在增加結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，機(jī)翼原有的重量是無(wú)法改變的。 否則，機(jī)體整體的氣體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)將發(fā)生變化。 需要減輕機(jī)翼其他部分的重量，且提高強(qiáng)度。

從理論到應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)行一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 實(shí)驗(yàn)不僅可以驗(yàn)證理論，很多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以進(jìn)一步修改和豐富理論。 李教授說(shuō)，很多時(shí)候，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和理論預(yù)想有很大的偏差，乍一看很簡(jiǎn)單的原理背后，是整個(gè)團(tuán)隊(duì)夜晚的延續(xù)、持續(xù)多年的摸索速度、結(jié)構(gòu)上的某處微妙變化，結(jié)果大不相同。 小組陸續(xù)提出了一些安排，但都存在一定的問(wèn)題。

為了進(jìn)一步加快研究開(kāi)發(fā)效率和實(shí)驗(yàn)成功率，小組使用了模擬實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法。 經(jīng)過(guò)多年反復(fù)驗(yàn)證，小組模擬的結(jié)果終于與實(shí)際實(shí)驗(yàn)基本一致！ 進(jìn)一步驗(yàn)證了李教授提出的理念的可行性和比較有效性。

年夏天，李教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過(guò)了美國(guó)專利認(rèn)證，今年將取得法國(guó)專利。 而且該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于許多軍用、民用飛機(jī)，取得了非常好的效果，其中包括我國(guó)的大型飛機(jī)c919。

據(jù)李教授介紹，事實(shí)上，鳥(niǎo)撞的研究行業(yè)不僅限于飛機(jī)，在高鐵和汽車(chē)高速運(yùn)行的環(huán)境下，如何防止鳥(niǎo)和高處落石等日常交通手段也是該行業(yè)的研究拷貝。

鳥(niǎo)撞實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用

除了機(jī)翼，飛機(jī)上另一個(gè)易受鳥(niǎo)撞的災(zāi)區(qū)是飛機(jī)引擎，鳥(niǎo)撞事故的30%~40%由引擎發(fā)生。

對(duì)比發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，十幾年來(lái)，李教授團(tuán)隊(duì)投入大量能量在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐中，開(kāi)發(fā)了鳥(niǎo)撞發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，目前已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。

在與國(guó)內(nèi)航空空相關(guān)公司的合作中，團(tuán)隊(duì)研制的鳥(niǎo)撞地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備鳥(niǎo)撞防止空空氣炮，適航精度達(dá)到1.5%~2% (常規(guī)水平為3% )，保證了子彈發(fā)射精度準(zhǔn)確。 目前，空空氣炮已經(jīng)在國(guó)內(nèi)許多航空空實(shí)驗(yàn)室使用。

無(wú)論是抗鳥(niǎo)撞擊的結(jié)構(gòu)，還是炮彈，都需要依靠嚴(yán)密的測(cè)試方法和設(shè)備，以及大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 靜態(tài)實(shí)驗(yàn)比較容易，但在沖擊狀態(tài)下，屈服應(yīng)力、流動(dòng)應(yīng)力、破壞應(yīng)力等材料的結(jié)構(gòu)特性發(fā)生較大變化。 如何進(jìn)行材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試是處理鳥(niǎo)撞問(wèn)題的重要因素。 這正是李玉龍隊(duì)的另一張照片。 是高變形速度、高溫環(huán)境下的力學(xué)性能測(cè)試。 目前相關(guān)設(shè)備出口到美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家。

據(jù)悉，加固結(jié)構(gòu)已經(jīng)在arj21-700飛機(jī)上得到驗(yàn)證，目前處于適航要求的模擬階段。 如果成功，將從主機(jī)中減去10.5kg公斤的重量。

采訪結(jié)束時(shí)得知，球隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是將機(jī)翼的耐沖擊力提高到1.8公斤，尾翼則提高到3.6公斤。 也就是說(shuō)，對(duì)抗鳥(niǎo)撞的條件要求更高，更苛刻。