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科学家解决飞机撞鸟难题 从大禹治水获启发

电影《愤怒的小鸟》正在热播。看着小鸟像炮弹一样砸向对岸的绿猪,想必是件痛快的事。但如果将愤怒的小鸟砸向飞机,结果会怎样?一个是“大铁鸟”,一个是小飞鸟,后果似乎可想而知。然而在很多人看来无异于“以卵击石”的事,真实结果却并不像游戏那样好玩。

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鸟“撞”飞机?实际上是飞机“撞”鸟

对飞机来说,“鸟撞”目前是世界性难题。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。

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”,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。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;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。针对这一世界性难题,国家重点学科“固体力学”学科带头人、西北工业大学航空学院“先进结构与材料研究所”所长——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”。

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从大禹“疏胜于堵”获得了启发

李玉龙教授表示:“这个新理念就像大禹治水,‘堵’是下下策,‘疏导’才是良方。”

事实上,正是从大禹“疏胜于堵”的理念获得启发,李玉龙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。”

据介绍,飞机尾翼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,作用于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,将冲击物切开,从而分散冲击产生的动能,保证机身完好。

李教授三言两语,就让在场的非专业人士理解其原理。谁曾想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。直到2000年左右,团队才终于提出“加强结构”(Optimize Structure)这个全新构型。接下来,又是一段漫长的验证过程。

“难就难在,一般情况下想不到这个角度。”李教授如是说。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。

“加强结构”将应用于C919大飞机

“工欲善其事,必先利其器”。为了验证“加强结构”的合理性,十几年来,李教授团队在试验和实践中投入大量的精力。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。更重要的是,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!今后,该结构将应用于C919大飞机的平尾结构。

西工大的抗鸟撞研究,已成为全国航空界、力学界交口称赞的名牌研究领域。(来源:西安日报)

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