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【科技在線】

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

年12月17日，中國海軍東海艦隊(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，事故中沒有人員傷亡。 消息公布后，受到了社會各方面的關(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的撞擊。 在此次事件中，事故發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)壁存在長約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)動機(jī)葉片損傷是由鳥的碰撞引起的，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，會對那架巨大得多的飛機(jī)造成這么大的傷害？

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

根據(jù)動量定理，0.45公里的鳥撞上時速800公里的飛機(jī)時，7公里的大鳥會撞上時速960公里的153公里的飛機(jī)，沖擊力達(dá)到144噸。

高速運(yùn)動使鳥的破壞力驚人，足以用一只麻雀摧毀著陸時飛機(jī)的引擎。 鳥類的生物學(xué)特征決定了不作為速度而是作為是否能飛離距離的評價基準(zhǔn)，但由于飛機(jī)的高速化，反應(yīng)來不及，成為了犯人和犧牲者。

鳥的碰撞是目前世界性的難題。 據(jù)國際航空空協(xié)會統(tǒng)計，1912年以來，鳥撞至少造成63架民航空機(jī)事故的軍用飛機(jī)速度較快，鳥撞危害更為嚴(yán)重，1950年以來文獻(xiàn)記載的重大事故超過353起，為數(shù)不多。 從1992年到2008年，我國軍用飛機(jī)因鳥撞造成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)鳥撞必須列入人類科學(xué)研究的重大課題。

面對頻發(fā)的鳥撞事故，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。 通過積極驅(qū)除鳥類，飛機(jī)相撞事故的發(fā)生大幅減少，但百密一疏，根本無法處理問題。

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

抗鳥撞飛機(jī)的設(shè)計在國際上一般使用兩種理念。 一個是堅硬的碰撞，通過改善飛機(jī)的材料，提高強(qiáng)度來應(yīng)對鳥碰撞帶來的巨大沖擊力。 但是，該方法對材料要求高，必須重量輕，強(qiáng)度高，受材料技術(shù)和價格的限制。

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。 該方法目前在汽車上的應(yīng)用非常普遍，但對飛機(jī)上應(yīng)用的研發(fā)和推廣程度也很困難。

鳥撞的原理來源于大禹比堵車生疏

與這個世界性難題對比，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)計理念。 其理念的核心是疏導(dǎo)能源而不是對抗能源。 正如大禹治水一樣，堵車是下策，疏導(dǎo)是好方法。 李玉龍教授形象地說。

事實(shí)上，從禹疏優(yōu)于堵車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，而是考慮通過改善機(jī)體結(jié)構(gòu)來應(yīng)對鳥撞。

李教授做了如下說明。 鳥做了軟件，在高速撞擊的過程中，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，通過使沖擊物飛濺，分散沖擊產(chǎn)生的動能，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。 李教授說，另一個難點(diǎn)是，在增加結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，機(jī)翼原有的重量是無法改變的。 否則，機(jī)體整體的氣體動力學(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，很多時候，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果和理論預(yù)想有很大的偏差，乍一看很簡單的原理背后，是整個團(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，但都存在一定的問題。

為了進(jìn)一步加快研究開發(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)開發(fā)的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)已經(jīng)通過了美國專利認(rèn)證，今年將取得法國專利。 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，其中包括我國的大型飛機(jī)c919。

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

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

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

對比發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)，十幾年來，李教授團(tuán)隊(duì)投入大量能量在實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐中，開發(fā)了鳥撞發(fā)動機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，目前已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用。

在與國內(nèi)航空空相關(guān)公司的合作中，團(tuán)隊(duì)研制的鳥撞地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備鳥撞防止空空氣炮，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)在國內(nèi)許多航空空實(shí)驗(yàn)室使用。

無論是抗鳥撞擊的結(jié)構(gòu)，還是炮彈，都需要依靠嚴(yán)密的測試方法和設(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)行材料的動態(tài)力學(xué)性能測試是處理鳥撞問題的重要因素。 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)性能測試。 目前相關(guān)設(shè)備出口到美國、澳大利亞等國家。

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)束時得知，球隊(duì)的下一個目標(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，對抗鳥撞的條件要求更高，更苛刻。