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国航飞机鸟撞 强度试验有话说

核心提示: 3月22日,一架中国国际航空CA103客机从天津飞抵香港途中遭遇惊魂一刻,客机的机头与飞鸟迎面相撞,机头被撞穿了约1平方米的大洞,机长一度向香港机场报告求助,并派出救援车辆和救护车到现场戒备,所幸无人受伤。

鸟撞飞机。

空气炮。

人工鸟弹。

3月22日,一架中国国际航空CA103客机从天津飞抵香港途中遭遇惊魂一刻,客机的机头与飞鸟迎面相撞,机头被撞穿了约1平方米的大洞,机长一度向香港机场报告求助,并派出救援车辆和救护车到现场戒备,所幸无人受伤。消息发布后受到社会各方的关注。

顾名思义,鸟撞就是飞鸟与高速运动物体之间的撞击,其实“鸟撞”更准确的说法是“撞鸟”,因为飞鸟的运动速度一般比较慢,一般是高速运动体撞击到处于正常飞行状态的飞鸟。鸟撞飞机是一种突发性和多发性的飞行事故,一旦发生,存在造成灾难性事故的风险,直接威胁到空勤人员及旅客的生命安全,造成重大的经济损失,轻则导致被撞击结构部件的损坏,重则引发机毁人亡。随着航空事业的迅速发展,航班运营次数和低空高速飞行任务的增加,鸟撞飞机的事故近年来频繁发生。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年以来有记载的严重事故超过353起,至少165人遇难,国际航空联合会已把鸟害升级为“A”类航空灾难。

鸟撞对飞机安全有什么威胁?

通常撞鸟都是“追尾”或“对撞”事故,但对于大型民航客机来说,最怕鸟击的还是飞机正面部分。其中最坚强的应该是民航客机挡风玻璃,在鸟击碰撞测试中,飞机最高速时,风挡大约可以承受1.8千克重量的鸟的撞击。由于我们常见的鸟击都发生在飞机起飞降落阶段,此时速度更低,相同情况下能承受质量更大的鸟的撞击,因此风挡往往在事故后受损有限。现代民航客机机身蒙皮不超过2毫米,机翼部分会稍微加厚,但通常也不超过10毫米。不过现代大型民航客机在这一部分也有一定的安全冗余度,并不会因为一撞就整个失去控制。所以,这一块受损导致的事故在小型飞机上更为常见。

飞鸟与飞机的撞击后果有直接效应和间接效应两类。直接效应方面,现代飞机一般都是薄蒙皮结构,大部分的机身机翼蒙皮都不会超过2毫米,虽然整体承载能力很强,但鸟撞是局部冲击载荷,据估算,当一只1千克的飞鸟以500千米/时的速度撞击结构时候,冲击载荷峰值会达到20吨以上,与飞鸟直接撞击的结构往往会发生局部大变形甚至破坏,严重时会导致飞机失去完成任务的能力。间接效应方面,当局部结构发生损伤,可能导致结构相关部位安装的设备或系统出现失效,从而威胁飞行安全。特别是当发动机吸入群鸟或与大质量飞鸟发生碰撞后,可能会导致发动机叶片甩出,甩出后的高能碎片可能击穿发动机机匣,甚至击穿机匣后继续损伤机体,从而导致严重事故。

为了减少鸟撞危害,目前一般有两种手段,一种是避免飞鸟出现在重要的起飞着陆区域内,机场内一般都设有各类的驱鸟设施,但百密难免一疏,同时也无法驱赶中高空的飞鸟,因此鸟撞难以避免。另一种手段就是提高飞机的抗鸟撞能力,通过对飞机关键结构和系统(如机头、机翼、尾翼和发动机等)进行抗鸟撞设计,确保飞机在遭遇可能的严重鸟撞后能以限定条件安全完成飞行。

飞机抗鸟撞设计是复杂的非线性冲击动力学问题,需要研究材料和结构在鸟撞作用下的非线性行为,这种研究目前还依赖于大量的试验,包括材料动态力学性能测试和结构件抗鸟撞试验等。随着技术水平的提升,飞机研制中开始引入基于分析的抗鸟撞多学科优化设计理念。

强度所对飞机结构抗鸟撞的研究

诸如鸟撞等外来物撞击飞机关键结构/系统引起的问题,属于典型的离散源冲击动力学研究的范畴。除了鸟撞之外,飞机在使用过程中还可能遭受的其他离散源类型还包括冰雹、砂石和轮胎碎片等。近年来,随着消费级民用无人机产业的迅猛发展和有效管控难度较大,民用无人机对运输类飞机的潜在碰撞风险成为公众密切关注的因素。已有研究表明,相同撞击动能的无人机和鸟,无人机碰撞对民机结构的损伤更为严重。随着航空科学技术的进步和公众对飞机安全运行的重视,人们对飞机抗离散源冲击问题研究关注的因素也在动态变化着,并持续增加新的理解。由于离散源冲击对乘员和飞机平台都会造成较大的安全风险,飞机型号研制中必须对飞机结构/系统在诸如鸟撞等离散源冲击作用下的损伤特性进行验证和评估。

航空工业强度所是我国唯一的飞机强度研究、鉴定与验证中心,建有结构冲击动力学航空科技重点实验室,该实验室拥有一支高水平的专业队伍,长期从事飞机结构抗离散源冲击试验方法、优化设计方法、数值分析工具开发及理论研究等工作,形成了较为系统全面的专业技术研究体系。实验室建有完善的离散源冲击试验设施(多台套空气炮试验加载装置),配套有完备的动态测试条件,可按照军机强度规范和民机适航规章等相关标准开展鸟撞试验、冰雹冲击试验、射弹试验等,可在实验室环境下模拟各类离散源速度在每秒几十米至每秒几千米范围的冲击试验。

据了解,强度所先后完成了多种型号飞机的抗离散源冲击试验,为型号研制做出了重要贡献,并突破了一系列关键技术问题,引领了国内在该研究领域的技术进步。以鸟撞试验研究为例,创新开发了首个工程实用的人工鸟,试验验证表明人工鸟具有和真鸟类似的撞击特性,因其试验重复性好、撞击姿态可控等优点,在各类飞机结构的研发中进行了推广应用。另外,强度所还自主研发设计了冰雹冲击试验装置,对制备冰雹的工艺方法、冰雹的动态力学性能、冰雹冲击下各类结构的损伤评定都开展了系统的研究,研究成果对复合材料机身结构、发动机叶片的研制起到了一定的支撑作用。

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责任编辑:王婵