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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)過幾年的鉆研,最近提出了新的設(shè)計(jì)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(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(huì)對(duì)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(dòng)量定理,0.45公里的鳥撞上時(shí)速800公里的飛機(jī)時(shí),7公里的大鳥會(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(píng)價(jià)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(huì)統(tǒng)計(jì),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(duì)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(gè)方法是給飛機(jī)本身設(shè)計(jì)抗鳥撞擊的設(shè)計(jì)。
抗鳥撞飛機(jī)的設(shè)計(jì)在國際上一般使用兩種理念。 一個(gè)是堅(jiān)硬的碰撞,通過改善飛機(jī)的材料,提高強(qiáng)度來應(yīng)對(duì)鳥碰撞帶來的巨大沖擊力。 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。
鳥撞的原理來源于大禹比堵車生疏
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(duì)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(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。 李教授說,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,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(gè)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(duì)比發(fā)動(dòng)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(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(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(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,對(duì)抗鳥撞的條件要求更高,更苛刻。
標(biāo)題:“古人靈感:“飛機(jī)撞鳥”世界性難題新突破”
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