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劉建平 鄭真 張阿嬌 中國(guó)青年報(bào)?中青在線記者 孫海華《中國(guó)青年報(bào)》（2016年04月26日11版）

“鳥(niǎo)撞”目前是世界性難題。西北工業(yè)大學(xué)供圖

針對(duì)“飛機(jī)撞鳥(niǎo)”的世界性難題，西北工業(yè)大學(xué)李玉龍教授團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)數(shù)年鉆研，新近提出一種新的設(shè)計(jì)理念，獲得抗鳥(niǎo)撞研究領(lǐng)域的創(chuàng)新性重大突破。

2015年12月17日，我國(guó)海軍東海艦隊(duì)一架飛機(jī)在訓(xùn)練中發(fā)生飛行事故，飛機(jī)墜毀，機(jī)組人員及時(shí)跳傘，事故未造成人員傷亡。消息發(fā)布后受到社會(huì)各方關(guān)注。

經(jīng)調(diào)查，事故真相披露：戰(zhàn)機(jī)墜落是因?yàn)樵诳罩幸馔庠馐茗B(niǎo)撞。在此次事件中，失事發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)壁存在一條長(zhǎng)約80厘米，寬約10厘米的噴射狀血跡，并在內(nèi)部葉片上發(fā)現(xiàn)多處軟組織殘留痕跡。

經(jīng)鑒定，判定為發(fā)動(dòng)機(jī)葉片損壞為鳥(niǎo)撞所致，所撞擊的是一只體重在1～1.3千克左右的成年綠頭鴨。

“鳥(niǎo)撞”是世界性難題

為什么一只重量至多幾公斤、飛行速度相對(duì)緩慢的小鳥(niǎo)，會(huì)對(duì)比它龐大得多的飛機(jī)造成如此大的傷害？

我們所說(shuō)的“鳥(niǎo)撞飛機(jī)”，實(shí)際上是“飛機(jī)撞鳥(niǎo)”，問(wèn)題的根源就在于飛行器運(yùn)行中的高速，而不是鳥(niǎo)類(lèi)本身的質(zhì)量。

根據(jù)動(dòng)量定理，一只0.45公斤的鳥(niǎo)與時(shí)速800公里的飛機(jī)相撞，會(huì)產(chǎn)生153公斤的沖擊力；一只7公斤的大鳥(niǎo)撞在時(shí)速960公里的飛機(jī)上，沖擊力將達(dá)到144噸。

高速運(yùn)動(dòng)使鳥(niǎo)的破壞力達(dá)到驚人的程度，一只麻雀就足以撞毀降落時(shí)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)。而鳥(niǎo)類(lèi)的生物特性，決定了它以距離而非速度作為“是否飛走”的判斷基準(zhǔn)，但飛機(jī)的高速度讓它還來(lái)不及反應(yīng)，就變成了“兇手”和犧牲者。

“鳥(niǎo)撞”目前是世界性難題。根據(jù)國(guó)際航空協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，1912年以來(lái)，鳥(niǎo)撞至少導(dǎo)致63架民用航空器失事；軍用飛行器速度快，鳥(niǎo)撞危害更為嚴(yán)重，1950年以來(lái)文獻(xiàn)記載的嚴(yán)重事故超過(guò)353起，至少165人遇難。1992～2008年，我國(guó)軍用飛機(jī)因鳥(niǎo)撞造成20起嚴(yán)重的飛行事故、58起飛行事故征候和210起飛行問(wèn)題，導(dǎo)致18架飛機(jī)墜毀、12名飛行員犧牲。

一次又一次機(jī)毀人亡的空難用“慘烈”“血淋淋”的事實(shí)警示我們，飛機(jī)防鳥(niǎo)撞必須要列入人類(lèi)科學(xué)研究的重大課題了。

面對(duì)頻發(fā)的鳥(niǎo)撞飛機(jī)事故，目前普遍采用的解決辦法是驅(qū)鳥(niǎo)，常用的有空氣炮、錄音驅(qū)鳥(niǎo)、獵殺、豢養(yǎng)猛禽、仿生航模驅(qū)鳥(niǎo)等。雖然主動(dòng)驅(qū)鳥(niǎo)在很大程度上減少了鳥(niǎo)撞飛機(jī)事故的發(fā)生，但百密一疏，仍不能從根本上解決問(wèn)題。

除了驅(qū)鳥(niǎo)，第二種方法就是對(duì)飛機(jī)本身進(jìn)行“抗鳥(niǎo)撞”設(shè)計(jì)。

在抗鳥(niǎo)撞飛機(jī)設(shè)計(jì)上，國(guó)際上通常采用兩種理念。一種是“以硬碰硬”，通過(guò)改善飛機(jī)材料，以提升強(qiáng)度來(lái)應(yīng)對(duì)鳥(niǎo)撞產(chǎn)生的巨大沖擊力。但這種做法對(duì)材料的要求很高，既要重量輕又要強(qiáng)度高，會(huì)受到材料技術(shù)及成本的限制。

二是采用吸能材料。如同海綿吸水，機(jī)體材料會(huì)吸附?jīng)_擊力，保證飛機(jī)結(jié)構(gòu)不受損失。這種做法目前在汽車(chē)上的應(yīng)用非常普遍，但對(duì)于飛機(jī)上應(yīng)用的研發(fā)和普及程度而言，也是件難事。

“鳥(niǎo)撞”原理來(lái)源于大禹“疏勝于堵”

針對(duì)這一世界性難題，西北工業(yè)大學(xué)李玉龍教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地提出了一種新的設(shè)計(jì)理念。其理念的核心就是“以疏導(dǎo)能量代替對(duì)抗能量”，“就像大禹治水，‘堵’是下下策，‘疏導(dǎo)’才是良方?！崩钣颀埥淌谛蜗蟮卣f(shuō)。

事實(shí)上，正是從大禹“疏勝于堵”的理念獲得啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)想到通過(guò)改善機(jī)身結(jié)構(gòu)的辦法來(lái)應(yīng)對(duì)鳥(niǎo)撞，而不是單純改變強(qiáng)度和材料。

李教授是這么解釋的：“鳥(niǎo)作為一個(gè)軟體，在高速撞擊的過(guò)程中，表現(xiàn)出的是一個(gè)液態(tài)的狀態(tài)，就像水打在一塊板子上一樣，既然是這樣的流體，那么我們就可以把它疏導(dǎo)得更合理。”

以尾翼為例，這里最需要保護(hù)的是主梁，因其背后附有重要的器件設(shè)備。李教授和團(tuán)隊(duì)在尾翼內(nèi)置了一塊三角形的蒙皮，用與活鳥(niǎo)同等質(zhì)量的硅膠模塊，以644km/h的速度進(jìn)行沖擊試驗(yàn)。當(dāng)尾翼受到撞擊，蒙皮變形成像刀片一樣的利器，將沖擊物飛開(kāi)，從而分散沖擊產(chǎn)生的動(dòng)能，保證機(jī)身完好。

“難就難在，現(xiàn)有的研究很難考慮到這個(gè)角度。”李教授表示，另一個(gè)難點(diǎn)，在于增加結(jié)構(gòu)的同時(shí)，卻不能改變機(jī)翼的原本重量，不然整個(gè)機(jī)身的氣體動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)都會(huì)改變。這就需要在減少機(jī)翼其他部分重量的同時(shí)，提升強(qiáng)度。

從理論到實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，需要一系列的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)不僅可以驗(yàn)證理論，同時(shí)很多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也可以進(jìn)一步修正和豐富理論。李教授說(shuō)，很多時(shí)候，實(shí)驗(yàn)下來(lái)的結(jié)果和理論預(yù)想存在很大的偏差，看似簡(jiǎn)單的原理背后，卻是整個(gè)團(tuán)隊(duì)夜以繼日、連續(xù)多年的摸索——速度、結(jié)構(gòu)上任何一處細(xì)微的變化，導(dǎo)致的結(jié)果將大相徑庭。團(tuán)隊(duì)曾經(jīng)一連提出幾種構(gòu)型，都存在一定的問(wèn)題。

為了進(jìn)一步加快研發(fā)效率與實(shí)驗(yàn)成功率，團(tuán)隊(duì)采用“仿真實(shí)驗(yàn)”與“現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)”相結(jié)合的方式。經(jīng)過(guò)多年反復(fù)驗(yàn)證，團(tuán)隊(duì)仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果終于與真實(shí)實(shí)驗(yàn)幾乎完全吻合！進(jìn)一步驗(yàn)證了李教授所提出理念的可行性與有效性。

2015年夏天，李教授團(tuán)隊(duì)研發(fā)的“加強(qiáng)結(jié)構(gòu)”已經(jīng)通過(guò)了美國(guó)專(zhuān)利認(rèn)證，今年就要拿到法國(guó)專(zhuān)利。而且，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了很多軍用、民用的飛機(jī)上，也取得非常好的效果，其中就包括我國(guó)的大飛機(jī)C919。

據(jù)李教授介紹，事實(shí)上，“鳥(niǎo)撞”的研究領(lǐng)域并不限于飛機(jī)上，日常交通工具如高鐵、汽車(chē)在高速運(yùn)行的環(huán)境下，如何防范飛鳥(niǎo)、高處的落石等都是該領(lǐng)域的研究?jī)?nèi)容。

“鳥(niǎo)撞”實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已得到應(yīng)用

除了機(jī)翼，飛機(jī)上另一個(gè)最易受鳥(niǎo)撞擊的“重災(zāi)區(qū)”就是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，30%～40%的鳥(niǎo)撞事故發(fā)生在發(fā)動(dòng)機(jī)上。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)，十幾年來(lái)，李教授團(tuán)隊(duì)投入大量的精力在試驗(yàn)和實(shí)踐中，研發(fā)出了一套針對(duì)“鳥(niǎo)撞”發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，目前已經(jīng)得到了良好的應(yīng)用。

在與國(guó)內(nèi)航空相關(guān)單位的合作中，團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的抗鳥(niǎo)撞地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備——抗鳥(niǎo)撞空氣炮，適航精度能達(dá)到1.5%～2%（一般水平在3%），保證了炮彈發(fā)射精度準(zhǔn)確。目前，空氣炮已被國(guó)內(nèi)很多航空實(shí)驗(yàn)室采用。

不論抗鳥(niǎo)撞結(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，及大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。靜態(tài)實(shí)驗(yàn)相對(duì)容易，但在沖擊狀態(tài)下，材料的結(jié)構(gòu)屬性，如屈服應(yīng)力、流動(dòng)應(yīng)力、破壞應(yīng)力等因素均會(huì)發(fā)生極大的變化。如何做材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試，才是解決抗鳥(niǎo)撞問(wèn)題的關(guān)鍵因素。這也正是李玉龍團(tuán)隊(duì)的另一張王牌：高變形速率、高溫環(huán)境下的力學(xué)性能測(cè)試。目前，相關(guān)設(shè)備已出口美國(guó)、澳大利亞等國(guó)家。

據(jù)悉，“加強(qiáng)結(jié)構(gòu)”已經(jīng)在ARJ21-700飛機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證，目前尚處于適航要求的仿真實(shí)驗(yàn)階段。一旦成功，將會(huì)為機(jī)身減去10.5kg的重量。

記者采訪結(jié)束時(shí)獲悉：團(tuán)隊(duì)的下一步目標(biāo)，是將機(jī)翼的抗沖擊力提高到1.8kg，尾翼則要提高到3.6kg，這意味著，對(duì)抗鳥(niǎo)撞的條件要求更高、更嚴(yán)格。

本報(bào)西安4月25日電

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