針對“飛機撞鳥”的世界性難題，西北工業大學李玉龍教授團隊經過數年鑽研，新近提出一種新的設計理念，獲得抗鳥撞研究領域的創新性重大突破。
資料圖： “鳥撞”目前是世界性難題。
2015年12月17日，我國海軍東海艦隊一架飛機在訓練中發生飛行事故，飛機墜毀，機組人員及時跳傘，事故未造成人員傷亡。消息發佈後受到社會各方關注。
經調查，事故真相披露：戰機墜落是因為在空中意外遭受鳥撞。在此次事件中，失事發動機進氣道內壁存在一條長約80釐米，寬約10釐米的噴射狀血跡，並在內部葉片上發現多處軟組織殘留痕跡。
經鑑定，判定為發動機葉片損壞為鳥撞所致，所撞擊的是一隻體重在1～1.3千克左右的成年綠頭鴨。
李玉龍教授
“鳥撞”是世界性難題
為什麼一隻重量至多幾公斤、飛行速度相對緩慢的小鳥，會對比它龐大得多的飛機造成如此大的傷害？
我們所說的“鳥撞飛機”，實際上是“飛機撞鳥”，問題的根源就在於飛行器運行中的高速，而不是鳥類本身的質量。
根據動量定理，一隻0.45公斤的鳥與時速800公里的飛機相撞，會產生153公斤的衝擊力；一隻7公斤的大鳥撞在時速960公里的飛機上，衝擊力將達到144噸。
高速運動使鳥的破壞力達到驚人的程度，一隻麻雀就足以撞毀降落時的飛機發動機。而鳥類的生物特性，決定了它以距離而非速度作為“是否飛走”的判斷基準，但飛機的高速度讓它還來不及反應，就變成了“兇手”和犧牲者。
“鳥撞”目前是世界性難題。根據國際航空協會統計，1912年以來，鳥撞至少導致63架民用航空器失事；軍用飛行器速度快，鳥撞危害更為嚴重，1950年以來文獻記載的嚴重事故超過353起，至少165人遇難。1992～2008年，我國軍用飛機因鳥撞造成20起嚴重的飛行事故、58起飛行事故徵候和210起飛行問題，導致18架飛機墜毀、12名飛行員犧牲。
一次又一次機毀人亡的空難用“慘烈”“血淋淋”的事實警示我們，飛機防鳥撞必須要列入人類科學研究的重大課題了。
面對頻發的鳥撞飛機事故，目前普遍採用的解決辦法是驅鳥，常用的有空氣炮、錄音驅鳥、獵殺、豢養猛禽、仿生航模驅鳥等。雖然主動驅鳥在很大程度上減少了鳥撞飛機事故的發生，但百密一疏，仍不能從根本上解決問題。
除了驅鳥，第二種方法就是對飛機本身進行“抗鳥撞”設計。
在抗鳥撞飛機設計上，國際上通常採用兩種理念。一種是“以硬碰硬”，通過改善飛機材料，以提升強度來應對鳥撞產生的巨大沖擊力。但這種做法對材料的要求很高，既要重量輕又要強度高，會受到材料技術及成本的限制。
二是採用吸能材料。如同海綿吸水，機體材料會吸附衝擊力，保證飛機結構不受損失。這種做法目前在汽車上的應用非常普遍，但對於飛機上應用的研發和普及程度而言，也是件難事。
針對這一世界性難題，西北工業大學李玉龍教授團隊創新性地提出了一種新的設計理念。其理念的核心就是“以疏導能量代替對抗能量”，“就像大禹治水，‘堵’是下下策，‘疏導’才是良方。”李玉龍教授形象地說。
事實上，正是從大禹“疏勝於堵”的理念獲得啟發，團隊想到通過改善機身結構的辦法來應對鳥撞，而不是單純改變強度和材料。
李教授是這麼解釋的：“鳥作為一個軟體，在高速撞擊的過程中，表現出的是一個液態的狀態，就像水打在一塊板子上一樣，既然是這樣的流體，那麼我們就可以把它疏導得更合理。”
以尾翼為例，這裡最需要保護的是主樑，因其背後附有重要的器件設備。李教授和團隊在尾翼內置了一塊三角形的蒙皮，用與活鳥同等質量的硅膠模塊，以644km/h的速度進行衝擊試驗。當尾翼受到撞擊，蒙皮變形成像刀片一樣的利器，將衝擊物飛開，從而分散衝擊產生的動能，保證機身完好。
“難就難在，現有的研究很難考慮到這個角度。”李教授表示，另一個難點，在於增加結構的同時，卻不能改變機翼的原本重量，不然整個機身的氣體動力學結構都會改變。這就需要在減少機翼其他部分重量的同時，提升強度。
從理論到實現應用，需要一系列的實驗驗證。實驗不僅可以驗證理論，同時很多的實驗數據也可以進一步修正和豐富理論。李教授說，很多時候，實驗下來的結果和理論預想存在很大的偏差，看似簡單的原理背後，卻是整個團隊夜以繼日、連續多年的摸索——速度、結構上任何一處細微的變化，導致的結果將大相徑庭。團隊曾經一連提出幾種構型，都存在一定的問題。
為了進一步加快研發效率與實驗成功率，團隊採用“仿真實驗”與“現實實驗”相結合的方式。經過多年反覆驗證，團隊仿真實驗的結果終於與真實實驗幾乎完全吻合！進一步驗證了李教授所提出理念的可行性與有效性。
2015年夏天，李教授團隊研發的“加強結構”已經通過了美國專利認證，今年就要拿到法國專利。而且，這項技術已經應用到了很多軍用、民用的飛機上，也取得非常好的效果，其中就包括我國的大飛機C919。
據李教授介紹，事實上，“鳥撞”的研究領域並不限於飛機上，日常交通工具如高鐵、汽車在高速運行的環境下，如何防範飛鳥、高處的落石等都是該領域的研究內容。
“鳥撞”實驗系統已得到應用
除了機翼，飛機上另一個最易受鳥撞擊的“重災區”就是飛機發動機，30%～40%的鳥撞事故發生在發動機上。
針對發動機結構，十幾年來，李教授團隊投入大量的精力在試驗和實踐中，研發出了一套針對“鳥撞”發動機的實驗設備，目前已經得到了良好的應用。
在與國內航空相關單位的合作中，團隊研發出的抗鳥撞地面實驗設備——抗鳥撞空氣炮，適航精度能達到1.5%～2%（一般水平在3%），保證了炮彈發射精度準確。目前，空氣炮已被國內很多航空實驗室採用。
不論抗鳥撞結構，還是炮彈，都需要依靠嚴密的測試方法和設備，及大量實驗數據。靜態實驗相對容易，但在衝擊狀態下，材料的結構屬性，如屈服應力、流動應力、破壞應力等因素均會發生極大的變化。如何做材料動態力學性能測試，才是解決抗鳥撞問題的關鍵因素。這也正是李玉龍團隊的另一張王牌：高變形速率、高溫環境下的力學性能測試。目前，相關設備已出口美國、澳大利亞等國家。
據悉，“加強結構”已經在ARJ21-700飛機上進行了驗證，目前尚處於適航要求的仿真實驗階段。一旦成功，將會為機身減去10.5kg的重量。
記者採訪結束時獲悉：團隊的下一步目標，是將機翼的抗衝擊力提高到1.8kg，尾翼則要提高到3.6kg，這意味著，對抗鳥撞的條件要求更高、更嚴格。
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