鸟撞飞机

是威胁航空安全的

重要因素之一

说起“鸟撞”，最早可以追溯到1912年，飞行员卡尔·罗杰斯驾机作飞行表演，从北美洲飞向南美洲时与海鸥相撞，飞机掉入大海，飞行员遇难，成为世界上首例飞机鸟撞事故。而最轰动性的事件莫过于2009年全美航空1549号航班遭遇鸟撞成功迫降哈德逊河的事件，此故事也拍成电影《萨利机长》搬上银幕。

鸟撞飞机已经成为飞机运营最大的事故征候因素（事故征候：指不构成事故但影响或可能影响的事件），因此，鸟撞问题成为飞机设计中必须考虑的重要内容之一。

从2009年12月30日，ARJ21-700飞机打响了鸟撞试验验证的第一枪，到2017年3月11日，C919完成了首飞前的最后一项鸟撞试验，中国商飞公司鸟撞团队历时8年研究和探索，不断迭代、优化设计，完善C919大型客机的抗鸟撞能力。

鸟撞：玩的是心跳

鸟撞试验是检验飞机抗鸟击能力必不可少的一环。

一般而言，鸟撞试验的目的有两个：

一是检验飞机上易受飞鸟撞击部位的抗鸟撞能力；

二是测量撞击过程中有关应变、位移、撞击力等数据，为设计师“抗鸟撞”设计分析提供数据支持。

鸟撞试验的做法，国内外并无二致，都采用了空气炮技术。试验前将“鸟弹”预先放置在炮管里，通过高压气体将鸟弹沿炮管加速到预定速度，再撞击到试验台的试验件上。

“鸟撞玩的就是心跳，炮弹打出去的那一刹那，心脏都提到了嗓子眼，鸟撞试验讲求的就是这一瞬间的永恒。”提及鸟撞试验，强度设计研究部动强度室的副主任设计师宋春艳这样形容。“鸟弹”通过鸟撞设备，以试验人员预先设定好的速度打到试验件上，这个过程快到只用25毫秒（ms）就可以完成。可就是为了这25毫秒，C919鸟撞团队却用了8年的时间。

模拟撞击过程

鸟撞试验是一种破坏性的试验，没有重复的可能，一旦试验件受撞击破坏后，就无法再次利用。这就要求设计人员事先开展大量的分析，掌握试验可能出现的结果，力求万无一失。通过数据计算、分析的方法，来模拟真实物理实验的过程就是“仿真”。而“鸟撞仿真”也就是采用一定的分析方法来计算、模拟真实鸟撞的试验过程。

“鸟撞仿真”作为C919鸟撞团队的核心能力之一，体现和代表着C919鸟撞设计的水平，通过鸟撞仿真，不仅能够帮助决策物理实验的撞击点，还能在物理实验前预估试验可能出现的结果，辅助进行结构设计，从而缩短了试验周期，降低了试验成本，有助于高效确定合适的设计。

C919的“鸟撞仿真”要怎么做呢？

第一步是建模。这个建模可不像搭乐高那么简单。而是要在电脑上，利用专业软件，搭建一个满足动力学要求的有限元模型，这个模型包括试验件（机体的某一部分）有限元模型和鸟体有限元模型两个部分。更形象一点来说，如果把C919机体看作是一个“大单元”，对其建立有限元模型的过程就是不断把这个真实的“大单元”逐层逐级细分成有限个相互作用的“小单元”的过程。

有限元模型建好后，就可以进行鸟撞仿真的第二步，对鸟体结构施加速度，使其撞击已建好的试验件模型，再利用瞬态冲击动力学分析方法，计算出被撞试验件结构的损伤情况。简单来说，就是用数字模拟出飞机鸟撞的过程。

C919鸟撞仿真的有限元分析包含两个技术难点。第一个技术难点体现在“细节”的模拟上。一架飞机上铆钉的数量是百万级的，一般而言，在建立有限元模型的过程中可以进行相应的简化。但对于鸟撞这种复杂的动力学分析来说，却并不能满足模拟真实发生情况的建模要求。换一个铆钉或是换一种铆钉的连接方式就可能会影响试验结果。因此，鸟撞仿真分析的有限元模型中，连接的细节模拟至关重要。然而，“百万级的铆钉在有限元模型中建立起来已是一件工作量极大的事，想要再模拟出铆钉的连接特性则是难上加难了。”朱晓东说。

为此，C919鸟撞团队组织人员投入到大量细致的建模和分析工作中，通过基础试验和仿真分析，他们成功建立了细节结构的建模方法和分析参数库，并在C919鸟撞试验中加以应用，大大提高了鸟撞仿真分析的精度。

C919有限元分析的另外一个技术难点体现在复合材料的有限元分析上。因为复合材料各项异性的特点，失效的模式多，分散性大，所以对复合材料建立有限元模型难度更大。如果与ARJ21-700飞机进行对比，ARJ21-700飞机上金属材料有26个参数值，而C919飞机上复合材料的参数值增加到136个。

“136个参数”是什么概念？举个解方程的例子来说，二元一次方程里面有两个未知数，只需要两个方程式就可以求出真解，136个参数也就相当于136个未知数，该需要多少个参数方程才能求出真解？另外，求出的参数解之间会有多少种组合？哪一个组合是真解？它的难度可想而知。

针对这个难题，C919鸟撞团队采用“仿真分析加工程判断”的技术手段，即从第一个参数值开始进行敏感度分析，对于一些敏感度较高的参数，先将其挑选出来，放入敏感参数组，以逐渐缩小真解的范围，形成中国商飞的鸟撞参数组合。

“抗鸟撞设计”才是治本之举

为了减少鸟撞飞机事故的发生，一方面可以主动驱鸟，例如，国内一些大型机场都划定了专门的机场鸟防责任区，通过使用猎枪、鸟炮、捕鸟网、激光等措施进行人为驱鸟。随着这些年生态环境的逐步恢复，鸟群种类和数量都在增加，聪明的鸟儿也对各种驱鸟手段越来越熟悉而不“害怕”了。另一方面就是通过对飞机进行“抗鸟撞设计”以达到保障飞行安全的目的。

“较之于驱鸟这样的治标之策，‘抗鸟撞设计’才是从根本上解决航线鸟撞问题的治本之举。”从事了10年鸟撞工作的宋春艳十分肯定地说。

飞机“抗鸟撞设计”的目标归纳起来就是一句话：“飞机遭鸟撞击后仍能继续飞行与安全着陆。”

“在C919的抗鸟撞设计上，设计人员已经针对飞机在飞行中可能会被撞击的部位分别进行了抗鸟撞设计的研究和优化，机头和尾翼前缘的抗鸟撞设计是C919抗鸟撞设计的两大亮点。”强度部动强度室副主任吴志斌介绍说。

在机头，C919大型客机采用刚度匹配设计，根据可能的撞击角度合理分配材料特性，来“加强”或“分散”相应部位的抗鸟撞能力。承载式风挡让风挡玻璃参与到机头的载荷传递，也大大增加了机头的抗鸟撞特性。

尾翼的抗鸟撞设计也是个不小的挑战。C919尾翼采用碳纤维复合材料，强度大但是脆性也大。而且，适航条款中对尾翼抗鸟撞能力的要求（承受3.6公斤重的鸟）却比飞机上其它机体部位抗鸟撞能力的要求（承受1.8公斤重的鸟）高出一倍。为了解决这个问题，设计团队经过循环反复地仿真分析，一轮一轮的迭代设计，创新性提出“蜂窝夹层结构与辅助梁组合”的尾翼结构形式。一方面，通过蜂窝夹层结构达到减重的目的，另一方面，通过辅助梁最大化地吸收鸟的能量，这样的组合一举双得。

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