鄭月明 陳艷曉 鄭戰(zhàn)星

（中航工業(yè)陜西飛機(jī)工業(yè)〈集團(tuán)〉有限公司 飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 漢中 723000）

飛機(jī)等飛行器在天空中與飛行的鳥或鳥群之間因物理相撞所造成的事故，稱之為“鳥撞”。鳥撞是一種突發(fā)性和多發(fā)性的飛行事故，一旦發(fā)生往往會(huì)造成災(zāi)難，直接威脅到空勤人員及旅客的生命安全，造成意想不到的損失。輕則在飛機(jī)表面留下撞擊坑，重則機(jī)毀人亡。自從人類在1903年發(fā)明了飛機(jī)以后，飛機(jī)與鳥類的沖突一直不斷。國際航空聯(lián)合會(huì)已把鳥害升級為“A”類航空災(zāi)難。為了避免鳥撞事故，人們采用了很多方法來驅(qū)逐飛鳥，尤其是驅(qū)逐機(jī)場附近鳥類聚集地方的飛鳥，這些方法包括“煤氣壓縮泡”驅(qū)鳥、網(wǎng)捕及槍殺方法、飛機(jī)上畫圖案、激光驅(qū)鳥、播放鳥類天敵的鳴叫聲以及鳥類遇到傷害后的悲鳴聲的錄音、遙控航模驅(qū)趕、使用無公害的化學(xué)趨避劑、利用天敵驅(qū)鳥等等。這些方法的采用大大減少了機(jī)場附近飛鳥的數(shù)量，但是飛鳥不僅僅是聚集在機(jī)場附近，由于鳥類每年都有季節(jié)性的遷徙，再加上飛機(jī)在中低空的使用，鳥撞事故仍然在不斷發(fā)生。我國在CCAR27部和CCAR29部（CCAR－29－R1）中規(guī)定旋翼航空器必須滿足在高空2440米（8000英尺）以下，速度等于Vm或 Vx（取小者）時(shí)，受到1.0公斤（2.2磅）的鳥擊后能繼續(xù)安全飛行和著陸（對A類）或安全著陸（對B類）。同時(shí)必須用試驗(yàn)或在對有充分代表性的相似設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行的試驗(yàn)的基礎(chǔ)上分析表明其是否滿足要求。

1 前緣抗鳥撞分析

1.1 前緣抗鳥撞能力分析

1.1.1 抗鳥撞能力分析

抗鳥撞能力分析一般有以下兩種方法:

a)能量比較法，即從能量觀點(diǎn)研究飛鳥的能量，如果全部被飛機(jī)結(jié)構(gòu)吸收，則滿足鳥撞要求的結(jié)構(gòu)應(yīng)有:

式中:V——飛機(jī)速度，m/s；

Vp——穿透速度，m/s，估算方法見1.1.2；

M——鳥質(zhì)量kg

b）其他方法，如考慮幾何和材料的非線性的有限元素法分析機(jī)翼前緣的鳥撞問題，但分析方法應(yīng)有充分的試驗(yàn)做支持，采用的程序必須是經(jīng)過鑒定的。

1.1.2 結(jié)構(gòu)穿透速度的工程估算

a）鋁合金前緣，對于普通鋁合金前緣，前緣半徑20～200mm,蒙皮厚度 0.9～3.2mm，前緣后掠角 0～55°，其穿透速度按公式（2）計(jì)算；

b）復(fù)合材料和其他材料前緣穿透速度按公式（2）計(jì)算，只需把蒙皮厚度折算成當(dāng)量厚度即可。

1.2 前緣抗鳥撞試驗(yàn)的必要性

前緣結(jié)構(gòu)形式為:前端肋到內(nèi)側(cè)螺旋槳槳尖之間有364mm,兩螺旋槳槳尖之間有721mm間隙，外側(cè)螺旋槳槳尖到后端肋之間有1430mm，螺旋槳葉直徑為4.1米（6葉槳）。在螺旋槳葉區(qū)域外前緣抗鳥撞試驗(yàn)是必要的，螺旋槳葉區(qū)域內(nèi)前緣抗鳥撞試驗(yàn)通過下面的計(jì)算也是必要的。

表1 飛行2種姿態(tài)下鳥穿過螺旋槳的最小速度

●鳥長按300mm；

●本計(jì)算未考慮螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)引起的氣流方向?qū)B飛行方向的影響

由上表可以看出鳥很有可能穿過螺旋槳打到機(jī)翼前緣，所以同時(shí)需要考慮螺旋槳覆蓋區(qū)的前緣的抗鳥撞能力。

2 前緣的抗鳥撞能力分析

采用鋁合金前緣結(jié)構(gòu)穿透速度的工程估算方法，分析前緣的抗鳥撞能力，具體如下:

穿透速度計(jì)算公式:

Vp——穿透速度，m/s；

Ψ——前緣后掠角，（。）；

r——前緣半徑，mm；

δ——前緣蒙皮與波紋板厚度，mm；

δ=1.50mm,r=60.6mm,Ψ=9.09°,M=1.8kg；Vp=80.325m/s=288km/h

前緣小梁穿透速度計(jì)算公式:Vp1＝70.28 twm－1/3COSαw

tw=1.0mm，m=1.8kg，

αw=9.09°，Vp1=57m/s=205km/h

（80.32+572）1/2=98.473m/s=354.6km/h＜550km/h

所以必須對前緣進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

3 前緣改進(jìn)方案

改進(jìn)方案:對前緣進(jìn)行加強(qiáng)，前緣蒙皮厚度不變（面積太大），前緣小梁加厚到2.5mm，在前緣小梁上連幾層芳綸纖維布（Kevlar）用以吸收撞過前緣蒙皮撞擊小梁后的能量，避免（減少）對翼盒前梁的撞擊力。

前緣加強(qiáng)后:

前緣穿透速度計(jì)算:

Vp——穿透速度，m/s；

Ψ——前緣后掠角，（。）；

r——前緣半徑，mm；

δ——前緣蒙皮與波紋板厚度，mm；

δ=1.50mm，r=60.6mm，Ψ=9.09°,M=1.8Kg；Vp=80.325m/s=288km/h

前緣小梁穿透速度計(jì)算:

梁腹板厚 2.5mm,公式 Vw=70.28 twm－1/3COSαw

tw=2.5mm，m=1.8Kg，αw=9.09°

Vp1=142.36m/s=512.5km/h

（80.32+142.362）1/2=163.45m/s=588km/h＞550km/h

能滿足抗鳥撞能力，滿足適航要求。

改進(jìn)后，重量增加10.98%。

4 鳥撞試驗(yàn)初步方案

根據(jù)CCAR－25結(jié)構(gòu)損傷容限和疲勞評定中:抗鳥撞試驗(yàn)用1.8Kg（4磅）鳥彈打前緣，此時(shí)飛機(jī)的速度為巡航速度Vc（飛機(jī)的巡航速度 Vc＝550km/h）。

用1.8kg（4磅）鳥彈打前緣14次，速度由小到大（最小327km/h,最大550km/h），第一段前緣打1個(gè)點(diǎn)，第二段前緣打3個(gè)點(diǎn)，第三段前緣打3個(gè)點(diǎn)，共打14次；一輪打完，根據(jù)情況修裝另一段前緣，根據(jù)翼盒壞損的情況進(jìn)行修補(bǔ)。

試驗(yàn)件:

●1件翼盒；

●改進(jìn)后的第一段前緣、第二段前緣、第三段前緣各2套（1套與翼盒安裝上，另一套現(xiàn)場裝配）。

根據(jù)試驗(yàn)情況對結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。

圖1 前緣示意圖

5 抗鳥撞試驗(yàn)方法

試驗(yàn)方法:抗鳥撞試驗(yàn)采用空氣炮按預(yù)訂速度和方向發(fā)射鳥彈，撞擊安裝于夾具上的試驗(yàn)件。

試驗(yàn)程序:

a）校準(zhǔn)空氣炮。正式撞擊試驗(yàn)之前，必須采用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量的鳥彈撞擊模擬靶校準(zhǔn)空氣炮。在要求速度范圍內(nèi)測定空氣炮性能，給出鳥彈發(fā)射速度和所需壓力之間的關(guān)系曲線；

b）安裝并檢查試驗(yàn)件，校準(zhǔn)預(yù)訂彈著點(diǎn)的位置。如果需要模擬平視顯示器、飛行員/空勤組，則按其在飛機(jī)上的相應(yīng)位置裝好模擬件；

c）安裝并檢查所有測試設(shè)備；

d）調(diào)節(jié)試驗(yàn)件的溫度，達(dá)到試驗(yàn)要求值；

e）制作鳥彈，記錄質(zhì)量；

f）檢查發(fā)射機(jī)構(gòu)，進(jìn)入發(fā)射程序；

g）試驗(yàn)后，檢查所有測試設(shè)備，儀器狀態(tài)及記錄試驗(yàn)件、模擬件損傷程度。

鳥彈實(shí)驗(yàn)技術(shù)一般要求:在鳥彈發(fā)射過程中，鳥體應(yīng)有良好包裝，并應(yīng)配套用以保護(hù)和支持鳥彈的保護(hù)套，以防止鳥體破裂；加速度要適當(dāng)，以防止加速過程中鳥彈解體；在炮管末端，應(yīng)有防止保護(hù)套前進(jìn)的分離裝置，僅讓鳥彈撞擊試驗(yàn)件；鳥彈離開炮口后，應(yīng)保持自由飛行。

6 結(jié)論

在飛機(jī)上易受撞擊的部位（如前緣）要采用抗鳥撞設(shè)計(jì)，使其結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗沖擊性能和能量吸收特性。這就要求結(jié)構(gòu)在綜合性能方面具有足夠的強(qiáng)度和良好的塑性變形能力，以便最大程度地吸收動(dòng)能和減緩沖擊力的影響，最大限度的降低“鳥撞”對飛機(jī)結(jié)構(gòu)造成的損失。

［1］中國民用航空規(guī)章 第25部 運(yùn)輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)CCAR-25[S].中國民用航空總局.

［2］周加良.飛機(jī)鳥撞事故及預(yù)防[J].洪都科技.

［3］飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊總編委會(huì).飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊[S].航空工業(yè)出版社.