劉小川， 王計真， 白春玉

(中國飛機強度研究所 沖擊動力學航空科技重點實驗室，西安 710065)

鳥撞是威脅飛行安全的重要因素，受到鳥撞等外來物威脅的飛機主要部位包括機頭(含風擋、雷達罩)、機翼前緣結構(含襟縫翼)、尾翼前緣結構和發(fā)動機結構等[1]。近年來發(fā)生多起與鳥撞有關的重大航空事故，如2009年1月，美國航空公司的一架客機因為鳥撞導致雙發(fā)失效，在哈德遜河水上迫降成功，所幸未造成造成重大傷亡；2019年8月，俄羅斯烏拉爾航空公司一架載有226名乘客和7名機組人員的客機因發(fā)動機撞鳥，在莫斯科郊區(qū)一塊玉米地里迫降，導致23人受傷[2]。統(tǒng)計表明，從1990年到2014年的25年間，美國聯邦航空管理局共接到156 114例動物撞擊事件(主要為鳥撞)報告，造成258人死亡和245架飛機損毀[3]。中國民航統(tǒng)計表明，約90%的外物撞擊事件與飛鳥相關，近50%的事故征候與鳥撞相關，平均2 000次飛行就會遭遇一次鳥撞事件[4]。

中國民航運輸類飛機適航標準(CCAR 25部)第25.571條(e)“損傷容限(離散源)評定”中要求，在受到1.80 kg鳥以特定速度撞擊后，飛機必須能夠成功地完成該次飛行。第25.631條“鳥撞損傷”中要求，尾翼結構的設計必須保證飛機在與3.6 kg重的鳥相撞之后，仍能繼續(xù)安全飛行和著陸[5]。中國民航發(fā)動機適航標準(CCAR 33部)第33.76條“吸鳥”對發(fā)動機的吸鳥試驗要求和合格判據作了詳細的規(guī)定[6]。

飛機結構鳥撞過程是一種包含材料非線性、結構大變形、失效破壞、接觸和摩擦等諸多因素的復雜動力學過程。就目前技術水平而言，理論分析僅可用于初步評估，數值計算方法廣泛使用，但可靠度有待進一步提升，鳥撞實驗仍是驗證結構抗鳥撞能力的最可靠手段[7]。工程中一般采用家禽模擬自然界的飛鳥，將制成標準形狀的鳥彈使用空氣炮以特定速度發(fā)射，撞擊典型飛機結構。根據撞擊后結構的變形、破壞等情況評估結構的抗鳥撞能力，并指導結構的抗鳥撞設計與改進。

家禽因個體差異導致制成的鳥彈存在一定分散性，特別是其密度差異會顯著影響實驗結果的重復性，同時其外形的非規(guī)則性使得實驗中很難撞擊到結構上特定的撞擊點[8]。此外，外形上的差異也會直接影響撞擊載荷幅值和時域特性，從而對撞擊載荷產生直接影響。有學者基于真實鳥體測量，構建了較為復雜的鳥體模型，開展了考慮質量和外形特性的結構鳥撞特性研究，但這種研究僅對于評估上述因素對鳥撞響應的影響有積極意義，對于鳥撞驗證標準化的意義有限[9]。

考慮家禽鳥的先天不足，相關研究機構逐步開展替代鳥體研究工作，通過開發(fā)替代鳥體，控制鳥體密度、外形和性能參數，提高鳥撞實驗的可重復性，并降低實驗成本[10-13]。國外學者利用牛肉、石蠟、泡沫、乳液、氯丁橡膠和明膠等材料制成多種替代鳥彈，通過與真實鳥撞擊試驗的對比研究，尋找最合適的人工鳥材料[14-17]。其中，Allcock等對比了蠟、木材、樹脂泡沫和明膠等材料鳥彈的撞擊響應，顯示明膠鳥彈的沖擊響應與真實鳥一致性最好。明膠鳥彈為多孔結構，呈現宏觀各向同性，膠體中孔洞比例用于調控密度，明膠鳥高速撞擊下呈現出流體動力特性，與真實鳥一致；此外，明膠人工鳥的外形簡單、材料均勻、一致性好，也利用其實驗結果驗證了分析模型和分析方法[18]。

本文梳理了近年來國內外人工鳥體的研究進展和存在的問題。首先介紹了人工鳥彈的制備方法和制備流程，國內外諸多學者開展了明膠鳥彈的試驗研究，通過不同場景的撞擊對比試驗，驗證了明膠人工鳥彈與家禽鳥撞具有相似的撞擊動響應。然后介紹了鳥體幾何形狀和尺寸選擇，四種典型形狀的鳥體撞擊響應研究表明，長徑比為2的鳥彈與家禽鳥具有更好的相似度。再次，梳理了人工鳥本構模型的研究進展和問題，針對不同撞擊場景和速度，國內外學者采用不同本構形式描述其動力學行為，主要包括帶失效模式的塑性動力學模型、彈塑性流體動力學本構模型和狀態(tài)方程本構模型，介紹了識別本構參數的主要方法，并探討了建立寬速域適用的統(tǒng)一鳥體本構的必要性。最后，介紹了人工鳥的工程應用，研究性實驗中人工鳥體已獲得大量應用，取得了良好的應用效果，給出了人工鳥制備工藝標準化和適航驗證實驗應用等方面的看法。

1 人工鳥的制備

為考核飛機結構抗鳥撞能力，歐美較早開展了鳥撞技術研究。早期主要使用家禽開展鳥撞試驗。由于家禽鳥彈的重量、尺寸和性能個體差異明顯，撞擊結果分散性較大。為此，相關研究機構開始進行替代鳥體研究，期望找到一種性能與真實鳥類似，密度、外形和性能參數可控，且價格便宜的人工鳥制作材料，提高鳥撞實驗的可重復性，并降低實驗成本。

20世紀70年代，Wilbeck等最早提出了人工鳥的制備總體要求，包括撞擊彈性結構時產生的撞擊載荷應與真鳥一致，為了應用于實驗和驗證設計，要求撞擊載荷的重復性好，并且制造容易且便宜。其研究表明，鳥撞過程呈現流體動力學特性，對比試驗結果，認為明膠是一種更好的人工鳥材料。Lavoie等[19]公開了一種明膠人工鳥的制備工藝和相關配方?；静牧鲜敲髂z和水，明膠質量比為10%，使用羧甲基纖維素鈉等作為調質材料，通過加溫和攪拌等手段促進明膠、水等的復合，利用模具保證其人工鳥的外形，低溫靜置使得人工鳥具有一定強度。該工藝可將人工鳥密度控制在930～970 kg/m3之間。該制備工藝對后續(xù)其他學者開展人工鳥研究，起到了指導性作用，其制成的l.0 kg人工鳥如圖1所示。

圖1 制備完成的球端圓柱形人工鳥

國內方面，劉小川等[20]開展了1.8 kg人工鳥制備方法研究，并詳細列出了工藝過程流程。具體如下：①將明膠粉倒入冷水中，稍微攪拌，將混合物均勻加熱至45 ℃，使明膠粉充分溶解；②將明膠與水的混合液倒入攪拌器中，并放入羧甲基纖維素鈉，充分攪拌；③向模具內倒入混合物，將模具放置到冷柜中，保持溫度在4 ℃～8 ℃，24 h后脫模。其制作完成的鳥彈密度為953.7 kg/m3，重量為1.807 kg，密度和撞擊響應行為均與真實鳥較為一致，其制作的人工鳥如圖2所示。

圖2 制備得到的1.8 kg明膠鳥體

此外，國內外其他學者，如李達誠等[21]、黃誠[22]、Frederik等[23-24]針對結構抗鳥撞評估需求，也進行人工鳥制備研究，工藝和流程均參考了Lavoie的制備方法，并進行了相關改進。其制作的人工鳥彈分別如圖3～圖5所示。

圖3 80 mm×40 mm明膠人工鳥體(李達誠)

圖4 50 mm×40 mm明膠人工鳥(黃誠)

圖5 放入彈托的1.8 kg人工鳥(Allaeys)

總體來說，Wilbeck在人工鳥的研制理念和制備方法方法方面，做出了開創(chuàng)性成果。其提出的采用明膠材料的人工鳥的工藝方法，得到業(yè)界普遍認可和采用。采用明膠制作人工鳥以替代真實鳥成為業(yè)界共識，并已廣泛應用于結構抗鳥撞研究。國內外其他相關研究單位和學者，采用的制作工藝和配方均繼承了Wilbeck的工藝，并在實際使用過程中進行了改進和完善，以使人工鳥的沖擊動力學響應行為更接近于真實鳥。

但不可否認的是，制作工藝和材料配方對人工鳥性能有較大影響；出于保密原因，制作工藝和材料配方各家均有所保留，因而各家單位制作的明膠人工鳥彈性能差異顯著。以筆者所在單位為例，在人工鳥制備工藝方面進行了長達十多年的探索和改進，通過對材料組分、添加劑選型和含量以及時間、溫度控制等工藝參數不斷優(yōu)化調整，才研制出密度和力學行為均與真實鳥較為相近的人工鳥彈。

2 人工鳥的驗證

自人工鳥研制成功以來，國內外諸多學者認識到明膠人工鳥替代真實鳥在結構抗鳥撞中的潛在應用價值，并投入大量精力進行了人工鳥和自然鳥的動力學行為一致性對比分析和試驗驗證。

Wilbeck等在完成人工鳥制備的基礎上，率先將明膠鳥彈、橡膠鳥彈和真實鳥彈撞擊響應開展了對比試驗，以驗證明膠人工鳥替代真實鳥的合理性。如圖6所示，為多種工況下人工鳥、真實鳥撞擊載荷試驗結果(以沖擊壓強Ph表示)。從圖中可看出，明膠人工鳥彈的撞擊載荷與家禽鳥彈基本一致，峰值壓強和平臺壓強與實驗結果均較為接近，尤其是當速度高于150 m/s后，兩者沖擊載荷誤差小于8%；相較而言，橡膠鳥彈的峰值沖擊壓力與家禽鳥彈有較大的誤差，表明了采用橡膠制備人工鳥彈的不適用性。

圖6 兩種人工鳥的沖擊壓力對比

此外，Steve等[25]在F35B飛機升力風扇罩的抗鳥撞能力驗證中，使用2l磅的真實鳥彈和人工鳥彈進行了撞擊對比試驗，人工鳥和真鳥撞擊后，結構變形模式和失效行為幾乎一致，也表明了人工鳥在鳥撞驗證方面的適用性，如圖 7所示。

圖7 F35B飛機升力風扇罩鳥撞試驗

Frederik等則研究了不同質量、速度、被撞物工況下，人工鳥彈與真實鳥彈的撞擊載荷和動量傳遞特性。如圖8所示，為三種不同明膠和水的混合比(1∶4、1∶6和1∶9)的人工鳥，以及兩種真實鳥(鴨子和鴿子)，撞擊不同剛性靶(劈尖、楔體和平板)的撞擊載荷試驗結果，可看出針對不同被撞物和不同撞擊動量，人工鳥與真實鳥撞擊產生的載荷落在密集區(qū)域，表現出良好的一致性，但是針對撞擊楔體的撞擊結果差異性略大，原因未給出。

圖8 人工鳥彈與自然鳥彈試驗撞擊結果對比

劉小川等在成功制備人工鳥的基礎上，利用12 mm厚的鋁板，進行了3次真實鳥彈撞擊和1次仿真鳥彈撞擊的對比試驗。其通過撞擊動態(tài)過程、應變響應和殘余變形等數據，研究真實鳥和仿真鳥的差異性。結果表明，仿真鳥彈與真實鳥彈的動態(tài)變形模式以及結構動態(tài)應變響應時間歷程基本一致，結構動態(tài)應變響應峰值誤差僅為3.2%，而結構殘余變形相差僅為8.7%，證明了其研制仿真鳥彈可以在結構抗鳥撞試驗研究中替代真實鳥彈。圖 9所示為兩種鳥彈的撞擊破碎過程，圖 10所示為兩種鳥彈撞擊鋁板上典型點的應變響應。

圖9 撞擊試驗件1.45 ms后變形對比

圖10 典型測點仿真鳥與真鳥應變時間歷程

此外，單斌等[26]開展人工鳥彈和真實鳥彈(雞肉)的對標撞擊試驗，并給出剛性靶板撞擊壓力-時間曲線和撞擊過程圖像。結果表明二者壓力峰值接近，僅相差5%；并表明由于真實鳥肌肉的黏連特性，人工鳥的恒定流動階段更為穩(wěn)定。

通過以上論述和分析表明，大量對比試驗證明了采用明膠制備的人工鳥與家禽鳥在撞擊過程具有較好的一致性，兩者撞擊均呈現相似的流變特性，而且撞擊載荷、應變、結構變形等的響應結構的誤差均在可接受范圍內，較為充分地驗證了采用人工鳥代替真實鳥開展撞擊試驗的可行性。

3 人工鳥的形狀與尺寸選擇

國際鳥撞聯合會進行了大量的鳥體測量學研究，認為鳥體的橫截面半徑與軀干長度近似為1∶2，且近似為旋成體，認為可用四種簡單幾何體近似描述飛鳥或家禽，分別為圓柱體、橢球體、球端圓柱以及球體，如圖11所示。

圖11 簡化的鳥體形狀

鳥體密度與鳥的種類、大小有直接關系，且受到羽毛的厚度、空腔的大小、骨骼與肌肉的比例等影響。一般來說質量越大的鳥其相對密度越低，不考慮羽毛的影響時，鳥體重量與密度的統(tǒng)計關系可以表達為

ρ=-0.063lg(m)+1.146

(1)

計算可得到飛機結構鳥撞研究中常用的1.8 kg鳥體的標稱密度為943 kg/m3，3.6 kg鳥體的標稱密度為923 kg/m3。結合鳥體重量要求和標稱密度，即可給出不同形狀鳥體的幾何參數。如表1所示，列出了常用1.8 kg鳥體的幾何尺寸。

表1 不同形狀鳥體的特征尺寸

鳥體形狀影響鳥體質量分布和撞擊方向上的投影面積，進而可能對撞擊過程中的結構變形和動態(tài)響應造成影響。Kalam等[27]采用SPH方法研究了4種形狀鳥體撞擊剛性鋁板時的動態(tài)響應，鳥體重量1.8 kg，標稱密度為900 kg/m3，撞擊速度為116 m/s。將數值計算得到的撞擊壓力與理論分析進行對比，如表2所示可看出，鳥體外形對撞擊響應有著明顯影響，球端圓柱和橢球體的簡化鳥體分析結果與理論值較為接近，小于5%；而平頭圓柱、球體的結果與理論值誤差可達40%。

表2 鳥體形狀對撞擊壓力的影響

Meguid等[28]研究了三種典型形狀鳥體，分別是圓柱、橢球和球頭圓柱研究其撞擊剛性靶板和發(fā)動機葉片時的動態(tài)響應差別，以確定一種更具有代表性的鳥體形狀。計算表明，鳥體和撞擊對象之間的接觸面積差異對撞擊響應有著顯著的影響，圓柱鳥體撞擊產生的載荷最大，而橢球型鳥體撞擊后產生了兩個典型的載荷峰值；鳥體的長徑比對響應的影響較小。三種鳥體的歸一化沖擊載荷曲線如圖12所示，三種不同長徑比的球頭圓柱人工鳥彈撞擊歸一化載荷曲線如圖13所示。

圖12 鳥體形狀對撞擊歸一化撞擊壓力的影響

圖13 鳥體長徑比對歸一化對撞擊壓力的影響

朱書華等[29]針對平頭圓柱鳥彈和球頭圓柱鳥彈，開展了鳥撞風擋玻璃數值分析,并于真鳥撞擊實驗進行了對比。結果用兩種形狀計算得到的應變曲線的變化趨勢與試驗結果都基本相符。但當飛機水平與鳥相撞時，用平頭鳥彈計算得到的風擋應變值，小于用球頭圓柱鳥彈計算得到的風擋應變值，用球頭圓柱鳥彈計算所得的結果與試驗結果更加吻合。其認為原因在于，氣炮打出的鳥彈在高速氣流作用下，前端變成半球形，用繩包扎的后端接頭也類似半球形。鳥彈作用到風擋時,其形狀更接近球頭圓柱形狀。

此外，Liu等[30]和Rade等[31]也針對不同形狀的人工鳥開展了對比研究，通過對比動態(tài)破壞過程和撞擊載荷等參數，結果均表明球頭圓柱形鳥彈與試驗結果有更好的一致性，與Meguid的結論類似，不再贅述。

通過以上分析表明，人工鳥彈的形狀和尺寸對撞擊過程和撞擊響應均有一定影響，相關學者開展了不同形狀、不同尺寸的人工鳥撞擊對比分析或試驗，以尋找一種最適合替代真實鳥的人工鳥外形。結果均表明，采用球頭圓柱形人工鳥彈進行鳥撞分析與試驗，與真實鳥具有更好一致性，這也是當前球頭圓柱人工鳥彈更多應用于飛機結構抗鳥撞的原因。

4 人工鳥的本構

鳥體本構模型及相關參數是開展鳥撞數值仿真的基礎，當前國內外在鳥體材料參數的優(yōu)化識別工作中已經有了一定的積累，特別是參數識別的方法研究已經較為完善，為提高結構抗鳥撞分析與損傷評估的可靠性提供了支撐。

4.1 人工鳥的本構模型

真實鳥體主要由血、肉和骨骼構成，本構模型很難精準描述。由于明膠鳥彈沖擊動態(tài)力學行為與真鳥基本一致，在數值分析時一般使用相同的本構模型和相似本構參數?？傮w來說，目前被廣泛使用的鳥體本構模型主要分為三種[32-33]：①帶失效模式的塑性動力學模型；②彈塑性流體動力學本構模型；③狀態(tài)方程本構模型，三種本構模型見式(2)～式(4)。早期鳥撞數值計算，大多采用線彈性模型，以降低計算成本和提高計算效率，但該模型相對誤差較大，動態(tài)行為與鳥撞試驗結果有較大差距。帶失效模式的彈塑性模型可以較好地模擬鳥體動態(tài)失效過程，常用失效準則有剪切失效和拉伸失效兩種，但有學者強調，由于沒有考慮真實鳥體的流變響應，這種簡化方式有明顯的局限性[34]，僅適用于低速鳥撞分析。目前高速鳥撞分析，普遍采用狀態(tài)方程定義鳥體壓力-體積的變化關系，將碰撞過程中近似描述成流體沖擊固體結構。

(1) 彈塑性本構模型

σy=σs+Epεp

(2)

式中：σy為塑性應力；σs為屈服強度應力；Ep為切線模量；εp為塑性應變。鳥彈失效采用最大塑性應變失效準則。

(2) 彈塑性流體動力學本構模型：

低壓鳥體用彈塑性本構描述，高壓采用流體動力學本構描述。

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E0

(3)

式中：μ=ρ/ρ0-1，ρ和ρ0為鳥彈材料的現時密度和初始密度；C0～C6為材料常數；E0為鳥彈初始內能。

(3) Murnaghan狀態(tài)方程本構模型

p=p0+B[(ρ/ρ0)γ-1]

(4)

式中：p和p0分別為鳥體現時壓強和初始壓強；B和γ為鳥體材料常數。

4.2 人工鳥本構參數識別

對于人工鳥彈(或真實鳥彈)，除密度可通過承重直接獲取外，其余鳥體參數均未知；鳥體自身呈現軟質特性，通過材料試驗得到其力學參數較為困難。在明確鳥體沖擊動力學行為和本構模型基礎上，基于鳥撞試驗數據辨識鳥體本構參數成為一種新的有效手段。

鳥體本構參數辨識首先針對真實鳥開展，由王富生等[35-36]提出。其基于鳥撞平板試驗數據，選用彈塑性動力學本構描述鳥體動態(tài)失效行為，以試驗值與計算結果相對誤差的平方和最小為優(yōu)化目標，準確識別了兩個主要本構參數，為精確分析鳥撞飛機風擋響應提供了支撐。該方法改變了以往憑經驗估計和手動試湊的手段，提高了鳥體本構識別精度和效率。

此外，其他學者在該領域可開展了卓有成效的拓展研究。張永康[37-38]基于非線性最小二乘法、外點罰函數法和改進BP神經網絡模型，將參數辨識問題轉化為無約束非線性最優(yōu)化問題，給出了一種鳥體參數識別優(yōu)化方法。劉軍等將PAM-CRASH集成到iSIGHT中，給出鳥體本構材料參數的識別方法，針對三種鳥體本構模型識別得到了三套參數，并利用鳥體撞擊鋁板算例對本構模型和識別參數的準確性進行了驗證。羅軍等[39]利用Hyper Study 多學科優(yōu)化平臺，針對敏感參數進行多目標優(yōu)化，實現了更為精確的鳥體材料參數識別優(yōu)化。孟卓等[40]將并行優(yōu)化技術引入鳥體材料參數辨識，針對多組鳥撞試驗工況構造并行優(yōu)化識別模型，識別得到了適用不同撞擊速度的鳥體本構參數。

隨著人工鳥在鳥撞試驗和評估中的廣泛應用，針對人工鳥，也有學者開展了本構參數辨識研究。劉小川等[41]采用Murnaghan狀態(tài)方程描述人工鳥高速撞擊行為，推導了待優(yōu)化參數的取值范圍；采用廣義梯度下降方法，以撞擊點法向變形為優(yōu)化目標，開展了人工鳥體本構參數識別，并根據人工鳥撞擊鋁板試驗應變數據，驗證了本構參數的可靠性。其優(yōu)化流程如圖14所示；采用優(yōu)化后的分析模型進行分析，并與試驗結果進行了對比，如圖15所示，可看出撞擊點的變形誤差很小，在3%以內，曲線時間歷程也具有良好的一致性；而撞擊載荷誤差略大，作者認為和鳥撞分析力傳感器建模不準有關。

圖14 鳥體本構參數優(yōu)化流程圖

圖15 參數優(yōu)化后的撞擊分析與試驗數據的對比

此外，單斌等采用鳥撞剛性靶試驗，基于ANSYS/LS-DYNA進行鳥撞建模，在MATLAB軟件中進行遺傳算法和軟件調用，實現了鳥體材料參數自動識別優(yōu)化。馮振宇等[42]同樣根據人工鳥撞擊傳感器試驗數據，針對含失效的彈塑性本構模型和狀態(tài)方程，識別了鳥體本構參數，此外其研究還表明識別的鳥體參數不具有普適性，不同速度和質量的人工鳥需采用不同的本構參數。

總體而言，當前鳥體本構參數辨識優(yōu)化以本構模型確定為前提，基于適當優(yōu)化算法，對標結果試驗結果尋找最優(yōu)化本構參數，基本流程如圖16所示。

圖16 鳥體本構識別流程

當前鳥體本構模型已得到較為充分的研究，仍有問題需要解決，目前提出的鳥體本構本構模型均在一定撞擊速度范圍適用，識別參數也不具有普遍適用性。

劉軍等指出：當鳥撞速度低于70 m/s時，宜采用彈塑性本構；速度在120 m/s左右時，采用彈塑性流體動力學本構；速度大于170 m/s時，可采用狀態(tài)方程描述。上述針對不同撞擊速度采用不同本構的方法，對提高鳥撞分析精度有重要意義，但仍存在改進之處。如，對于速度區(qū)間過渡區(qū)域的撞擊動態(tài)過程，現有本構模型較難準確描述。筆者多年研究表明，高速鳥撞分析即使不進行本構參數識別，采用狀態(tài)方程并賦值水的參數，也可給出較為滿意的結果。而中低速鳥撞準確分析較為困難，其一，本構辨識參數只針對特定結構特定撞擊速度有效，其二，針對不同撞擊速度采用不同本構模型為一種權宜之策，鳥撞過程鳥體速度連續(xù)變化，不存在固定的速度區(qū)間，撞擊速度實質反應了材料的率相關特性，鳥體應變率與被撞結構剛度特性強烈耦合，撞擊速度并不是鳥撞過程鳥體材料的應變率特性和動態(tài)破壞過程的唯一考量因素。

筆者認為，根本原因在于，當前研究尚未完全揭示鳥體撞擊失效機制，尤其是中低速階段，僅能簡化為彈塑性模型，失效判據則采用簡化為最大應變失效或剪切失效。因而，仍需要在深入研究鳥體動態(tài)破碎特性，結合現有鳥體本構模型，提出一種適用更寬速度范圍的普適性鳥體本構模型及本構參數。

5 人工鳥的應用

5.1 針對人工鳥的標準要求

當前鳥撞相關的適航要求和標準大都針對家禽等真實鳥，但也有部分試驗采用人工鳥實施。

以我國相關民用飛機和發(fā)動機適航為例，《民用飛機結構抗鳥撞設計與試驗通用要求》(HB 7084—2014)[43]規(guī)定了民用飛機結構抗鳥撞設計一般要求、抗鳥撞能力分析要求、驗證試驗要求及技術文件等通用技術要求。其要求在結構抗鳥撞實驗中一般使用家禽鳥彈，也可以在試驗中使用人工鳥彈，建議使用中使用10%的明膠鳥體作為鳥彈。中國民航發(fā)動機適航標準(CCAR 33部)第33.76條“吸鳥”中，規(guī)定了發(fā)動機鳥撞試驗的要求和合格判據，提出可以使用人工鳥體代替真實鳥進行鳥撞試驗?！逗娇瞻l(fā)動機吞鳥試驗要求》(GJB 3727—1999)[44]規(guī)定了航空發(fā)動機吞鳥試驗技術要求和試驗方法。標準對吞鳥試驗的鳥重和鳥數作了要求，提出應盡量使用自然鳥，必要時中鳥和大鳥允許使用家禽或人造鳥代替。使用人工鳥開展吞鳥試驗時，推薦使用20%的明膠和80%的水制備的鳥體。

從實際應用情況來說，雖然相關要求和標準接受人工鳥進行試驗驗證，但目前幾乎所有的相關適航試驗還是采用真實鳥開展。

5.2 在鳥撞實驗研究中的應用

人工鳥首先應用在發(fā)動機葉片的抗鳥撞設計評估種得到應用。20世紀80年代，Bertke[45]使用人工鳥彈，系統(tǒng)開展了發(fā)動機葉片抗鳥撞試驗研究，其使用85 g和680 g兩種質量鳥彈，分別模擬小鳥和大鳥，從不同葉片尺寸、不同撞擊角度、不同狀態(tài)(靜止或旋轉)等維度進行了鳥撞試驗規(guī)劃，并記錄應變和損傷數據，用于研究葉片鳥撞響應和損傷情況。

國內，劉洋等[46]和張海洋等[47]也開展了基于人工鳥的發(fā)動機葉片外物損傷試驗研究，為支撐我國航空發(fā)動機的國產化起到了一定作用。劉洋側重于研究靜止葉片，通過多工況的鳥撞試驗，分析了鳥彈質量、鳥彈速度、鳥彈姿態(tài)等關鍵參量對發(fā)動機葉片鳥撞實驗的影響。張海洋等則針對旋轉狀態(tài)下的發(fā)動機葉片，開展鳥撞損傷分析和試驗研究，試驗中使用的明膠人工鳥質量為280 g，鳥撞速度為103 m/s。結果表明，鳥撞擊風扇主要過程為葉片前緣撞擊切割鳥體，主要損傷為風扇葉片前緣變形、撕裂、掉塊和凸肩工作面錯位、掉塊，風扇葉片抗鳥撞擊的薄弱部位為風扇葉片前緣和凸肩工作面。劉洋和張海洋得到的結構鳥撞變形或損傷情況分別如圖17和圖18示。

圖17 人工鳥彈撞擊葉片高速攝像結果

圖18 發(fā)動機葉片撞擊后損傷情況

人工鳥在機身結構抗鳥撞研究中同樣得到了廣泛應用。Michele等為驗證設計的FML材料機翼前緣的抗鳥撞性能，使用3.63 kg人工鳥以129 m/s初始速度開展鳥撞擊試驗和數值仿真，撞后結構出現嚴重變形，但未穿透破壞，如圖19所示，表明該結構設計滿足鳥撞安全性驗證要求。Guida[48]等、McCarthy[49]等和Heimbs[50]等，也針對金屬、復合材料或者FML材料制成的機翼前緣結構，采用人工鳥進行了結構抗鳥撞試驗研究，不再贅述。

圖19 結構鳥撞變形對比

此外，人工鳥同樣在其他各類機身結構抗鳥撞試驗研究中得到應用，如機翼可動后緣、風擋玻璃、雷達罩等。如，Steve等[51]在Boeing 787飛機機翼復合材料可動后緣結構的鳥撞適航驗證中，也采用了人工鳥。Diamantakos等[52]則采用研究了復合材料加筋壁板的抗鳥撞問題。

以上學者研究表明，當前人工鳥已經廣泛應用于各類飛機結構的抗鳥撞研究中，包括發(fā)動機葉片、金屬或復材機翼前后緣等，對結構抗鳥撞設計評估起到重要支撐作用，并取得了良好的應用效果。

不可否認的是，目前人工鳥僅應用于研究性試驗以及分析模型可靠性驗證，并未被廣泛應用于結構的鳥撞適航符合性驗證試驗。筆者認為，主要問題在于，目前人工鳥的制備工藝沒有標準化，導致不同機構、同一機構不同人員制作的人工鳥力學性能均有差異，降低了驗證試驗可信度和一致性。

6 結 論

(1) 實驗結果表明，采用明膠制備的人工鳥與真實鳥具有較為一致的沖擊動力學行為，高速撞擊過程，采用球頭圓柱的人工鳥彈與真實鳥呈現相似的流體動力學特性，撞擊載荷、結構變形和應變結果誤差較小。

(2) 10%孔隙度的明膠體動態(tài)撞擊特性與真實鳥體的相似度最高。各研究和試驗機構采用人工鳥制備工藝雖基本一致，但人工鳥的力學性能卻有較大差異，原因在于其具體制備流程控制和添加劑有所差異。

(3) 根據沖擊速度的不同，鳥撞分析可以用彈塑性本構、彈塑性流體動力學本構或狀態(tài)方程描述，本構模型參數可以基于結構撞擊實驗結果，通過優(yōu)化算法反演獲得；針對寬速度范圍適用的統(tǒng)一本構模型和本構參數有待建立。

(4) 在應用方面，飛機和發(fā)動機相關鳥撞實驗標準中均提出可以使用人工鳥模擬鳥體，并取得了較好的應用效果，但僅限于研究性實驗；由于人工鳥制備工藝尚未標準化，結構抗鳥撞能力的適航驗證，目前只能采用家禽等真實鳥，不接受人工鳥。

(5) 人工鳥由于環(huán)境友好性、材料工藝可控等優(yōu)勢，撞擊試驗結果的分散性更小，更適合用于結構抗鳥撞適航驗證試驗。人工鳥與真實鳥一致的撞擊動力學行為已得到試驗證實，待其工藝標準化和更充分的撞擊驗證后，很有可能更大程度或完全替代真實鳥進行結構抗鳥撞的研究與適航驗證。