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【科学之光】李玉龙教授团队:抗鸟撞领域的新突破
发布时间:2016-03-29 15:50:38 作者:刘建平 郑真 张阿娇 来源:宣传部 已浏览:

西工大新闻网3月29日电 (记者 刘建平 郑真 张阿娇)《愤怒的小鸟》是红极一时的网络游戏。看着小鸟像炮弹一样砸向对岸的绿猪,想必是件痛快的事。但如果将愤怒的小鸟砸向飞机,结果会怎样?一个是“大铁鸟”,一个是小飞鸟,后果似乎可想而知。然而这件在很多人看来无异于“以卵击石”的事,真实结果却并不像游戏那样好玩了。

(图为鸟撞事故的惨状)

“鸟撞”目前已是世界性难题。根据国际航空协会统计,1912年以来,鸟撞至少导致63架民用航空器失事;军用飞行器速度快,鸟撞危害更为严重,1950年以来文献记载的严重事故超过353起,至少165人遇难。1992-2008年,我国军用飞机因鸟撞造成20起严重的飞行事故、58起飞行事故征候和210起飞行问题,导致18架飞机坠毁、12名飞行员牺牲。一次又一次机毁人亡的空难用“惨烈”、“血淋淋”的事实警示我们,飞机防鸟撞必须要列入人类科学研究的重大课题了。

科普:为什么飞机“怕”鸟撞?

为什么一只重量至多几公斤、飞行速度相对缓慢的小鸟,会对比它庞大得多的飞机造成如此大的伤害?我们所说的“鸟撞飞机”,实际上是“飞机撞鸟”,问题的根源就在于飞行器运行中的高速,而不是鸟类本身的质量。根据动量定理,一只0.45公斤的鸟与时速800公里的飞机相撞,会产生153公斤的冲击力;一只7公斤的大鸟撞在时速960公里的飞机上,冲击力将达到144吨①高速运动使鸟的破坏力达到惊人的程度,一只麻雀就足以撞毁降落时的飞机发动机。而鸟类的生物特性,决定了它以距离而非速度作为“是否飞走”的判断基准,但飞机的高速度让它还来不及反应,就变成了“凶手”和牺牲者。

西北工业大学李玉龙教授团队:独创“抗鸟撞”设计的新理念

面对频发的鸟撞飞机事故,目前普遍采用的解决办法是驱鸟,常用的有空气炮、录音驱鸟、猎杀、豢养猛禽、仿生航模驱鸟等。虽然主动驱鸟在很大程度上减少了鸟撞飞机事故的发生,但百密一疏,仍不能从根本上解决问题。除了驱鸟,第二种方法就是对飞机本身进行“抗鸟撞”设计。

在抗鸟撞飞机设计上,国际上通常采用两种理念。一种是“以硬碰硬”,通过改善飞机材料,以提升强度来应对鸟撞产生的巨大冲击力。但这种做法对材料的要求很高,既要重量轻又要强度高,会受到材料技术及成本的限制。二是采用吸能材料。如同海绵吸水,机体材料会吸附冲击力,保证飞机结构不受损失。这种做法目前在汽车上的应用非常普遍,但对于飞机上应用的研发和普及程度而言,也是件难事。

针对这一世界性难题,西北工业大学李玉龙教授团队创新性地提出了一种新的设计理念。其理念的核心就是“以疏导能量代替对抗能量”,“就像大禹治水,‘'是下下策,‘疏导'才是良方。”李玉龙教授形象地告诉记者。

事实上,正是从大禹“疏胜于堵”的理念获得启发,团队想到通过改善机身结构的办法来应对鸟撞,而不是单纯改变强度和材料。李教授是这么解释的:“鸟作为一个软体,在高速撞击的过程中,表现出的是一个液态的状态,就像水打在一个板子上一样,既然是这样的流体,那么我们就可以把它疏导的更合理。”

以尾翼为例,这里最需要保护的是主梁,因其背后附有重要的器件设备。李教授和团队在尾翼内置了一块三角形的蒙皮,用与活鸟同等质量的硅胶模块,以644km/h的速度进行冲击试验。当尾翼受到撞击,蒙皮变形成刀片一样的利器,将冲击物飞开,从而分散冲击产生的动能,保证机身完好。

(图为尾翼的原始结构和加强结构)

李教授三言两语,就让在场的非专业人士理解其原理。谁曾想这看似简单的原理背后,却是整个团队夜以继日、连续五六年的摸索。直到2000年左右,团队才终于提出“加强结构”(Optimize Structure)这个全新构型。接下来,又是一段漫长的验证过程。

“难就难在,一般情况下想不到这个角度。”李教授如是说。另一个难点在于,增加结构的同时,却不能改变机翼的原本重量,不然整个机身的气体动力学结构都会改变。这就需要在减少机翼其他部分重量的同时,提升强度。

功夫不负有心人。2015夏天,我校的“加强结构”已经通过了美国专利,今年就要拿到法国专利,而且这项技术已经应用到了很多军用、民用的飞机上,也取得非常好的效果。这里面就包括我们国家的大飞机C919。

(图为尾翼原始结构和加强结构鸟撞试验效果对比图)

创新性打造精确、高效的“鸟撞”实验系统

“工欲善其事,必先利其器”。为了验证“加强结构”的合理性,十几年来,李教授团队投入大量的精力在试验和实践中。在与国内航空相关单位的合作中,团队研发出了抗鸟撞地面实验设备—抗鸟撞空气炮,适航精度能达到1.5%~2%(一般水平在3%),保证了炮弹发射精度准确。

(图为抗鸟撞设备)

更重要的是,不论抗鸟撞结构也好、炮弹也罢,都需要依靠严密的测试方法和设备,以及大量的实验数据。静态实验或许容易,但在冲击状态下,材料的结构属性,如屈服应力、流动应力、破坏应力等因素均会发生极大的变化。如何做材料动态力学性能测试,才是解决抗鸟撞问题的关键因素。这也正是李玉龙团队的另一张王牌:高变形速率、高温环境下的力学性能测试。目前,相关设备已出口美国、澳大利亚等国家。

据悉,“加强结构”已经在ARJ21-700飞机上进行了验证,目前尚处于适航要求的仿真实验阶段。一旦成功,将会为机身减去10.5kg的重量今后,该结构将应用于C919大飞机的平尾结构。西工大的抗鸟撞研究,已成为全国航空界、力学界交口称赞的名牌领域。

后记:吾辈将上下而求索

成功的花,

人们只惊羡她现时的明艳!

——冰心

今年3月8日,是马航MH370失事两周年的日子。“灾难”,一个不愿被人提起的沉重字眼,却也让生者意识到,活着是一件多么难得又珍贵的事。每一次旅途的出发,都应该给予至亲一个拥抱;每一次顺利抵达,都值得击掌庆贺。生命可贵,让我们且行且珍惜。

所以下一次,当你的航班平安落地、火车进站,为自己庆幸之时,请在心里为背后默默付出的科研人员鼓掌,为生命喝彩,为科技真正造福人类而喝彩。

采访结束时,李教授将记者送到门口,又匆匆返回办公桌,恢复到日常的工作状态。团队的下一步目标,是将机翼的抗冲击力提高到1.8kg,尾翼则要提高到3.6kg,这意味着对抗鸟撞的条件要求更高、更严格。

路漫漫其修远兮,吾辈将上下而求索!

说明:

① 资料参考:鸟撞_百度百科

(审稿:高大力 编辑:田庆青)

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