如何理解鳥擊

    鳥擊是指飛行器在起飛、爬升、巡航或降落過程中被鳥類撞擊而發(fā)生的影響飛行安全的事件、事故或事故征候。航空器發(fā)動機的鳥擊事件又稱為吸鳥。隨著航空器數(shù)量的不斷增加、體積越來越大、飛行速度越飛越快，同時也增加了鳥擊的可能性。

    說到鳥擊，最典型的的民航事故案例就是，2009年1月15日，合眾國航空公司（US Airways）一架編號1549的A320客機，在紐約一機場起飛后不到一分鐘內(nèi)遭到“雙鳥擊”，被迫緊急迫降在哈德遜河上。在機長精湛技術(shù)和沉著處置下，事情的結(jié)果是令人欣慰和滿意的。

    鳥撞飛機的防治被列為世界級難題，這是因為全世界每年大約發(fā)生一萬多起鳥撞飛機事件，導(dǎo)致空中險情和空難。所以國際航空聯(lián)合會把鳥害升級為A類航空災(zāi)難。

    下面有組數(shù)據(jù)，讓大家對鳥擊事件有個具體的理解：

    鳥撞擊飛機位置概率：45%的鳥擊發(fā)生在發(fā)動機上，42%的鳥擊發(fā)生在機頭風(fēng)擋上，其余是機身尾翼機翼和起落架（起飛和降落階段起落架尚未收起或放開）。

    鳥擊發(fā)生時飛機高度：60%以上的鳥擊發(fā)生在飛機爬升或者降落近進時即飛機高度在50英尺及以內(nèi)。

    如何理解鳥擊對飛機的危害程度

    雖然絕大多數(shù)鳥類都有體形小、質(zhì)量輕和飛行速度小的特征，但鳥擊破壞的危害主要來自飛行器和鳥的相對速度，而并非鳥類本身的速度。

    根據(jù)動能定理，E=1/2 M∧2

    其中M是鳥的質(zhì)量，單位是公斤；V是鳥和飛機的速度矢量和，單位是米/秒，由于鳥的飛行速度相對飛機較低，可以忽略不計，因此可以認(rèn)為鳥相對于飛機的速度就是飛機的速度，比較典型的飛機中低空爬升速度是150節(jié)到250節(jié)，也就是77米/秒到128米/秒。此時的飛機若和一只0.5公斤的鳥相撞，就會產(chǎn)生約1500-4000焦耳的能量（你把一個重1公斤的石頭塊拿起來放到高1米的桌子上，你的身體要消耗大概10焦耳的能量），這些能量在瞬間被飛機吸收，接觸部位就會產(chǎn)生不同程度的破壞。

    這種破壞力可能達到驚人的程度，15%-20%的鳥擊會造成飛行器損傷。同時，鳥擊對飛行器的破壞程度與撞擊的位置和鳥的種類（重量）有著密切的關(guān)系，導(dǎo)致嚴(yán)重破壞的撞擊多集中在非動力系統(tǒng)（包括導(dǎo)航系統(tǒng)和翼面）和動力系統(tǒng)兩方面。

    引擎是實際受損比例最高的部件

    鳥撞飛機主要在飛機起降時，發(fā)動機、擋風(fēng)玻璃、機鼻、機翼/螺旋槳和整流罩遭受鳥類撞擊的風(fēng)險最大，而這些部位又是飛機比較薄弱和要害之處，因而被鳥撞后造成的后果十分嚴(yán)重。而這當(dāng)中，發(fā)動機是受到實際損害比例最大的組件。聯(lián)邦航空局的統(tǒng)計顯示，在1990年2015年之間，共有16636起鳥類撞擊飛機引擎的報告，其中，4417起或者說27%的事件中引擎遭受了實際損傷。

    圖：美國飛機遭遇鳥擊報告（1990-2014）

    普惠公司設(shè)計和組件集成部門首席工程師克里斯·克梅茲指出，大多數(shù)的鳥類撞擊引擎事件不會造成實際損害，發(fā)生損害的情況往往是，塑性氣體流道面板和金屬絲網(wǎng)聲學(xué)面板引發(fā)的發(fā)動機凹損或撕裂。更大力度的撞擊——比如高速飛行的大型鳥類——會導(dǎo)致風(fēng)機葉片前緣（這是鳥類被吸進引擎經(jīng)過的第一個部位）的彎曲。他指出，在遭受此類損害之后，發(fā)動機仍可以繼續(xù)運行。飛機著陸后，無需更換整臺發(fā)動機，只要修復(fù)或更換受損硬件就可以。

    發(fā)動機如何防止鳥擊

    對于發(fā)動機來說，防止鳥擊，最關(guān)鍵的問題不是防止將小鳥吸入發(fā)動機，而是一方面要防止發(fā)動機在吸入小鳥后停止工作，更要防止鳥擊導(dǎo)致高速旋轉(zhuǎn)的發(fā)動機葉片斷裂，并進一步破壞飛機機身和機翼。

    根據(jù)目前的航空器設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，任何一架雙發(fā)飛機，都應(yīng)具備在單發(fā)失效的情況下，使用一臺發(fā)動機安全著陸的能力，也就是說即便單臺發(fā)動機被小鳥搞停機，對飛行員來說“那都不是事兒”。如果兩臺發(fā)動機同時“中獎”，飛行員只能指望‘薩倫伯格’附體了。

    怎么保護飛機的主體結(jié)構(gòu)不被發(fā)動機破壞呢，首先要知道發(fā)動機的大殺器是什么？它就是發(fā)動機內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)的風(fēng)扇葉片，它們就像一把把鋒利的尖刀，在飛行過程中，如果風(fēng)扇葉片在外力沖擊下由根部斷裂，斷片就會在巨大離心力的作用下甩出，一旦飛出發(fā)動機，飛機和里面乘客都是“肉”啊！

    為了抵御“尖刀”，發(fā)動機設(shè)計師得造出“鐵布衫”才行，這個鐵布衫的學(xué)名是風(fēng)扇包容環(huán)，見上圖綠色部分。

    早期發(fā)動機的包容環(huán)均采用不銹鋼做成帶有多條加強肋條的機匣，不僅質(zhì)量大而且包容能力有限，1980年代后期發(fā)展出了鋁制薄殼纏繞幾十層Kevlar布，再加上環(huán)氧樹脂組成的包容環(huán)，這種包容環(huán)韌性極強，而且質(zhì)量輕。

    在這個鐵布衫的保護下，飛機上的乘客們再也不用擔(dān)心飛出的葉片啦。

    說了那么多原理，落實到工程上，還得靠工程師們的試驗才行。

    1.吸鳥試驗

    發(fā)動機工程師需要模擬各種情況下，鳥被吸入發(fā)動機后的狀態(tài)，包括用不同重量的鳥沖擊發(fā)動機葉片的不同位置，來確保小鳥不會對發(fā)動機造成損壞。簡單來說，就是用高壓氣體把小鳥當(dāng)成炮彈一樣，射向發(fā)動機葉片。

    在吞鳥試驗中，被發(fā)動機吸入的鳥必須是真實的禽類。試驗的鳥由壓縮空氣炮按一定速度、一定的位置射向工作中的發(fā)動機。由于現(xiàn)代噴氣客機的巡航高度一般在8000米以上，很少有鳥類能飛到如此高的空中，因此發(fā)動機吞鳥事故一般發(fā)生在中低空，尤其在機場附近，即飛機的起飛和降落過程中。由于在起飛過程中飛機的迎角很大，速度不快，高度不高，需要發(fā)動機處于最大推力狀態(tài)才能保持穩(wěn)定飛行姿態(tài)，此時一旦因為鳥撞造成發(fā)動機的推力下降，哪怕只有十幾秒，都會造成嚴(yán)重的后果。

    因此，鳥撞試驗時發(fā)動機一般應(yīng)處于最大推力狀態(tài)，以模擬起飛的情況，并需要用不同大小的鳥類，在不同的徑向位置射入，從接近發(fā)動機軸線的中心位置一直到接近發(fā)動機機匣的外部位置，以模擬實際鳥撞情況。試驗時，除用高速攝影機記錄下撞擊過程外，還需記錄整個試驗過程中的發(fā)動機參數(shù)變化情況，并在試驗后分解發(fā)動機，分析鳥撞的后果和各部件（尤其是風(fēng)扇葉片）的結(jié)構(gòu)變形情況，為評估發(fā)動機的結(jié)構(gòu)完整性和改進設(shè)計提供依據(jù)。

    2.葉片爆破

    一般來說，一只小鳥不會將發(fā)動機風(fēng)扇葉片打斷，但是對于航空工程師來說，安全就是跟那最不可能的“萬一”較真，他們要保證在極端情況下，飛機仍能安全返航，這就有了發(fā)動機中最燒錢的試驗——葉片爆破（一臺價值數(shù)千萬的發(fā)動機瞬間灰飛煙滅）。

    這個試驗是將炸藥裝在風(fēng)扇葉片上，在發(fā)動機正常工作時引爆，在這種情況下，保證發(fā)動機內(nèi)部零件不會損傷外部的飛機結(jié)構(gòu)。

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