8年與25毫秒 C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)?zāi)缓?/h1>
2018-04-16 04:47潘友星
航空知識(shí) 2017年12期
潘友星
“鳥(niǎo)撞玩的就是心跳，‘鳥(niǎo)彈打出去的那一剎那，心臟提到了嗓子眼，鳥(niǎo)撞試驗(yàn)講求的就是這一瞬間的永恒?！碧峒傍B(niǎo)撞試驗(yàn)，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上飛院”）強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究部動(dòng)強(qiáng)度室的副主任設(shè)計(jì)師宋春艷這樣形容?！傍B(niǎo)彈”通過(guò)鳥(niǎo)撞設(shè)備，以試驗(yàn)人員預(yù)先設(shè)定好的速度打到試驗(yàn)件上，這個(gè)過(guò)程快到只用25毫秒就可以完成，比眨一下眼睛的速度還要快?？删褪菫榱诉@25毫秒，C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)卻用了8年的時(shí)間。
“鳥(niǎo)撞”及“鳥(niǎo)撞試驗(yàn)”
說(shuō)起“鳥(niǎo)撞”，最早可以追溯到1912年，飛行員卡爾·羅杰斯駕機(jī)作飛行表演，從北美洲飛向南美洲時(shí)與海鷗相撞，飛機(jī)掉入大海，飛行員遇難，成為世界上首例飛機(jī)鳥(niǎo)撞事故。鳥(niǎo)撞飛機(jī)，危害不淺，一旦發(fā)生，往往就會(huì)造成災(zāi)難，輕則導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件的損傷，重則引發(fā)機(jī)毀人亡的災(zāi)難性事故，直接威脅到空勤人員及旅客的生命安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅1960年以來(lái)，世界范圍內(nèi)由于鳥(niǎo)撞事故至少造成78架民用飛機(jī)損失、201人喪生，鳥(niǎo)撞現(xiàn)已被國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)定位為A類(lèi)空難。
中國(guó)民用航空規(guī)章第 25 部“運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)”（CCAR-25）中，第571E、631和775三個(gè)條款分別對(duì)飛機(jī)上諸如機(jī)翼、尾翼、機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架等飛機(jī)部件的抗鳥(niǎo)撞要求做出明確規(guī)定，如第631條款表明：“尾翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須保證飛機(jī)在與3.6千克（8磅）重的鳥(niǎo)相撞之后，仍能繼續(xù)安全飛行和著陸?！钡?75條款也明確指出：“風(fēng)擋和窗戶必須能經(jīng)受住1.8千克（4磅）的飛鳥(niǎo)撞擊而不被擊穿?！庇纱藖?lái)看，飛機(jī)在空中飛行必須能經(jīng)受住鳥(niǎo)的撞擊，機(jī)體結(jié)構(gòu)必須要進(jìn)行抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)，鳥(niǎo)撞試驗(yàn)是飛機(jī)通過(guò)適航驗(yàn)證的必經(jīng)之路。
中國(guó)商飛員工現(xiàn)場(chǎng)安裝試驗(yàn)件。
何為鳥(niǎo)撞？簡(jiǎn)言之，鳥(niǎo)撞是一種突發(fā)性和多發(fā)性的飛行事故，它是由飛機(jī)等飛行器與天空中飛行的鳥(niǎo)類(lèi)相撞擊造成的。鳥(niǎo)撞體現(xiàn)的是一種“能量”的概念，高速運(yùn)動(dòng)使鳥(niǎo)的破壞力驚人，有資料顯示，一只0.45千克的鳥(niǎo)與時(shí)速800千米的飛機(jī)相撞，會(huì)產(chǎn)生153千克的沖擊力;一只7千克的大鳥(niǎo)裝在時(shí)速960千米的飛機(jī)上，沖擊力將達(dá)到144噸?！斑@就好比一塊質(zhì)量很小的豆腐，當(dāng)它以極高的速度打出去的時(shí)候，它甚至?xí)碛幸活w子彈的穿透力?！彼未浩G告訴記者。
鳥(niǎo)往哪兒撞？理論上，飛機(jī)上所有的“迎風(fēng)面”都有可能被鳥(niǎo)撞擊，因此鳥(niǎo)撞是一個(gè)“全機(jī)性”的概念。但具體到工程設(shè)計(jì)上，由于鳥(niǎo)撞時(shí)飛鳥(niǎo)作用在機(jī)體上的能量與飛鳥(niǎo)運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)撞擊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的夾角成正比，因此一定角度區(qū)域內(nèi)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)均要作為鳥(niǎo)撞的重點(diǎn)考查范圍。根據(jù)近年來(lái)中國(guó)民航鳥(niǎo)擊航空器事件分析報(bào)告顯示，飛機(jī)上最容易受鳥(niǎo)撞擊的地方集中在機(jī)頭、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)翼/旋翼、雷達(dá)罩、平尾和垂尾等部位，其中，鳥(niǎo)擊發(fā)生比例最高的部位是發(fā)動(dòng)機(jī)（37.21%），受發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、部件和運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)的影響，一方面飛鳥(niǎo)很容易飛入其中，另一方面，也有可能被動(dòng)吸到里面。概括而言，只要飛機(jī)升空，鳥(niǎo)就有可能撞上飛機(jī)迎風(fēng)面、凸出部位或鼓包的任何一點(diǎn)。
怎么做鳥(niǎo)撞試驗(yàn)？一般而言，鳥(niǎo)撞試驗(yàn)的目的有兩個(gè)：一是檢驗(yàn)飛機(jī)上易受飛鳥(niǎo)撞擊部位的結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞能力;二是測(cè)量撞擊過(guò)程中有關(guān)應(yīng)變、位移、撞擊力等數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)師“抗鳥(niǎo)撞”設(shè)計(jì)分析提供數(shù)據(jù)支持。鳥(niǎo)撞試驗(yàn)的做法，國(guó)內(nèi)外并無(wú)二致。試驗(yàn)前將“鳥(niǎo)彈”預(yù)先放置在炮管里，通過(guò)高壓氣罐對(duì)其施壓，待壓力能夠達(dá)到使“鳥(niǎo)彈”以飛機(jī)巡航速度發(fā)射出去時(shí)，打開(kāi)閥門(mén)，高壓氣體就會(huì)推動(dòng)“鳥(niǎo)彈”在炮管里滑行，直至離開(kāi)炮口，飛向固定在試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)件?！傍B(niǎo)撞試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程快到用毫秒來(lái)計(jì)量，眨眼的功夫就完了，非?？臁！鄙巷w院強(qiáng)度部動(dòng)強(qiáng)度室主任朱曉東說(shuō)。
“鳥(niǎo)撞仿真”
助力C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)
鳥(niǎo)撞試驗(yàn)是一種破壞性的試驗(yàn)，沒(méi)有重復(fù)的可能，一旦試驗(yàn)件受撞擊破壞后，就無(wú)法再次利用，所以，這就要求試驗(yàn)人員必須事先進(jìn)行大量數(shù)據(jù)分析，掌握試驗(yàn)可能出現(xiàn)的結(jié)果，力求試驗(yàn)萬(wàn)無(wú)一失。通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算、分析的方法，來(lái)模擬真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程就是“仿真”， 因此，“鳥(niǎo)撞仿真”也就是采用一定的分析方法來(lái)計(jì)算、模擬真實(shí)鳥(niǎo)撞的試驗(yàn)過(guò)程?！傍B(niǎo)撞仿真”作為C919鳥(niǎo)撞團(tuán)隊(duì)的核心能力之一，體現(xiàn)和代表著C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)的水平，通過(guò)鳥(niǎo)撞仿真，不僅能夠幫助決策物理試驗(yàn)的撞擊點(diǎn)，還能在物理試驗(yàn)前預(yù)估試驗(yàn)可能出現(xiàn)的結(jié)果，從而縮短了試驗(yàn)周期，降低了試驗(yàn)成本，有助于高效確定合適的設(shè)計(jì)。
說(shuō)到鳥(niǎo)撞仿真，必然要提及的還有它所依賴的計(jì)算方法“有限元”，簡(jiǎn)單講，有限元分析就是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)（幾何和載荷情況）進(jìn)行模擬的過(guò)程。C919鳥(niǎo)撞仿真分析的第一步就是建模，即對(duì)其建立滿足動(dòng)力學(xué)要求的有限元模型。更形象一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，如果把C919機(jī)體看作是一個(gè)“大單元”，對(duì)其建立有限元模型的過(guò)程就是不斷把這個(gè)真實(shí)的“大單元”逐層逐級(jí)細(xì)分成有限個(gè)相互作用的“小單元”的過(guò)程。鳥(niǎo)撞仿真分析的有限元模型包括試驗(yàn)件（機(jī)體的某一部分）有限元模型和鳥(niǎo)體結(jié)構(gòu)有限元模型兩個(gè)部分。有限元模型建好后，就可以進(jìn)行鳥(niǎo)撞仿真的第二步，對(duì)鳥(niǎo)體結(jié)構(gòu)施加速度，使其撞擊已建好的試驗(yàn)件模型，再利用瞬態(tài)沖擊動(dòng)力學(xué)分析方法，計(jì)算出被撞試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)的損傷情況。
c919項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師吳光輝仔細(xì)查看烏撞試驗(yàn)后的結(jié)構(gòu)損傷情況。
C919鳥(niǎo)撞仿真的有限元分析包含兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在“細(xì)節(jié)”的模擬上。眾所周知，一架飛機(jī)上鉚釘?shù)臄?shù)量是百萬(wàn)級(jí)的，一般而言，在建立有限元模型的過(guò)程中可以進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。但對(duì)于鳥(niǎo)撞這種復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)分析來(lái)說(shuō)，卻并不能滿足模擬真實(shí)撞擊發(fā)生情況的建模要求。換一個(gè)鉚釘或是換一種鉚釘之間的連接方式就可能會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。因此，鳥(niǎo)撞仿真分析的有限元模型中，連接的細(xì)節(jié)模擬至關(guān)重要。然而，“百萬(wàn)級(jí)的鉚釘在有限元模型中建立起來(lái)已是一件工作量極大的事，想要再模擬出釘?shù)倪B接特性則是難上加難了。”朱曉東說(shuō)。為了攻克這一難題，C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)焚膏繼晷，組織人員投入到大量細(xì)致的分析和試驗(yàn)工作中，通過(guò)仿真分析，他們成功獲取了細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的建模方法和分析參數(shù)庫(kù)，并在C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)中加以應(yīng)用，大大提高了鳥(niǎo)撞仿真分析的精度。
較之于ARJ21-700飛機(jī)金屬材料的有限元分析，C919有限元分析的另外一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在復(fù)合材料的有限元分析上。因?yàn)閺?fù)合材料包含多層，各層相異，每層都有自己的特性、厚度和方向，所以對(duì)復(fù)合材料建立有限元模型難度更大。再加上，同ARJ21-700飛機(jī)上金屬材料的26個(gè)參數(shù)值相比，C919飛機(jī)上復(fù)合材料的參數(shù)值增加到136個(gè)，這又是一個(gè)棘手的問(wèn)題?！?36個(gè)參數(shù)”是什么概念？舉個(gè)初中解方程的例子來(lái)說(shuō)，二元一次方程里面有兩個(gè)未知數(shù)，只需要兩個(gè)方程式就可以求出真解，136個(gè)參數(shù)也就相當(dāng)于136個(gè)未知數(shù)，該需要多少個(gè)參數(shù)方程才能求出真解？另外，求出的參數(shù)解之間會(huì)有多少種組合？哪一個(gè)組合是真解？它的難度可想而知。為了能順利通過(guò)C919的首飛評(píng)審，不耽誤首飛進(jìn)程，C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)采用“仿真分析加工程判斷”的技術(shù)手段，即從第一個(gè)參數(shù)值開(kāi)始進(jìn)行敏感度分析，對(duì)于一些敏感度較高的參數(shù)，先將其挑選出來(lái)，放入敏感參數(shù)組，以逐漸縮小真解的范圍，形成中國(guó)商飛的鳥(niǎo)撞參數(shù)組合。
上飛院C919烏撞團(tuán)隊(duì)。前緣烏撞試驗(yàn)后合影.
C919的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)
為了減少鳥(niǎo)撞飛機(jī)事故的發(fā)生，一方面可以采用主動(dòng)驅(qū)鳥(niǎo)的辦法將鳥(niǎo)趕走，例如，國(guó)內(nèi)一些大型機(jī)場(chǎng)都劃定了專(zhuān)門(mén)的機(jī)場(chǎng)鳥(niǎo)防責(zé)任區(qū)，通過(guò)使用獵槍、鳥(niǎo)炮、捕鳥(niǎo)網(wǎng)、激光等措施進(jìn)行人為驅(qū)鳥(niǎo)。另一方面可以通過(guò)對(duì)飛機(jī)的機(jī)體進(jìn)行“抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)”以達(dá)到降低事故發(fā)生概率的目的。飛機(jī)“抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)”的目標(biāo)歸納起來(lái)就是一句話：“飛機(jī)遭鳥(niǎo)撞擊后仍能繼續(xù)飛行并安全著陸?！薄拜^之于主動(dòng)驅(qū)鳥(niǎo)這樣的治標(biāo)之策，‘抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)才是從根本上解決航線鳥(niǎo)撞問(wèn)題的治本之舉?！睆氖铝?年鳥(niǎo)撞工作的宋春艷十分肯定地說(shuō)。“在C919的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)針對(duì)飛機(jī)在航線飛行中可能會(huì)被撞擊的機(jī)體部位分別進(jìn)行了抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)的研究和優(yōu)化，機(jī)頭和尾翼前緣的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)思路是C919抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)的兩大亮點(diǎn)?！鄙巷w院強(qiáng)度部動(dòng)強(qiáng)度室副主任吳志斌告訴記者。
尾冀摸底試驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)合影
在機(jī)頭的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)上，主要采用的是剛度匹配設(shè)計(jì)，即通過(guò)優(yōu)化材料的剛度分布來(lái)改善機(jī)頭抗鳥(niǎo)撞能力的設(shè)計(jì)方法。實(shí)際上，剛度匹配設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐得益于西北工業(yè)大學(xué)李玉龍教授團(tuán)隊(duì)提出的“以疏導(dǎo)能量代替對(duì)抗能量”的創(chuàng)新性理念，當(dāng)撞擊角度較大時(shí)雖可采用“加強(qiáng)”的方法，在不允許破壞的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域通過(guò)增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，選用鈦合金的蒙皮材料使其滿足抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)的要求。但當(dāng)撞擊角度較小時(shí)，則宜采用“分散”的方法，重點(diǎn)考慮剛度匹配，通過(guò)優(yōu)化梁截面、合理布置墊板、增加輔助零件的方式進(jìn)行剛度匹配設(shè)計(jì)，避免撞擊時(shí)結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突變和應(yīng)力集中，以保證撞擊瞬間的結(jié)構(gòu)完整性，讓鳥(niǎo)體順著與結(jié)構(gòu)接觸表面滑走，在不增加較多重量情況下，改善機(jī)頭抗鳥(niǎo)撞能力。除此之外，C919機(jī)頭還采用了承載式風(fēng)擋，風(fēng)擋玻璃也能參與機(jī)頭的載荷傳遞，大大增加了機(jī)頭的抗鳥(niǎo)撞特性。
在尾翼前緣的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)上，C919鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)采用“蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與輔助梁組合”的結(jié)構(gòu)形式來(lái)提高尾翼前緣的抗鳥(niǎo)撞能力。C919尾翼使用的是碳纖維的復(fù)合材料，這種材料強(qiáng)度雖然很強(qiáng)，但脆性也相對(duì)較大，在減輕飛機(jī)重量的同時(shí)，也降低了尾翼的抗鳥(niǎo)撞能力。然而，適航條款中對(duì)尾翼抗鳥(niǎo)撞能力的要求（承受3.6千克重的鳥(niǎo)）卻比飛機(jī)上其它機(jī)體部位抗鳥(niǎo)撞能力的要求（承受1.8千克重的鳥(niǎo)）高出一倍，這對(duì)尾翼的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。C919鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為了完善和優(yōu)化C919尾翼前緣的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)，循環(huán)反復(fù)地進(jìn)行仿真分析，一輪一輪的進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，最終創(chuàng)新性提出了“蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與輔助梁組合”的尾翼結(jié)構(gòu)形式。一方面，通過(guò)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)達(dá)到減重的目的，另一方面，通過(guò)輔助梁最大化的吸收鳥(niǎo)的能量，這樣的組合一舉雙得。世界同級(jí)別客機(jī)尾翼一般采用密肋式前梁或蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，而C919尾翼卻另辟蹊徑，可謂是一大技術(shù)突破。
人們常用“臺(tái)上一分鐘，臺(tái)下十年功”來(lái)形容臺(tái)上表演的演員們臺(tái)下所付出的艱辛努力，這一點(diǎn)對(duì)于上飛院從事鳥(niǎo)撞工作的試驗(yàn)人員而言感同身受。
從2009年12月30日，ARJ21-700飛機(jī)打響了鳥(niǎo)撞試驗(yàn)的第一槍?zhuān)?017年3月11日，C919完成了首飛前的最后一項(xiàng)鳥(niǎo)撞試驗(yàn)，C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)用了整整8年的時(shí)間研究鳥(niǎo)撞，而這辛苦耕耘的8年也只是為了成就每一次鳥(niǎo)彈打出去的25毫秒。常有人問(wèn)，值嗎？“值，很值，非常值?！边@是所有從事鳥(niǎo)撞、研究鳥(niǎo)撞的民機(jī)設(shè)計(jì)師們共同的心聲。我們有理由相信，隨著鳥(niǎo)撞試驗(yàn)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，C919的鳥(niǎo)撞仿真及抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)水平也一定會(huì)越來(lái)越高。
責(zé)任編輯：吳佩新
猜你喜歡
飛機(jī)失蹤環(huán)球時(shí)報(bào)(2022-05-30)2022-05-30 “翼”起飛翔名車(chē)志(2020年10期)2020-10-27 一種飛機(jī)尾翼前緣除冰套安裝方式民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究(2020年1期)2020-05-21 “拼座飛機(jī)”迎風(fēng)飛揚(yáng)當(dāng)代陜西(2019年11期)2019-06-24 福特:GT專(zhuān)利尾翼產(chǎn)品可靠性報(bào)告(2017年6期)2017-09-05 乘坐飛機(jī)作文周刊·小學(xué)一年級(jí)版(2017年9期)2017-06-20 神奇飛機(jī)變變變小學(xué)生導(dǎo)刊(低年級(jí))(2016年8期)2016-09-24 磨削淬硬殘余應(yīng)力的有限元分析機(jī)械工程師(2015年10期)2015-02-02 基于SolidWorks的吸嘴支撐臂有限元分析 箱形孔軋制的有限元模擬上海金屬(2013年4期)2013-12-20
潘友星
“鳥(niǎo)撞玩的就是心跳，‘鳥(niǎo)彈打出去的那一剎那，心臟提到了嗓子眼，鳥(niǎo)撞試驗(yàn)講求的就是這一瞬間的永恒?！碧峒傍B(niǎo)撞試驗(yàn)，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“上飛院”）強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究部動(dòng)強(qiáng)度室的副主任設(shè)計(jì)師宋春艷這樣形容?！傍B(niǎo)彈”通過(guò)鳥(niǎo)撞設(shè)備，以試驗(yàn)人員預(yù)先設(shè)定好的速度打到試驗(yàn)件上，這個(gè)過(guò)程快到只用25毫秒就可以完成，比眨一下眼睛的速度還要快?？删褪菫榱诉@25毫秒，C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)卻用了8年的時(shí)間。
“鳥(niǎo)撞”及“鳥(niǎo)撞試驗(yàn)”
說(shuō)起“鳥(niǎo)撞”，最早可以追溯到1912年，飛行員卡爾·羅杰斯駕機(jī)作飛行表演，從北美洲飛向南美洲時(shí)與海鷗相撞，飛機(jī)掉入大海，飛行員遇難，成為世界上首例飛機(jī)鳥(niǎo)撞事故。鳥(niǎo)撞飛機(jī)，危害不淺，一旦發(fā)生，往往就會(huì)造成災(zāi)難，輕則導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)部件的損傷，重則引發(fā)機(jī)毀人亡的災(zāi)難性事故，直接威脅到空勤人員及旅客的生命安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，僅1960年以來(lái)，世界范圍內(nèi)由于鳥(niǎo)撞事故至少造成78架民用飛機(jī)損失、201人喪生，鳥(niǎo)撞現(xiàn)已被國(guó)際航空聯(lián)合會(huì)定位為A類(lèi)空難。
中國(guó)民用航空規(guī)章第 25 部“運(yùn)輸類(lèi)飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)”（CCAR-25）中，第571E、631和775三個(gè)條款分別對(duì)飛機(jī)上諸如機(jī)翼、尾翼、機(jī)身、發(fā)動(dòng)機(jī)、起落架等飛機(jī)部件的抗鳥(niǎo)撞要求做出明確規(guī)定，如第631條款表明：“尾翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須保證飛機(jī)在與3.6千克（8磅）重的鳥(niǎo)相撞之后，仍能繼續(xù)安全飛行和著陸?！钡?75條款也明確指出：“風(fēng)擋和窗戶必須能經(jīng)受住1.8千克（4磅）的飛鳥(niǎo)撞擊而不被擊穿?！庇纱藖?lái)看，飛機(jī)在空中飛行必須能經(jīng)受住鳥(niǎo)的撞擊，機(jī)體結(jié)構(gòu)必須要進(jìn)行抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)，鳥(niǎo)撞試驗(yàn)是飛機(jī)通過(guò)適航驗(yàn)證的必經(jīng)之路。
中國(guó)商飛員工現(xiàn)場(chǎng)安裝試驗(yàn)件。
何為鳥(niǎo)撞？簡(jiǎn)言之，鳥(niǎo)撞是一種突發(fā)性和多發(fā)性的飛行事故，它是由飛機(jī)等飛行器與天空中飛行的鳥(niǎo)類(lèi)相撞擊造成的。鳥(niǎo)撞體現(xiàn)的是一種“能量”的概念，高速運(yùn)動(dòng)使鳥(niǎo)的破壞力驚人，有資料顯示，一只0.45千克的鳥(niǎo)與時(shí)速800千米的飛機(jī)相撞，會(huì)產(chǎn)生153千克的沖擊力;一只7千克的大鳥(niǎo)裝在時(shí)速960千米的飛機(jī)上，沖擊力將達(dá)到144噸?！斑@就好比一塊質(zhì)量很小的豆腐，當(dāng)它以極高的速度打出去的時(shí)候，它甚至?xí)碛幸活w子彈的穿透力?！彼未浩G告訴記者。
鳥(niǎo)往哪兒撞？理論上，飛機(jī)上所有的“迎風(fēng)面”都有可能被鳥(niǎo)撞擊，因此鳥(niǎo)撞是一個(gè)“全機(jī)性”的概念。但具體到工程設(shè)計(jì)上，由于鳥(niǎo)撞時(shí)飛鳥(niǎo)作用在機(jī)體上的能量與飛鳥(niǎo)運(yùn)動(dòng)軌跡相對(duì)撞擊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的夾角成正比，因此一定角度區(qū)域內(nèi)的飛機(jī)結(jié)構(gòu)均要作為鳥(niǎo)撞的重點(diǎn)考查范圍。根據(jù)近年來(lái)中國(guó)民航鳥(niǎo)擊航空器事件分析報(bào)告顯示，飛機(jī)上最容易受鳥(niǎo)撞擊的地方集中在機(jī)頭、發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)翼/旋翼、雷達(dá)罩、平尾和垂尾等部位，其中，鳥(niǎo)擊發(fā)生比例最高的部位是發(fā)動(dòng)機(jī)（37.21%），受發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)、部件和運(yùn)轉(zhuǎn)特點(diǎn)的影響，一方面飛鳥(niǎo)很容易飛入其中，另一方面，也有可能被動(dòng)吸到里面。概括而言，只要飛機(jī)升空，鳥(niǎo)就有可能撞上飛機(jī)迎風(fēng)面、凸出部位或鼓包的任何一點(diǎn)。
怎么做鳥(niǎo)撞試驗(yàn)？一般而言，鳥(niǎo)撞試驗(yàn)的目的有兩個(gè)：一是檢驗(yàn)飛機(jī)上易受飛鳥(niǎo)撞擊部位的結(jié)構(gòu)抗鳥(niǎo)撞能力;二是測(cè)量撞擊過(guò)程中有關(guān)應(yīng)變、位移、撞擊力等數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)師“抗鳥(niǎo)撞”設(shè)計(jì)分析提供數(shù)據(jù)支持。鳥(niǎo)撞試驗(yàn)的做法，國(guó)內(nèi)外并無(wú)二致。試驗(yàn)前將“鳥(niǎo)彈”預(yù)先放置在炮管里，通過(guò)高壓氣罐對(duì)其施壓，待壓力能夠達(dá)到使“鳥(niǎo)彈”以飛機(jī)巡航速度發(fā)射出去時(shí)，打開(kāi)閥門(mén)，高壓氣體就會(huì)推動(dòng)“鳥(niǎo)彈”在炮管里滑行，直至離開(kāi)炮口，飛向固定在試驗(yàn)臺(tái)上的試驗(yàn)件?！傍B(niǎo)撞試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程快到用毫秒來(lái)計(jì)量，眨眼的功夫就完了，非?？臁！鄙巷w院強(qiáng)度部動(dòng)強(qiáng)度室主任朱曉東說(shuō)。
“鳥(niǎo)撞仿真”
助力C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)
鳥(niǎo)撞試驗(yàn)是一種破壞性的試驗(yàn)，沒(méi)有重復(fù)的可能，一旦試驗(yàn)件受撞擊破壞后，就無(wú)法再次利用，所以，這就要求試驗(yàn)人員必須事先進(jìn)行大量數(shù)據(jù)分析，掌握試驗(yàn)可能出現(xiàn)的結(jié)果，力求試驗(yàn)萬(wàn)無(wú)一失。通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算、分析的方法，來(lái)模擬真實(shí)物理實(shí)驗(yàn)的過(guò)程就是“仿真”， 因此，“鳥(niǎo)撞仿真”也就是采用一定的分析方法來(lái)計(jì)算、模擬真實(shí)鳥(niǎo)撞的試驗(yàn)過(guò)程?！傍B(niǎo)撞仿真”作為C919鳥(niǎo)撞團(tuán)隊(duì)的核心能力之一，體現(xiàn)和代表著C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)的水平，通過(guò)鳥(niǎo)撞仿真，不僅能夠幫助決策物理試驗(yàn)的撞擊點(diǎn)，還能在物理試驗(yàn)前預(yù)估試驗(yàn)可能出現(xiàn)的結(jié)果，從而縮短了試驗(yàn)周期，降低了試驗(yàn)成本，有助于高效確定合適的設(shè)計(jì)。
說(shuō)到鳥(niǎo)撞仿真，必然要提及的還有它所依賴的計(jì)算方法“有限元”，簡(jiǎn)單講，有限元分析就是利用數(shù)學(xué)近似的方法對(duì)真實(shí)的物理系統(tǒng)（幾何和載荷情況）進(jìn)行模擬的過(guò)程。C919鳥(niǎo)撞仿真分析的第一步就是建模，即對(duì)其建立滿足動(dòng)力學(xué)要求的有限元模型。更形象一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，如果把C919機(jī)體看作是一個(gè)“大單元”，對(duì)其建立有限元模型的過(guò)程就是不斷把這個(gè)真實(shí)的“大單元”逐層逐級(jí)細(xì)分成有限個(gè)相互作用的“小單元”的過(guò)程。鳥(niǎo)撞仿真分析的有限元模型包括試驗(yàn)件（機(jī)體的某一部分）有限元模型和鳥(niǎo)體結(jié)構(gòu)有限元模型兩個(gè)部分。有限元模型建好后，就可以進(jìn)行鳥(niǎo)撞仿真的第二步，對(duì)鳥(niǎo)體結(jié)構(gòu)施加速度，使其撞擊已建好的試驗(yàn)件模型，再利用瞬態(tài)沖擊動(dòng)力學(xué)分析方法，計(jì)算出被撞試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)的損傷情況。
c919項(xiàng)目總設(shè)計(jì)師吳光輝仔細(xì)查看烏撞試驗(yàn)后的結(jié)構(gòu)損傷情況。
C919鳥(niǎo)撞仿真的有限元分析包含兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在“細(xì)節(jié)”的模擬上。眾所周知，一架飛機(jī)上鉚釘?shù)臄?shù)量是百萬(wàn)級(jí)的，一般而言，在建立有限元模型的過(guò)程中可以進(jìn)行相應(yīng)的簡(jiǎn)化。但對(duì)于鳥(niǎo)撞這種復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)分析來(lái)說(shuō)，卻并不能滿足模擬真實(shí)撞擊發(fā)生情況的建模要求。換一個(gè)鉚釘或是換一種鉚釘之間的連接方式就可能會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。因此，鳥(niǎo)撞仿真分析的有限元模型中，連接的細(xì)節(jié)模擬至關(guān)重要。然而，“百萬(wàn)級(jí)的鉚釘在有限元模型中建立起來(lái)已是一件工作量極大的事，想要再模擬出釘?shù)倪B接特性則是難上加難了。”朱曉東說(shuō)。為了攻克這一難題，C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)焚膏繼晷，組織人員投入到大量細(xì)致的分析和試驗(yàn)工作中，通過(guò)仿真分析，他們成功獲取了細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的建模方法和分析參數(shù)庫(kù)，并在C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)中加以應(yīng)用，大大提高了鳥(niǎo)撞仿真分析的精度。
較之于ARJ21-700飛機(jī)金屬材料的有限元分析，C919有限元分析的另外一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)體現(xiàn)在復(fù)合材料的有限元分析上。因?yàn)閺?fù)合材料包含多層，各層相異，每層都有自己的特性、厚度和方向，所以對(duì)復(fù)合材料建立有限元模型難度更大。再加上，同ARJ21-700飛機(jī)上金屬材料的26個(gè)參數(shù)值相比，C919飛機(jī)上復(fù)合材料的參數(shù)值增加到136個(gè)，這又是一個(gè)棘手的問(wèn)題?！?36個(gè)參數(shù)”是什么概念？舉個(gè)初中解方程的例子來(lái)說(shuō)，二元一次方程里面有兩個(gè)未知數(shù)，只需要兩個(gè)方程式就可以求出真解，136個(gè)參數(shù)也就相當(dāng)于136個(gè)未知數(shù)，該需要多少個(gè)參數(shù)方程才能求出真解？另外，求出的參數(shù)解之間會(huì)有多少種組合？哪一個(gè)組合是真解？它的難度可想而知。為了能順利通過(guò)C919的首飛評(píng)審，不耽誤首飛進(jìn)程，C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)采用“仿真分析加工程判斷”的技術(shù)手段，即從第一個(gè)參數(shù)值開(kāi)始進(jìn)行敏感度分析，對(duì)于一些敏感度較高的參數(shù)，先將其挑選出來(lái)，放入敏感參數(shù)組，以逐漸縮小真解的范圍，形成中國(guó)商飛的鳥(niǎo)撞參數(shù)組合。
上飛院C919烏撞團(tuán)隊(duì)。前緣烏撞試驗(yàn)后合影.
C919的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)
為了減少鳥(niǎo)撞飛機(jī)事故的發(fā)生，一方面可以采用主動(dòng)驅(qū)鳥(niǎo)的辦法將鳥(niǎo)趕走，例如，國(guó)內(nèi)一些大型機(jī)場(chǎng)都劃定了專(zhuān)門(mén)的機(jī)場(chǎng)鳥(niǎo)防責(zé)任區(qū)，通過(guò)使用獵槍、鳥(niǎo)炮、捕鳥(niǎo)網(wǎng)、激光等措施進(jìn)行人為驅(qū)鳥(niǎo)。另一方面可以通過(guò)對(duì)飛機(jī)的機(jī)體進(jìn)行“抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)”以達(dá)到降低事故發(fā)生概率的目的。飛機(jī)“抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)”的目標(biāo)歸納起來(lái)就是一句話：“飛機(jī)遭鳥(niǎo)撞擊后仍能繼續(xù)飛行并安全著陸?！薄拜^之于主動(dòng)驅(qū)鳥(niǎo)這樣的治標(biāo)之策，‘抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)才是從根本上解決航線鳥(niǎo)撞問(wèn)題的治本之舉?！睆氖铝?年鳥(niǎo)撞工作的宋春艷十分肯定地說(shuō)。“在C919的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)人員已經(jīng)針對(duì)飛機(jī)在航線飛行中可能會(huì)被撞擊的機(jī)體部位分別進(jìn)行了抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)的研究和優(yōu)化，機(jī)頭和尾翼前緣的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)思路是C919抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)的兩大亮點(diǎn)?！鄙巷w院強(qiáng)度部動(dòng)強(qiáng)度室副主任吳志斌告訴記者。
尾冀摸底試驗(yàn)后，團(tuán)隊(duì)合影
在機(jī)頭的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)上，主要采用的是剛度匹配設(shè)計(jì)，即通過(guò)優(yōu)化材料的剛度分布來(lái)改善機(jī)頭抗鳥(niǎo)撞能力的設(shè)計(jì)方法。實(shí)際上，剛度匹配設(shè)計(jì)的工程實(shí)踐得益于西北工業(yè)大學(xué)李玉龍教授團(tuán)隊(duì)提出的“以疏導(dǎo)能量代替對(duì)抗能量”的創(chuàng)新性理念，當(dāng)撞擊角度較大時(shí)雖可采用“加強(qiáng)”的方法，在不允許破壞的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域通過(guò)增強(qiáng)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，選用鈦合金的蒙皮材料使其滿足抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)的要求。但當(dāng)撞擊角度較小時(shí)，則宜采用“分散”的方法，重點(diǎn)考慮剛度匹配，通過(guò)優(yōu)化梁截面、合理布置墊板、增加輔助零件的方式進(jìn)行剛度匹配設(shè)計(jì)，避免撞擊時(shí)結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生突變和應(yīng)力集中，以保證撞擊瞬間的結(jié)構(gòu)完整性，讓鳥(niǎo)體順著與結(jié)構(gòu)接觸表面滑走，在不增加較多重量情況下，改善機(jī)頭抗鳥(niǎo)撞能力。除此之外，C919機(jī)頭還采用了承載式風(fēng)擋，風(fēng)擋玻璃也能參與機(jī)頭的載荷傳遞，大大增加了機(jī)頭的抗鳥(niǎo)撞特性。
在尾翼前緣的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)上，C919鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)采用“蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與輔助梁組合”的結(jié)構(gòu)形式來(lái)提高尾翼前緣的抗鳥(niǎo)撞能力。C919尾翼使用的是碳纖維的復(fù)合材料，這種材料強(qiáng)度雖然很強(qiáng)，但脆性也相對(duì)較大，在減輕飛機(jī)重量的同時(shí)，也降低了尾翼的抗鳥(niǎo)撞能力。然而，適航條款中對(duì)尾翼抗鳥(niǎo)撞能力的要求（承受3.6千克重的鳥(niǎo)）卻比飛機(jī)上其它機(jī)體部位抗鳥(niǎo)撞能力的要求（承受1.8千克重的鳥(niǎo)）高出一倍，這對(duì)尾翼的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)也是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。C919鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)為了完善和優(yōu)化C919尾翼前緣的抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)，循環(huán)反復(fù)地進(jìn)行仿真分析，一輪一輪的進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，最終創(chuàng)新性提出了“蜂窩夾層結(jié)構(gòu)與輔助梁組合”的尾翼結(jié)構(gòu)形式。一方面，通過(guò)蜂窩夾層結(jié)構(gòu)達(dá)到減重的目的，另一方面，通過(guò)輔助梁最大化的吸收鳥(niǎo)的能量，這樣的組合一舉雙得。世界同級(jí)別客機(jī)尾翼一般采用密肋式前梁或蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，而C919尾翼卻另辟蹊徑，可謂是一大技術(shù)突破。
人們常用“臺(tái)上一分鐘，臺(tái)下十年功”來(lái)形容臺(tái)上表演的演員們臺(tái)下所付出的艱辛努力，這一點(diǎn)對(duì)于上飛院從事鳥(niǎo)撞工作的試驗(yàn)人員而言感同身受。
從2009年12月30日，ARJ21-700飛機(jī)打響了鳥(niǎo)撞試驗(yàn)的第一槍?zhuān)?017年3月11日，C919完成了首飛前的最后一項(xiàng)鳥(niǎo)撞試驗(yàn)，C919鳥(niǎo)撞試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)用了整整8年的時(shí)間研究鳥(niǎo)撞，而這辛苦耕耘的8年也只是為了成就每一次鳥(niǎo)彈打出去的25毫秒。常有人問(wèn)，值嗎？“值，很值，非常值?！边@是所有從事鳥(niǎo)撞、研究鳥(niǎo)撞的民機(jī)設(shè)計(jì)師們共同的心聲。我們有理由相信，隨著鳥(niǎo)撞試驗(yàn)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，C919的鳥(niǎo)撞仿真及抗鳥(niǎo)撞設(shè)計(jì)水平也一定會(huì)越來(lái)越高。
責(zé)任編輯：吳佩新
猜你喜歡
環(huán)球時(shí)報(bào)(2022-05-30)2022-05-30
名車(chē)志(2020年10期)2020-10-27
民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究(2020年1期)2020-05-21
當(dāng)代陜西(2019年11期)2019-06-24
產(chǎn)品可靠性報(bào)告(2017年6期)2017-09-05
作文周刊·小學(xué)一年級(jí)版(2017年9期)2017-06-20
小學(xué)生導(dǎo)刊(低年級(jí))(2016年8期)2016-09-24
機(jī)械工程師(2015年10期)2015-02-02
上海金屬(2013年4期)2013-12-20
