飞机设计：降低鸟击的影响

1903 年，Orville Wright 在北卡罗莱州的Kitty Hawk 实现了他的首次飞行。不到两年，他就记录到了飞机与一只飞鸟的第一次碰撞。在之后的一百多年，随着飞机和航空旅行的增加，鸟类和飞机在空中相遇的几率也在增加。鸟类和飞机共享天空，这样的事故便不可避免。

近几年，机鸟互撞——现在人们这么称呼，已经成为一种越来越频繁且代价很大的事故。85% 的情况下飞机都能安然逃过，然而鸟类通常都很难幸免。但也有一些情况下，飞机会遭到破坏，有时是大面积的，甚至会造成人员的伤亡。每年单单美国记录的民航班机的机鸟互撞事故就大约有10,000 次，商业和军事飞机的损失超过了六亿五千万美元。自1988 年以来，全世界报道了超过220 起这样的灾难。

为了解决这个日益严重的问题，美国联邦航空管理局（简称FAA）和国家国际机鸟互撞委员会归档时间的影响，与机场、航空公司和飞行员密切合作预防撞击的发生。航空工程师也在密切关注这个问题，专注于如何加强飞机的结构设计， 即使不可避免地发生撞击了，也要将伤害降低到最小，保障飞行的安全。

防鸟击设计

机鸟互撞最常发生在飞机的前方结构，如头锥、驾驶舱挡风玻璃、发动机罩和叶片，或者机翼和尾翼的前沿。冲击的力量取决于鸟的重量加上冲击的速度和方向，能量随着两者速度之差的平方的加大而加大。假设当一只12 磅的加拿大雁撞击上一架时速150 英里（通常大部分飞机起飞和降落时的速度）的飞机，由此产生的动能相当于一个1000 磅的物体从10 英尺的空中落下，这个力量足以造成一个很大甚至灾难性的破坏。

位于印度班加罗尔的项目工程服务公司HCL 科技公司最近的一个项目涉及到商务客机尾翼组的垂直尾翼设计和开发。在这个项目中，面对燃油效率措施和减小结构重量的压力，工厂团队的任务是设计一个轻量级的替代物来替代传统的金属设计。然而，能够取代铝，有效抵抗冲击的复合材料却也带来了挑战， 因为新的材料比金属更脆弱，更易受撞击的影响。

“我们看了各种各样可以用来做垂直尾翼的材料，包括全复合材料和复合材料/ 金属混合材料，” HCL 工程和研发部门的高级项目经理Ganthimathinathan 说，“每个设计迭代都要求有鸟撞分析来确定是否满足相应的安全法规。”

为了获得飞行认证，美国联邦航空局（FAA）和欧洲航空安全局（EASA）颁发规定所有商用飞机必须设计得能承受住在巡航速度飞行时4 磅的鸟撞击其任何结构，并且还能够继续飞行并安全降落。在美国，FAA 明确规定尾部结构（尾翼组）要能够承受在巡航速度飞行时8 磅的鸟的撞击。

模拟机鸟相撞

为遵守防鸟撞的要求，传统上来说，飞机工程师要对所有的结构进行实质性测试——这是一个昂贵又费时的过程，涉及到在一个装有压缩空气的自动机关炮中点燃结构中一个已知质量和密度的物体。有时候，他们也在开发过程中使用计算机模拟来进行补充测试。随着模拟已经从一个简单的刚性表面的压力脉冲进化成今天高度逼真的分析，这种做法已经被认为是一个用于预测碰撞中所发生的情况的越来越可靠，并且具有成本效益的工具。

为了满足模拟的需求，HCL 的研发团队需要依靠SIMULIA, Dassault Systèmes 公司的Abaqus 有限元分析软件。

“机鸟互撞是一种高度动态的、非线性的事件,”HCL 的项目经理Anwar Ibrahim 说，“这涉及到复杂的接触行为，特别是撞击后，受损结构的碎片和鸟再撞击飞机的其他部位时， Abaqus 软件可以很好地处理这种多重物理量的问题。”

这个工具同时拥有大量的材料模型库，这在设计探索新材料上也非常有用。

“对于复合材料，我们使用内置的渐进损伤和失效模式，”Ibrahim 说。“这包括纤维的断裂张力和纤维屈曲，以及基体的开裂、剪切和破碎。”

对于在遍布印度的研发地点使用FEA 的HCL 工程师而言， Ganthimathinathan 指出了额外的好处。“我们的客户在设计开发过程中广泛使用软件，我们必须能够与他们一起工作。Abaqus 是独立于供应商，并与其他各种各样的工具兼容的。我们已经成功使用该软件超过10 年了。”

评估模型、方法、材料

当稳定分析的目的是探索轻型设计时，这项研究通过验证一个金属稳定装置模型来建立基准。“早期阶段的分析主要集中在金属的飞机结构件， 所以我们用铝来找出解决这个问题的最好方法，”Ganthimathinathan 说。

由于机鸟相撞造成材料的严重变形， 模拟“软性体”冲击的方法也需要进行测试，Ibrahim 指出。“我们想要验证拉格朗日算法和Coupled Eulerian-Lagrangian (CEL) 方法哪个能提供最准确的结果。Abaqus 拥有这两方面的能力。”

作为参照，研发团队模拟了一只4 磅重的鸟以每秒150 米的速度飞行，撞击一个表面厚度为1.5 毫米的金属平衡器。他们认为CEL 简化了的网格划分方法提供了更接近于现实的结果，同时所用的时间也更少（见图1）。

根据模型和方法的验证，然后该工程团队分析了一系列复合材料和混合材料平衡器的设计。在每次迭代中，层数和接头处的材料成分一再改变，从而进行机鸟相撞的分析。为了结构的传递，平衡器的前沿需要承受“虚拟的撞击”。

一个30 层的全复合材料设计（由玻璃和芳纶纤维组成）经受住了4 磅重的飞鸟模型的撞击，一个类似的20 层的没有承受住。为了增加较轻的20 层的强度， 设计师把最外层的复合材料层换成了一个单层的铝层（0.9 毫米厚）。这种混合的设计，在受到飞鸟模型撞击的时候，最外层金属遭受了损坏，但却防止了里层复合材料遭受严重的甚至是灾难性的破坏（见图2）。用于飞行认证的成功的混合式设计的物理试验也即将进行。

角色互换

越来越多的航空工程师为了设计轻型飞机结构件转向了复合材料和混合材料。无论做什么，他们都要保证他们的设计符合该行业的安全要求，如防鸟类撞击。模拟和物理试验都将继续在验证和认证过程中扮演角色，然而两者之间的平衡正在发生转变。

FEA 一直受到工程师们的欢迎。“通过使用模拟，我们可以扩大设计选择，并更容易进行更改，直到我们找到一个符合规范版本，”Ibrahim 说，“分析处理的范围使我们可以把物理试验减到最少， 同时也减少开发成本和时间。”

同时，监管机构也认可这项技术。根据欧洲联合航空要求(JAR)，遵守鸟撞的要求可以通过分析证明，这是建立在一个类似设计的代表性结构测试基础之上的。这一监管路径将进一步简化开发过程并加大生产商的节约程度。

鸟瞰视角的鸟击

鸟类有各种形状和大小，从轻小的蜂鸟，到12 英尺的翼展信天翁。然而， 一些固定的种类比其他种类更容易卷入机鸟相撞事件。根据FAA 资料，水鸟、海鸥、猛禽类，加上鸽子和斑鸠( 按频率) 占了以上报道事件的80%。最常见的受害者是聚集在庞大队伍里的大型鸟，如天鹅和海鸥。据报道，在过去的二十年， 多达460 种不同的物种，包括小麻雀、燕雀和小水鸟——被卷入了与飞机撞击的事件中。

对于许多鸟类来说，机场附近的大量未开发的土地是其主要的栖息地。此外， 它们飞行时相对接近地面，而且主要在白天活动。这些鸟的行为有助于解释为什么90% 的机鸟相撞会发生在机场附近。当飞机在起飞和降落的时候, 其中约60% 发生在低于100 英尺的空中，发生在3000 英尺以上的空中的不到6%（尽管也有发生在海拔高达20,000 英尺到30,000 英尺的例子）。春天和秋天鸟类的迁徙也是其中的一个原因，大量的事故发生在鸟类忙于迁徙的季节。

根据FAA 最近的报道，机鸟相撞事件在过去的二十年里增加了5 倍。某些鸟类越来越多的现象有助于解释这一趋势。海鸥在适应了城市环境后继续繁殖。鹈鹕的数量自20 世纪60 年代末以来暴增了6 倍。雪雁的数量已经达到100 万只，是40 年前的10 倍。此外，加拿大鹅在过去20 年里已经翻了四倍，共计350 万只。更复杂的是，美国记录中大约90% 的事故涉及到的鸟类都是联邦候鸟条约法里的保护种类。

那么答案是什么呢？机鸟撞击预防项目通常涉及鸟类管理和相对较低的科技，如机场周边的稻草人。通常也使用像枪声之类的响亮的声音，或者是烟火如闪光灯。边境牧羊犬已经用于驱逐某些地区的入侵鸟类。此外，训练有素的猎鹰，这些问题鸟类的天敌也被雇佣。有时甚至用一些不同寻常的办法。在新西兰的一个机场，他们通过在地上放置电动垫杀死蚯蚓来吸引大量的海鸥。各种技术的结果喜忧参半。

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