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飞机满载燃油空中撞鸟起火,为什么总是发动机最受伤
2018-09-10 12:05:26 作者:本网整理 来源:航空制造网

    如何理解鸟击

 

    鸟击是指飞行器在起飞、爬升、巡航或降落过程中被鸟类撞击而发生的影响飞行安全的事件、事故或事故征候。航空器发动机的鸟击事件又称为吸鸟。随着航空器数量的不断增加、体积越来越大、飞行速度越飞越快,同时也增加了鸟击的可能性。


    说到鸟击,最典型的的民航事故案例就是,2009年1月15日,合众国航空公司(US Airways)一架编号1549的A320客机,在纽约一机场起飞后不到一分钟内遭到“双鸟击”,被迫紧急迫降在哈德逊河上。在机长精湛技术和沉着处置下,事情的结果是令人欣慰和满意的。


    鸟撞飞机的防治被列为世界级难题,这是因为全世界每年大约发生一万多起鸟撞飞机事件,导致空中险情和空难。所以国际航空联合会把鸟害升级为A类航空灾难。


    下面有组数据,让大家对鸟击事件有个具体的理解:


    鸟撞击飞机位置概率:45%的鸟击发生在发动机上,42%的鸟击发生在机头风挡上,其余是机身尾翼机翼和起落架(起飞和降落阶段起落架尚未收起或放开)。


    鸟击发生时飞机高度:60%以上的鸟击发生在飞机爬升或者降落近进时即飞机高度在50英尺及以内。


    如何理解鸟击对飞机的危害程度

 

    虽然绝大多数鸟类都有体形小、质量轻和飞行速度小的特征,但鸟击破坏的危害主要来自飞行器和鸟的相对速度,而并非鸟类本身的速度。


    根据动能定理,E=1/2 M∧2

 

    其中M是鸟的质量,单位是公斤;V是鸟和飞机的速度矢量和,单位是米/秒,由于鸟的飞行速度相对飞机较低,可以忽略不计,因此可以认为鸟相对于飞机的速度就是飞机的速度,比较典型的飞机中低空爬升速度是150节到250节,也就是77米/秒到128米/秒。此时的飞机若和一只0.5公斤的鸟相撞,就会产生约1500-4000焦耳的能量(你把一个重1公斤的石头块拿起来放到高1米的桌子上,你的身体要消耗大概10焦耳的能量),这些能量在瞬间被飞机吸收,接触部位就会产生不同程度的破坏。


    这种破坏力可能达到惊人的程度,15%-20%的鸟击会造成飞行器损伤。同时,鸟击对飞行器的破坏程度与撞击的位置和鸟的种类(重量)有着密切的关系,导致严重破坏的撞击多集中在非动力系统(包括导航系统和翼面)和动力系统两方面。


    引擎是实际受损比例最高的部件

 

    鸟撞飞机主要在飞机起降时,发动机、挡风玻璃、机鼻、机翼/螺旋桨和整流罩遭受鸟类撞击的风险最大,而这些部位又是飞机比较薄弱和要害之处,因而被鸟撞后造成的后果十分严重。而这当中,发动机是受到实际损害比例最大的组件。联邦航空局的统计显示,在1990年2015年之间,共有16636起鸟类撞击飞机引擎的报告,其中,4417起或者说27%的事件中引擎遭受了实际损伤。

 

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    图:美国飞机遭遇鸟击报告(1990-2014)

 

    普惠公司设计和组件集成部门首席工程师克里斯·克梅兹指出,大多数的鸟类撞击引擎事件不会造成实际损害,发生损害的情况往往是,塑性气体流道面板和金属丝网声学面板引发的发动机凹损或撕裂。更大力度的撞击——比如高速飞行的大型鸟类——会导致风机叶片前缘(这是鸟类被吸进引擎经过的第一个部位)的弯曲。他指出,在遭受此类损害之后,发动机仍可以继续运行。飞机着陆后,无需更换整台发动机,只要修复或更换受损硬件就可以。

 

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    发动机如何防止鸟击

 

    对于发动机来说,防止鸟击,最关键的问题不是防止将小鸟吸入发动机,而是一方面要防止发动机在吸入小鸟后停止工作,更要防止鸟击导致高速旋转的发动机叶片断裂,并进一步破坏飞机机身和机翼。


    根据目前的航空器设计标准,任何一架双发飞机,都应具备在单发失效的情况下,使用一台发动机安全着陆的能力,也就是说即便单台发动机被小鸟搞停机,对飞行员来说“那都不是事儿”。如果两台发动机同时“中奖”,飞行员只能指望‘萨伦伯格’附体了。

 

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    怎么保护飞机的主体结构不被发动机破坏呢,首先要知道发动机的大杀器是什么?它就是发动机内部高速旋转的风扇叶片,它们就像一把把锋利的尖刀,在飞行过程中,如果风扇叶片在外力冲击下由根部断裂,断片就会在巨大离心力的作用下甩出,一旦飞出发动机,飞机和里面乘客都是“肉”啊!

 

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    为了抵御“尖刀”,发动机设计师得造出“铁布衫”才行,这个铁布衫的学名是风扇包容环,见上图绿色部分。


    早期发动机的包容环均采用不锈钢做成带有多条加强肋条的机匣,不仅质量大而且包容能力有限,1980年代后期发展出了铝制薄壳缠绕几十层Kevlar布,再加上环氧树脂组成的包容环,这种包容环韧性极强,而且质量轻。


    在这个铁布衫的保护下,飞机上的乘客们再也不用担心飞出的叶片啦。


    说了那么多原理,落实到工程上,还得靠工程师们的试验才行。


    1.吸鸟试验

 

    发动机工程师需要模拟各种情况下,鸟被吸入发动机后的状态,包括用不同重量的鸟冲击发动机叶片的不同位置,来确保小鸟不会对发动机造成损坏。简单来说,就是用高压气体把小鸟当成炮弹一样,射向发动机叶片。

 

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    在吞鸟试验中,被发动机吸入的鸟必须是真实的禽类。试验的鸟由压缩空气炮按一定速度、一定的位置射向工作中的发动机。由于现代喷气客机的巡航高度一般在8000米以上,很少有鸟类能飞到如此高的空中,因此发动机吞鸟事故一般发生在中低空,尤其在机场附近,即飞机的起飞和降落过程中。由于在起飞过程中飞机的迎角很大,速度不快,高度不高,需要发动机处于最大推力状态才能保持稳定飞行姿态,此时一旦因为鸟撞造成发动机的推力下降,哪怕只有十几秒,都会造成严重的后果。

 

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    因此,鸟撞试验时发动机一般应处于最大推力状态,以模拟起飞的情况,并需要用不同大小的鸟类,在不同的径向位置射入,从接近发动机轴线的中心位置一直到接近发动机机匣的外部位置,以模拟实际鸟撞情况。试验时,除用高速摄影机记录下撞击过程外,还需记录整个试验过程中的发动机参数变化情况,并在试验后分解发动机,分析鸟撞的后果和各部件(尤其是风扇叶片)的结构变形情况,为评估发动机的结构完整性和改进设计提供依据。


    2.叶片爆破

 

    一般来说,一只小鸟不会将发动机风扇叶片打断,但是对于航空工程师来说,安全就是跟那最不可能的“万一”较真,他们要保证在极端情况下,飞机仍能安全返航,这就有了发动机中最烧钱的试验——叶片爆破(一台价值数千万的发动机瞬间灰飞烟灭)。


    这个试验是将炸药装在风扇叶片上,在发动机正常工作时引爆,在这种情况下,保证发动机内部零件不会损伤外部的飞机结构。

 

 

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