飞机与鸟的百年纠葛

◉邢 强   2018-07-24 10:02:57

人类与鸟类恩怨的起源

雄鹰翱翔于天际,野鸭展翅于湖边。人类从仰望天空的那一刻开始,目光就始终没有从鸟类身上移开过,而心中那种想要飞翔的梦想,更是伴随着鸟儿的每一次振翅高飞而蠢蠢欲动。

1903年12月17日,莱特兄弟驾驶自行研制的固定翼飞机“飞行者1号”,实现了人类史上首次重于空气的航空器持续而且受控的动力飞行。莱特兄弟对飞机的设计也得益于他们对鸟类飞行运动的观察。

然而,飞机与鸟类的第一场交锋,就发生在莱特兄弟的飞行中。莱特兄弟当中的弟弟——奥维尔·莱特,在1905年的飞行中与一群鸟相遇了。从奥维尔·莱特后来的日记中,我们可以发现,这应该是人类首次用一架重于空气的飞行器杀死了一只鸟:

“这一天,我驾驶飞机在4分45秒的时间内飞了4751米。飞机在一块玉米地上空飞了4圈。我遇到一群鸟。其中有一只撞在了飞机的上层机翼上。那只鸟被杀死了,在空中画出一道形状尖锐的折线。”

梁子就此结下了。从此,人类与鸟类在空中的百年恩怨开始了。

加布雷恩·罗杰斯是美国航空业的先驱。他师从莱特兄弟,并购买了莱特兄弟设计的飞机。在创造了多项飞行纪录后,1911年9月17日,他驾驶飞机进行了漫长的飞行,经多次起降后,于当年11月5日,完成了飞越北美洲的壮举,这使他名声大振。

1912年4月3日,一只海鸥代表全体鸟类向当时被誉为最优秀的飞行家的罗杰斯下手了。当罗杰斯在这一天驾驶飞机飞行在加利福尼亚上空时,一只海鸥猛然撞向飞机。罗杰斯躲闪不及,海鸥直接冲破了机翼,并卡在飞机的操纵线缆上。罗杰斯瞬间就失去了对飞机的控制。飞机坠入加州长滩的一片浅水中。脖子摔断的罗杰斯没能从飞机残骸中逃脱出来,被淹死了。就这样,罗杰斯成了第一位死于空中鸟撞飞机事故的飞行员。

鸟类撞击对飞机影响有多大

迄今为止,最惨烈的一次与鸟类直接相关的飞机坠毁事故,发生在1960年。当时,一架美国东方航空公司的洛克希德L- 188客机从波士顿起飞。然而,刚好在机场跑道上空,有一群紫翅椋鸟也在成群起飞。这些体长20厘米、体重不到100克的小鸟,让客机迫降在波士顿港湾。机上有5名机组人员和67名乘客,仅有10人幸存。

这场空难,让工程师们开始非常认真严肃地看待鸟类与人类飞行器之间的关系。大部分鸟类的特征是体型小、重量轻,因此,鸟撞击所造成的破坏主要来自飞机的速度而非鸟类的重量。随着航空技术的发展,飞机的速度不断提高,一些战斗机的速度可以达到数倍声速。

根据动量定理,一只0.45千克重的鸟与时速80千米的飞机相撞,会产生1500牛顿的力;与时速960千米的飞机相撞,则会产生21.6万牛顿的力——飞机的高速使鸟撞击的破坏力达到惊人的程度。鸟撞击对飞机的破坏与撞击的位置有密切的关系,导致严重破坏的撞击主要集中在导航系统和动力系统。

从1960年到2011年,在全世界范围内,由于鸟撞击事故,至少造成了78架民航客机坠毁或迫降,有201名乘客及机组人员因此丧生。另有250架军用飞机因鸟类撞击而坠毁,其中有120名飞行员因未能及时跳伞而丧生。

而自2011年以来,已经有超过65139次登记在案的鸟类撞击飞行器的事件。统计数据显示,与飞行器在空中相撞的鸟类中,有44.1%撞到(或被吸入)发动机中,有30.9%撞到了机翼上。

飞行器如何应对鸟类撞击

既然鸟类撞击对飞行器有如此大的影响,那么,现代飞行器采取了哪些措施来应对呢?

首先,提高飞行器本身的强度,以便能够应对鸟类撞击的冲击力。在现代民航客机的适航标准中,有这么两项:飞机的机身在受到1.8千克重的鸟类撞击后,应仍然具备能够完成本次飞行任务的能力;飞机的尾翼在受到3.6千克重的鸟类撞击后,仍能稳定飞机,让飞机安全着陆。

为什么对尾翼的要求格外高呢?因为出过这样一起事故。1962年,一架美联航的“子爵”号客机在1828.7米的高度飞行时,撞上了一群天鹅。飞机的左侧尾翼损坏,升降舵失效,导致飞机失控坠毁,机上乘员全部遇难。这场事故使得工程师对飞机尾翼的结构强度变得尤为重视。

其次,一些关键的传感器要做好备份,并相隔一定的距离,以免被一只鸟一下子全部撞坏。

最后,现代航空发动机采用了一系列防鸟撞技术。不过,在说到这些技术之前,最好先看一下飞鸟、硬币、螺丝钉或者小石子能够对现代喷气式航空发动机带来怎样的伤害吧!

当异物撞击到高速转动的叶片时,会使叶片发生部分弯曲、折断、穿孔等伤害,尤其是像硬币、螺丝钉这样的坚硬物品,在吸入发动机后,这些硬物会与压气机叶片发生碰撞。而在大多数情况下,硬物会立刻反弹出来。

反弹出来的硬物,会被再次吸入发动机压气机,与叶片发生二次碰撞。随着叶片的转动,硬物会继续加速。被甩出或弹出后,硬物会再次被吸入……如此周而复始,直到硬物碎裂成小块,吸入发动机燃烧室或者随断裂的叶片穿透发动机的壳体飞出。即使少量异物进入发动机,如果其足够坚硬,毁伤效果也会类似于用一把自动步枪对着发动机扫射。

另外,如果鸟类被吸入发动机,还会造成发动机喘振甚至是停车。2006年11月,一架歼-7战斗机在返航过程中遭遇鸽群。发动机在194米的高空吸入了鸽子,状态突变。在127米的高空,发动机停车。飞行员为了避免战斗机坠向村庄和化工厂,放弃了宝贵的跳伞机会,将战斗机迫降在无人区域,但自己因战斗机下坠速度过快而牺牲。

按目前的统计数据,在所有的鸟类撞击事件中,有44.1%是飞鸟撞入或者被吸入发动机。为了解决这个问题,工程师首先想到的是让飞鸟远离喷气式发动机的进气口。

工程师在发动机进气口的中间部分画上了条纹:这样的话,机务人员就能够在噪声环境中分辨哪台发动机正在转动,而飞鸟也或许能够远远地看到发动机忽闪忽闪的样子而提前躲避。并且,在应对硬币、鸟类、小石子等异物的第一道防线,低压压气机的叶片形状得到进一步优化。最新研发的无凸台宽弦空心叶片,能尽量把较小较硬的异物甩到进气口外周,努力减少异物在“反弹—吸入—再次反弹出来—再次吸入”的过程中造成的多次伤害。目前,麦道90、空客A320的部分型号使用的发动机就采用了这样的叶片。

(永 康摘自微信公众号“小火箭”,小黑孩图)

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