螺旋槳飛機前緣抗鳥撞分析

鄭月明 陳艷曉 鄭戰(zhàn)星

（中航工業(yè)陜西飛機工業(yè)〈集團〉有限公司 飛機設(shè)計研究院，陜西 漢中 723000）

飛機等飛行器在天空中與飛行的鳥或鳥群之間因物理相撞所造成的事故，稱之為“鳥撞”。鳥撞是一種突發(fā)性和多發(fā)性的飛行事故，一旦發(fā)生往往會造成災(zāi)難，直接威脅到空勤人員及旅客的生命安全，造成意想不到的損失。輕則在飛機表面留下撞擊坑，重則機毀人亡。自從人類在1903年發(fā)明了飛機以后，飛機與鳥類的沖突一直不斷。國際航空聯(lián)合會已把鳥害升級為“A”類航空災(zāi)難。為了避免鳥撞事故，人們采用了很多方法來驅(qū)逐飛鳥，尤其是驅(qū)逐機場附近鳥類聚集地方的飛鳥，這些方法包括“煤氣壓縮泡”驅(qū)鳥、網(wǎng)捕及槍殺方法、飛機上畫圖案、激光驅(qū)鳥、播放鳥類天敵的鳴叫聲以及鳥類遇到傷害后的悲鳴聲的錄音、遙控航模驅(qū)趕、使用無公害的化學(xué)趨避劑、利用天敵驅(qū)鳥等等。這些方法的采用大大減少了機場附近飛鳥的數(shù)量，但是飛鳥不僅僅是聚集在機場附近，由于鳥類每年都有季節(jié)性的遷徙，再加上飛機在中低空的使用，鳥撞事故仍然在不斷發(fā)生。我國在CCAR27部和CCAR29部（CCAR－29－R1）中規(guī)定旋翼航空器必須滿足在高空2440米（8000英尺）以下，速度等于Vm或 Vx（取小者）時，受到1.0公斤（2.2磅）的鳥擊后能繼續(xù)安全飛行和著陸（對A類）或安全著陸（對B類）。同時必須用試驗或在對有充分代表性的相似設(shè)計結(jié)構(gòu)上進行的試驗的基礎(chǔ)上分析表明其是否滿足要求。

1 前緣抗鳥撞分析

1.1 前緣抗鳥撞能力分析

1.1.1 抗鳥撞能力分析

抗鳥撞能力分析一般有以下兩種方法:

a)能量比較法，即從能量觀點研究飛鳥的能量，如果全部被飛機結(jié)構(gòu)吸收，則滿足鳥撞要求的結(jié)構(gòu)應(yīng)有:

式中:V——飛機速度，m/s；

Vp——穿透速度，m/s，估算方法見1.1.2；

M——鳥質(zhì)量kg

b）其他方法，如考慮幾何和材料的非線性的有限元素法分析機翼前緣的鳥撞問題，但分析方法應(yīng)有充分的試驗做支持，采用的程序必須是經(jīng)過鑒定的。

1.1.2 結(jié)構(gòu)穿透速度的工程估算

a）鋁合金前緣，對于普通鋁合金前緣，前緣半徑20～200mm,蒙皮厚度 0.9～3.2mm，前緣后掠角 0～55°，其穿透速度按公式（2）計算；

b）復(fù)合材料和其他材料前緣穿透速度按公式（2）計算，只需把蒙皮厚度折算成當量厚度即可。

1.2 前緣抗鳥撞試驗的必要性

前緣結(jié)構(gòu)形式為:前端肋到內(nèi)側(cè)螺旋槳槳尖之間有364mm,兩螺旋槳槳尖之間有721mm間隙，外側(cè)螺旋槳槳尖到后端肋之間有1430mm，螺旋槳葉直徑為4.1米（6葉槳）。在螺旋槳葉區(qū)域外前緣抗鳥撞試驗是必要的，螺旋槳葉區(qū)域內(nèi)前緣抗鳥撞試驗通過下面的計算也是必要的。

表1 飛行2種姿態(tài)下鳥穿過螺旋槳的最小速度

●鳥長按300mm；

●本計算未考慮螺旋槳轉(zhuǎn)動引起的氣流方向?qū)B飛行方向的影響

由上表可以看出鳥很有可能穿過螺旋槳打到機翼前緣，所以同時需要考慮螺旋槳覆蓋區(qū)的前緣的抗鳥撞能力。

2 前緣的抗鳥撞能力分析

采用鋁合金前緣結(jié)構(gòu)穿透速度的工程估算方法，分析前緣的抗鳥撞能力，具體如下:

穿透速度計算公式:

Vp——穿透速度，m/s；

Ψ——前緣后掠角，（。）；

r——前緣半徑，mm；

δ——前緣蒙皮與波紋板厚度，mm；

δ=1.50mm,r=60.6mm,Ψ=9.09°,M=1.8kg；Vp=80.325m/s=288km/h

前緣小梁穿透速度計算公式:Vp1＝70.28 twm－1/3COSαw

tw=1.0mm，m=1.8kg，

αw=9.09°，Vp1=57m/s=205km/h

（80.32+572）1/2=98.473m/s=354.6km/h＜550km/h

所以必須對前緣進行改進設(shè)計。

3 前緣改進方案

改進方案:對前緣進行加強，前緣蒙皮厚度不變（面積太大），前緣小梁加厚到2.5mm，在前緣小梁上連幾層芳綸纖維布（Kevlar）用以吸收撞過前緣蒙皮撞擊小梁后的能量，避免（減少）對翼盒前梁的撞擊力。

前緣加強后:

前緣穿透速度計算:

Vp——穿透速度，m/s；

Ψ——前緣后掠角，（。）；

r——前緣半徑，mm；

δ——前緣蒙皮與波紋板厚度，mm；

δ=1.50mm，r=60.6mm，Ψ=9.09°,M=1.8Kg；Vp=80.325m/s=288km/h

前緣小梁穿透速度計算:

梁腹板厚 2.5mm,公式 Vw=70.28 twm－1/3COSαw

tw=2.5mm，m=1.8Kg，αw=9.09°

Vp1=142.36m/s=512.5km/h

（80.32+142.362）1/2=163.45m/s=588km/h＞550km/h

能滿足抗鳥撞能力，滿足適航要求。

改進后，重量增加10.98%。

4 鳥撞試驗初步方案

根據(jù)CCAR－25結(jié)構(gòu)損傷容限和疲勞評定中:抗鳥撞試驗用1.8Kg（4磅）鳥彈打前緣，此時飛機的速度為巡航速度Vc（飛機的巡航速度 Vc＝550km/h）。

用1.8kg（4磅）鳥彈打前緣14次，速度由小到大（最小327km/h,最大550km/h），第一段前緣打1個點，第二段前緣打3個點，第三段前緣打3個點，共打14次；一輪打完，根據(jù)情況修裝另一段前緣，根據(jù)翼盒壞損的情況進行修補。

試驗件:

●1件翼盒；

●改進后的第一段前緣、第二段前緣、第三段前緣各2套（1套與翼盒安裝上，另一套現(xiàn)場裝配）。

根據(jù)試驗情況對結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的改進。

圖1 前緣示意圖

5 抗鳥撞試驗方法

試驗方法:抗鳥撞試驗采用空氣炮按預(yù)訂速度和方向發(fā)射鳥彈，撞擊安裝于夾具上的試驗件。

試驗程序:

a）校準空氣炮。正式撞擊試驗之前，必須采用標準質(zhì)量的鳥彈撞擊模擬靶校準空氣炮。在要求速度范圍內(nèi)測定空氣炮性能，給出鳥彈發(fā)射速度和所需壓力之間的關(guān)系曲線；

b）安裝并檢查試驗件，校準預(yù)訂彈著點的位置。如果需要模擬平視顯示器、飛行員/空勤組，則按其在飛機上的相應(yīng)位置裝好模擬件；

c）安裝并檢查所有測試設(shè)備；

d）調(diào)節(jié)試驗件的溫度，達到試驗要求值；

e）制作鳥彈，記錄質(zhì)量；

f）檢查發(fā)射機構(gòu)，進入發(fā)射程序；

g）試驗后，檢查所有測試設(shè)備，儀器狀態(tài)及記錄試驗件、模擬件損傷程度。

鳥彈實驗技術(shù)一般要求:在鳥彈發(fā)射過程中，鳥體應(yīng)有良好包裝，并應(yīng)配套用以保護和支持鳥彈的保護套，以防止鳥體破裂；加速度要適當，以防止加速過程中鳥彈解體；在炮管末端，應(yīng)有防止保護套前進的分離裝置，僅讓鳥彈撞擊試驗件；鳥彈離開炮口后，應(yīng)保持自由飛行。

6 結(jié)論

在飛機上易受撞擊的部位（如前緣）要采用抗鳥撞設(shè)計，使其結(jié)構(gòu)具有較強的抗沖擊性能和能量吸收特性。這就要求結(jié)構(gòu)在綜合性能方面具有足夠的強度和良好的塑性變形能力，以便最大程度地吸收動能和減緩沖擊力的影響，最大限度的降低“鳥撞”對飛機結(jié)構(gòu)造成的損失。

［1］中國民用航空規(guī)章 第25部 運輸類飛機適航標準CCAR-25[S].中國民用航空總局.

［2］周加良.飛機鳥撞事故及預(yù)防[J].洪都科技.

［3］飛機設(shè)計手冊總編委會.飛機設(shè)計手冊[S].航空工業(yè)出版社.