民用飛機翼面前緣的抗鳥撞結(jié)構(gòu)設(shè)計思路探討

楊高

摘 要：該文從鳥體撞擊機體結(jié)構(gòu)的原理出發(fā)，研究撞擊時結(jié)構(gòu)的響應(yīng)方式，得到結(jié)構(gòu)防護的重點設(shè)計方向；在鳥撞失效準則的指導(dǎo)下，結(jié)合鳥撞特點，對結(jié)構(gòu)進行選型方向的確定、材料選用以及結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析，并通過實例說明關(guān)于鳥撞擊體的情況。

關(guān)鍵詞：前緣 結(jié)構(gòu)設(shè)計 鳥撞

中圖分類號：V211 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）03（b）-0008-02

鳥撞是一種突發(fā)性和多發(fā)性的飛行事故，輕則導(dǎo)致結(jié)構(gòu)部件的損傷，重則引發(fā)機毀人亡的災(zāi)難[1]，國際航空聯(lián)合會將鳥害定義為“A”類航空災(zāi)難[2]。在已統(tǒng)計的鳥撞事故中，固定類前緣發(fā)生鳥撞行為的概率僅排在發(fā)動機、風(fēng)擋之后[3]。

由于鳥撞引起的巨大損失，各國政府和科研機構(gòu)對鳥撞問題均進行了深入研究，比較著名的有國際鳥撞委員會（IBSC）、歐洲鳥撞委員會（BSCE）和美國鳥撞委員會（BSC-USA）等。就鳥撞的研究分為主動防御與被動防護兩個方面：一方面研究如何避免鳥撞事故的發(fā)生；另一方面?zhèn)戎匮芯刻岣唢w行器結(jié)構(gòu)抗擊鳥撞的能力。

國內(nèi)，李玉龍、宋春燕等從理論原理、結(jié)構(gòu)設(shè)計及行業(yè)要求等不同方面都對前緣鳥撞問題進行了研究，飛機強度所等業(yè)內(nèi)單位完善了相關(guān)試驗標準等[4]，這些工作都對結(jié)構(gòu)設(shè)計專業(yè)有了具體的指導(dǎo)意義。但總的來說，我國對于飛機鳥撞問題研究起步晚，型號支持較弱，目前處于摸索、追趕階段。

對結(jié)構(gòu)設(shè)計而言，翼面前緣需同時滿足結(jié)構(gòu)重量與安全性的要求。因此應(yīng)在對適航條款解讀的基礎(chǔ)上，對鳥撞行為進行詳細分析，確定鳥撞行為對結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響，進行有針對性的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 適航條款分析

鳥撞行為分析中，首先需要確定的決定因素是飛機能接受的鳥撞失效判據(jù)。為確保飛行安全，CCAR-25部適航條款§25.571（結(jié)構(gòu)的損傷容限和疲勞評定）（e）、§25.631（鳥撞損傷）分別規(guī)定了機翼、尾翼結(jié)構(gòu)抗鳥撞的設(shè)計要求，機翼考核用1.8 kg重鳥體，尾翼考核用3.6 kg重鳥體。規(guī)章內(nèi)容包括了結(jié)構(gòu)損傷和系統(tǒng)保護兩種情況：

（1）當(dāng)前緣后方布置有整體油箱時，應(yīng)能承受應(yīng)當(dāng)保證飛機以海平面巡航速度Vc飛行時發(fā)生1.8 kg/3.6 kg的飛鳥撞擊，不允許前梁損傷或變形。

（2）當(dāng)前緣內(nèi)裝有液壓、操縱系統(tǒng)的管路和設(shè)備時，應(yīng)能承受飛機以海平面巡航速度Vc飛行時發(fā)生1.8 kg/3.6 kg的飛鳥撞擊，前緣和前梁不被擊穿（或變形過大）。

（3）當(dāng)前緣內(nèi)不含液壓、操縱系統(tǒng)的管路和設(shè)備時，應(yīng)能承受飛機以海平面巡航速度Vc飛行時發(fā)生1.8 kg/3.6 kg的飛鳥撞擊，允許前緣、前梁腹板出現(xiàn)穿孔損傷，但這些破壞不會導(dǎo)致飛機飛行性能嚴重變壞和結(jié)構(gòu)總體強度降低到不安全水平。

具體的抗鳥撞性能指標應(yīng)在飛機專用技術(shù)條件中明確提出。

2 鳥撞原理

當(dāng)鳥體對結(jié)構(gòu)的撞擊速度小于50 m/s（以下簡稱“Ⅰ類撞擊”）時，結(jié)構(gòu)主要是彈性變形及局部塑性變形；當(dāng)撞擊速度在50～500 m/s（以下簡稱“Ⅱ類撞擊”）時，結(jié)構(gòu)呈塑性變形（撞擊過程中應(yīng)變速率作為撞擊速度函數(shù)的簡單分類，撞擊速度的范圍被當(dāng)作參考點，實際上由于撞擊加載下的變形過程除了取決于撞擊速度外還有其他加載參量的影響，所以區(qū)分界限并不是很明顯。近年來也有將70 m/s作為區(qū)分Ⅰ類撞擊與Ⅱ類撞擊的臨界速度），此時由于鳥體急劇減速而產(chǎn)生的巨大應(yīng)力遠遠超過鳥體材料的屈服強度，使得鳥體產(chǎn)生大變形并呈現(xiàn)高速沖擊下的流體力學(xué)行為特征[5]，結(jié)構(gòu)傳載通路無法及時響應(yīng)導(dǎo)致瞬間破壞。

Ⅰ類撞擊時，由于相對速度較低，鳥體與結(jié)構(gòu)接觸時間長，鳥體攜帶的動能和沖量一般為結(jié)構(gòu)所接受，結(jié)構(gòu)阻尼效果較為顯著。即使蒙皮凹陷或穿透、撕裂，由于結(jié)構(gòu)的傳載通路完整，能夠進行能量的分流。

Ⅱ類撞擊時，鳥撞問題實質(zhì)是流體和結(jié)構(gòu)耦合動力響應(yīng)問題，載荷與變形是相互影響且不斷變化的。鳥撞行為作用時間較短（一般認為在5～8 ms之間），結(jié)構(gòu)處于大變形非線性狀態(tài)，材料處于非線性彈塑性狀態(tài)且處于動平衡狀態(tài)，破壞行為更多認為是瞬間撞擊，表現(xiàn)為高度非線性的沖擊動力學(xué)現(xiàn)象。鳥體攜帶的動能和沖量巨大，結(jié)構(gòu)的傳載性能無法瞬時響應(yīng)，此時更多的依賴于材料的強度響應(yīng)。

因此，鳥撞過程的研究多針對Ⅱ類撞擊進行。

3 結(jié)構(gòu)響應(yīng)

蒙皮作為鳥撞的直接接觸點，吸收鳥撞能量并拋飛鳥體，是結(jié)構(gòu)抗鳥撞的主要構(gòu)件；前緣內(nèi)部弦向結(jié)構(gòu)件主要用于維持前緣剖面形狀及提高結(jié)構(gòu)的抗失穩(wěn)能力，由于弦向剖面積小，對結(jié)構(gòu)抗鳥撞能力的貢獻不大。因此設(shè)計重點應(yīng)為前緣蒙皮的材料選用及厚度選擇。

當(dāng)Ⅱ類撞擊發(fā)生時，沖擊速度快，鳥體攜帶的動能和沖量巨大，結(jié)構(gòu)的傳載性能無法瞬時響應(yīng)，此時更多的依賴于材料的強度響應(yīng)。理論上，材料強度越高，塑性越好，受破壞程度越小，但材料的高強度帶來的材料高比剛度導(dǎo)致了材料的脆性提高，韌性降低，結(jié)果呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)快速撕裂，受沖擊破壞程度反而有所升高；低強度材料鳥撞結(jié)果與高強度材料鳥撞結(jié)果基本相反。當(dāng)前緣結(jié)構(gòu)的材料內(nèi)力無法將能量抵消完，則結(jié)構(gòu)徹底被撕裂，此時鳥體繼續(xù)撞擊盒段前梁，從而影響主結(jié)構(gòu)安全。

Ⅱ類撞擊發(fā)生時，材料在短時間內(nèi)承受高速沖擊產(chǎn)生的動態(tài)載荷，材料性能為動態(tài)性能且呈非線性變化，應(yīng)變水平在102～104/s左右。材料的動態(tài)性能受應(yīng)變率影響很大，高應(yīng)變率會提高材料的屈服應(yīng)力，加載速率越高，材料的屈服應(yīng)力值也越高，材料在高應(yīng)變率下產(chǎn)生的強化效應(yīng)對延長鳥體在結(jié)構(gòu)上的滯留時間、消耗鳥撞能量等有極大改觀，因此，材料選用應(yīng)圍繞具有較好強化效應(yīng)的材料進行。

出于研發(fā)成本考慮，各飛機公司在型號預(yù)研階段多采取能量法進行結(jié)構(gòu)參數(shù)的預(yù)估。能量法是從能量的角度考慮鳥體撞擊時穿透蒙皮或腹板需要多少動能，即鳥體的動能是否大于穿透蒙皮或穿透蒙皮和腹板所需動能。動能不但與鳥體質(zhì)量有關(guān)，同時也與鳥體與機體的相對速度有關(guān)。用不同牌號鋁合金制造的蒙皮，穿透速度相差不大。

有關(guān)資料對各大飛機制造商利用穿透速度在型號設(shè)計初級階段的蒙皮厚度預(yù)估方法做了詳細的論述，分析發(fā)現(xiàn)各大飛機制造商的預(yù)估方法與實際試驗測得數(shù)據(jù)相差7%左右，對于鳥撞穿透速度的工程計算而言，精度滿足要求。但應(yīng)注意的是：各預(yù)估方法僅針對蒙皮不被穿透，具體設(shè)計應(yīng)在計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，對適用的鳥撞失效判據(jù)進行分析，避免不必要的重量損失。

4 結(jié)語

高速飛行的鳥體對飛機翼面前緣結(jié)構(gòu)的撞擊過程極為復(fù)雜，尚沒有能夠完整描述該過程的分析/計算方法出現(xiàn)。但以適航規(guī)章為出發(fā)點進行鳥撞過程的分析，得到翼面前緣內(nèi)部結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)抗鳥撞貢獻不大、重點防護應(yīng)放在蒙皮類結(jié)構(gòu)的設(shè)計上的思路，應(yīng)在此基礎(chǔ)上進行不斷的細化，最終得到滿足要求的翼面前緣抗鳥撞結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

參考文獻

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[2] 魏岳江.不可思議的航空災(zāi)難[J].國防科技，2003（12）： 87-88.

[3] 龔倫.飛機結(jié)構(gòu)的抗鳥撞設(shè)計與分析[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2011.

[4] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.HB 7084-2014，民用飛機結(jié)構(gòu)抗鳥撞設(shè)計與試驗通用要求[S].北京：中國航空綜合技術(shù)研究所，2014.

[5] D.Bonamy， F.Daviaud， L.Laurent. Experimental study of granular floes via a fast camera： A continuous description[J].Physics of Fluids， 2002（14）：1666-1673.