人類飛行器與鳥類和異物的百年恩怨史

鹿鳴

現(xiàn)代航空噴氣式發(fā)動機(jī)吸入異物會怎樣？發(fā)動機(jī)乃至整架飛行器有沒有專門針對異物撞擊或異物侵入的設(shè)計(jì)？圍繞著撞擊與防撞，人類飛行器與鳥類之間又經(jīng)歷了怎樣的百年恩怨呢？

恩怨，起自百年前

雄鷹翱翔于天際，野鴨展翅于湖邊。人類從仰望天空的那一刻開始，目光就始終沒有從鳥類身上移開過，而心中那種想要飛翔的夢想更是伴隨著鳥兒的每一次振翅而蠢蠢欲動，按捺不住。

于是，人類開始效仿鳥類，開始構(gòu)想各種各樣長得像鳥或力圖超越鳥類的飛行器，達(dá)·芬奇、李林塔爾是其中的佼佼者。李林塔爾對鸛科鳥類的細(xì)致研究促使他的滑翔機(jī)得到了成功，讓人類終于開始能夠駕馭重于空氣的航空器。

1903年12月17日，萊特兄弟駕駛自行研制的固定翼飛機(jī)飛行者1號實(shí)現(xiàn)了人類史上首次重于空氣的航空器持續(xù)而且受控的動力飛行。萊特兄弟對飛機(jī)的設(shè)計(jì)和操縱也得益于他們對鳥類飛行運(yùn)動的觀察。

然而，人類飛行器與鳥類的第一場交鋒，也就發(fā)生在萊特兄弟的飛行中。萊特兄弟當(dāng)中的那個(gè)弟弟，奧威爾·萊特在1905年的飛行中，與一群鳥遭遇了。從萊特后來的日記中，我們可以發(fā)現(xiàn)，這應(yīng)該是人類首次用一架重于空氣的飛行器殺死了一只鳥：

“這一天，我駕駛飛機(jī)在4分45秒的時(shí)間內(nèi)飛了4 751米。飛機(jī)在一塊玉米地上空飛了4圈。我遇到了一群鳥。其中有一只撞在了飛機(jī)的上層機(jī)翼上。那只鳥被殺死了，在空中劃出一道形狀尖銳的折線?！?/p>

梁子就此結(jié)下了。從此，人類與鳥類在空中的百年恩怨開始了。

1911年，人類第一次主動在空中向鳥類發(fā)起攻擊。這一年，尤金·吉爾伯特駕駛一架布萊里奧XI型飛機(jī)從巴黎飛往馬德里。在飛越比利牛斯山的時(shí)候，吉爾伯特不知怎么地惹怒了一只鷹。這只鷹開始頻頻地向飛機(jī)發(fā)起攻擊動作。出于安全方面的考慮，吉爾伯特掏出手槍，在敞篷的駕駛艙內(nèi)向那只老鷹連開了好幾槍，趕走了老鷹。

這樣看來，人類與鳥類的兩次交鋒，人類均占了上風(fēng)。但鳥類的反擊很快就來了，而且非常有力。加布雷恩·羅杰斯是一位美國航空先驅(qū)。他師從萊特兄弟，并購買了萊特兄弟設(shè)計(jì)的飛行器。在創(chuàng)造了多項(xiàng)飛行紀(jì)錄后，1911年9月17日，他駕駛飛機(jī)進(jìn)行了漫長的飛行，經(jīng)多次起降后，當(dāng)年11月5日，羅杰斯完成了飛越北美洲的壯舉，這使其名聲大振。

1912年4月3日，一只海鷗代表全體鳥類向當(dāng)時(shí)被譽(yù)為最優(yōu)秀的飛行家的羅杰斯下手了。當(dāng)羅杰斯在這一天駕駛飛機(jī)飛行在加利福尼亞上空時(shí)，一只海鷗猛然撞向飛機(jī)。羅杰斯躲閃不及，海鷗直接沖破了機(jī)翼并卡在了飛機(jī)的操縱線纜上。羅杰斯瞬間就失去了對飛機(jī)的控制。飛機(jī)墜入加州長灘的一片淺水中。脖子摔斷的羅杰斯沒能從飛機(jī)殘骸中逃脫出來，淹死了。

就這樣，羅杰斯成了第一位死于空中鳥撞事故的人類飛行員。

恩仇，須傾英雄淚

迄今為止，最慘烈的一次與鳥類直接相關(guān)的飛機(jī)墜毀事故發(fā)生在1960年。當(dāng)時(shí)，一架美國東方航空公司的洛克希德L-188客機(jī)從波士頓起飛。然而，剛好在機(jī)場跑道上空有一群紫翅椋鳥也在成群起飛。這些體長20厘米，體重不到100克的小鳥讓L-188迫降在波士頓港灣。機(jī)上有5名機(jī)組人員和67名乘客（共72人），僅10人幸存。

這場空難讓工程師們開始非常認(rèn)真嚴(yán)肅地看待鳥類與人類飛行器之間的關(guān)系。大部分鳥類的特征都是體形小、重量輕，因此鳥擊所造成的破壞主要來自飛機(jī)的速度而非鳥類本身的重量。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，飛機(jī)的速度不斷提高，一些戰(zhàn)斗機(jī)的速度可以達(dá)到數(shù)倍聲速。

根據(jù)動量定理，一只0.45千克重的鳥與時(shí)速80千米的飛機(jī)相撞，會產(chǎn)生1 500牛頓的力，與時(shí)速960千米的飛機(jī)相撞，則會產(chǎn)生21.6萬牛頓的力，飛機(jī)的高速使鳥擊的破壞力達(dá)到驚人的程度。鳥擊對飛機(jī)的破壞與撞擊的位置有密切的關(guān)系，導(dǎo)致嚴(yán)重破壞的撞擊主要集中在導(dǎo)航系統(tǒng)和動力系統(tǒng)。

從1960年到2011年，全世界范圍內(nèi)由于鳥撞事故至少造成了78架民航客機(jī)墜毀或迫降，有201名乘客或機(jī)組人員因此而喪生。另有250架軍用飛機(jī)因鳥類撞擊而墜毀，其中有120名飛行員因沒能及時(shí)跳傘而喪生。而自2011年以來，已經(jīng)有超過65 139次登記在案的鳥類撞擊飛行器的事件。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，與飛行器在空中相撞的鳥類中，有44.1%撞到（或被吸入）發(fā)動機(jī)中，有30.9%撞到了機(jī)翼上。

既然鳥類撞擊對飛行器有如此大的影響，那么現(xiàn)代飛行器采用了哪些措施來應(yīng)對呢？

首先，提高飛行器本身的強(qiáng)度，以便能夠應(yīng)對鳥類撞擊的沖擊力?，F(xiàn)代民航客機(jī)的適航標(biāo)準(zhǔn)中，有這么兩項(xiàng)：飛機(jī)的機(jī)身在受到1.8千克重的鳥類撞擊后，應(yīng)具備仍然能夠完成本次飛行任務(wù)的能力；飛機(jī)的尾翼在受到3.6千克重的鳥類撞擊后，仍能穩(wěn)定飛機(jī)，讓飛機(jī)安全著陸。為什么對尾翼的要求格外高呢？因?yàn)槌鲞^這樣一起事故：1962年，一架美聯(lián)航的“子爵”號客機(jī)在1 828.7米高度飛行時(shí)，撞上了一群天鵝。飛機(jī)的左側(cè)尾翼損壞，升降舵失效。導(dǎo)致飛機(jī)失控墜毀，機(jī)上乘客全部遇難。這場事故使得工程師對飛機(jī)尾翼的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度變得尤為重視。

其次，一些關(guān)鍵的傳感器要做好備份，并相隔一定的距離。（以免被一只鳥一下子全撞壞）。比如現(xiàn)代民航客機(jī)上的空速管和攻角傳感器，會有備份，而且是有一定間距的。

第三，現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)采用了一系列防鳥撞技術(shù)。不過，在說到這些技術(shù)之前，最好先一起看一下飛鳥、硬幣、螺絲釘或者小石子能夠?qū)ΜF(xiàn)代噴氣式航空發(fā)動機(jī)帶來怎樣的傷害吧！

破曉處，且聽風(fēng)吟

當(dāng)異物撞擊到高速轉(zhuǎn)動的葉片時(shí)，會使葉片發(fā)生部分彎曲、折斷、穿孔等傷害。尤其是像硬幣、螺絲釘這樣的堅(jiān)硬物品。吸入發(fā)動機(jī)后，這些硬物會與壓氣機(jī)葉片發(fā)生碰撞。而大多數(shù)情況下，硬物都會立刻反彈出來。但是，這種反彈并不會讓硬物與葉片的糾葛就此終結(jié)。

啟動狀態(tài)下的噴氣式發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣口會吸入大量空氣，比吸塵器的吸力強(qiáng)很多。F-22戰(zhàn)斗機(jī)的發(fā)動機(jī)，在正常工作狀態(tài)下，每秒需要吸入142千克的空氣；波音737、空客A320的發(fā)動機(jī)，正常工作狀態(tài)下，每秒需要吸入321千克的空氣；更大的發(fā)動機(jī)，每秒需要的進(jìn)氣量會超過1噸。標(biāo)準(zhǔn)的一間中學(xué)教室，長10米，寬6米，高3米，那么其容積為180立方米。按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣每立方米1.295千克來計(jì)算的話，空蕩蕩的教室內(nèi)，有233.1千克空氣。那么，整間教室的空氣還不夠一架個(gè)頭不大的窄體客機(jī)的發(fā)動機(jī)吸1秒的。endprint

反彈出來的硬物，會被再次吸入發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)，與葉片發(fā)生二次碰撞。隨著葉片的轉(zhuǎn)動，硬物會繼續(xù)加速。被甩出或彈出后，硬物會再次被吸入。如此周而復(fù)始，直到硬物碎裂成小塊吸入發(fā)動機(jī)燃燒室或者隨斷裂的葉片穿透發(fā)動機(jī)殼體飛出。即使是少量異物進(jìn)入發(fā)動機(jī)，如果其足夠堅(jiān)硬的話，毀傷效果也會類似于用一把自動步槍對著發(fā)動機(jī)掃射。

另外，如果是鳥類被吸入發(fā)動機(jī)的話，還會造成發(fā)動機(jī)喘振甚至是停車。2006年11月，一架殲7戰(zhàn)斗機(jī)在返航過程中，遭遇鴿群。發(fā)動機(jī)在194米高度吸入了鴿子，狀態(tài)突變。在127米高度，發(fā)動機(jī)停車。飛行員為了避免戰(zhàn)斗機(jī)墜向村莊和化工廠，放棄了寶貴的跳傘機(jī)會，將戰(zhàn)斗機(jī)迫降在無人區(qū)域。但終因戰(zhàn)斗機(jī)下墜速度過快而犧牲。

按目前的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在所有的鳥類撞擊事件中，有44.1%是飛鳥撞入或者被吸入了發(fā)動機(jī)。為了解決這個(gè)問題，工程師首先想到的是讓飛鳥遠(yuǎn)離噴氣式發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣口。工程師在發(fā)動機(jī)進(jìn)氣口的中間部分畫上了條紋。這樣的話，機(jī)務(wù)人員就能夠在噪聲環(huán)境中分辨哪臺發(fā)動機(jī)是正在轉(zhuǎn)動著的了，而飛鳥也或許能夠遠(yuǎn)遠(yuǎn)地看到忽閃忽閃的樣子而提前躲避。不過，至于鳥能不能看到轉(zhuǎn)動的條紋以及能否讀懂人類工程師的苦心，這個(gè)尚無定論。不過，這種條紋目前確定的功能有兩點(diǎn)：一個(gè)是幫助人類判斷發(fā)動機(jī)的狀態(tài)，二是幫助人們一眼識別出發(fā)動機(jī)的生產(chǎn)廠家：通用的GE發(fā)動機(jī)上的條紋較短，而且整體呈一個(gè)G的形狀。而羅羅的發(fā)動機(jī)的條紋則更修長更飄逸一些。

在應(yīng)對硬幣、鳥類、小石子等異物的第一線，低壓壓氣機(jī)的葉片在保證空氣動力學(xué)特性的前提下，其形狀得到了進(jìn)一步地優(yōu)化。羅羅公司研發(fā)了無凸臺寬弦空心葉片。這種葉片能夠盡量把較小較硬的異物甩到進(jìn)氣口外周，努力減少異物在反彈+吸入+再次反彈出來+再次吸入的過程中造成的多次傷害。

麥道-90、空客A320的部分型號用的發(fā)動機(jī)采用了這樣的葉片，不知投入硬幣后的效果會是怎樣的。當(dāng)然，為了避免好奇的人們嘗試，并且要讓人們了解發(fā)動機(jī)面對異物撞擊時(shí)能否經(jīng)得住考驗(yàn)，相應(yīng)的試驗(yàn)是不可或缺的。除了壓氣機(jī)葉片的改進(jìn)，現(xiàn)代航空發(fā)動機(jī)在燃燒穩(wěn)定性和應(yīng)對喘振等方面也有了長足的進(jìn)步。

像椋鳥科的鳥類，往往是成群結(jié)隊(duì)地活動。客機(jī)如果遇到這樣的鳥群會怎樣呢？2008年11月10日，瑞安航空的一架從法蘭克福-哈恩機(jī)場起飛的波音737就遇到了類似的情況。該機(jī)遭遇了一群椋鳥，2臺發(fā)動機(jī)停車。不過，這架波音737最終還是艱難地抵達(dá)了目的地羅馬錢皮諾機(jī)場。失去動力的客機(jī)迫降在錢皮諾機(jī)場的跑道上，左側(cè)起落架折斷。不過，全機(jī)172人中，除10人在迫降過程中受輕傷之外，全部安然無恙。事后，調(diào)查組在拆解和清理了該機(jī)發(fā)動機(jī)之后，給出了這樣的數(shù)字：90。這架波音737的2臺發(fā)動機(jī)至少吸入了90只鳥。

2009年1月15日，在紐約拉瓜迪亞機(jī)場起飛的一架空客A320與一群加拿大黑雁遭遇，2臺發(fā)動機(jī)同時(shí)停車。機(jī)長臨危不亂，成功將客機(jī)迫降在哈德遜河上。機(jī)上150名乘客和5名機(jī)組人員全部生還。事后該事件被拍攝為電影，名為《薩利機(jī)長》。

雖然百年以來，人類飛行器與鳥類的恩恩怨怨帶來了很多事故和故事，但是說起來，本質(zhì)上還是人類建設(shè)的機(jī)場侵占了鳥類的棲息地。機(jī)場通常在郊區(qū)，并且有大片的草地。這里的野生動植物構(gòu)成了較為良好的生態(tài)環(huán)境，同時(shí)也就為鳥類的生長繁殖創(chuàng)造了好條件。如今，在機(jī)場內(nèi)和機(jī)場周邊，隨處可見各式驅(qū)鳥車輛。

不光飛機(jī)會與鳥類有交鋒，同樣作為飛行器，航天飛機(jī)也會與鳥類有親密接觸的機(jī)會。2005年7月26日，“發(fā)現(xiàn)者”號航天飛機(jī)在升空2.5秒后，撞上了一只大鳥。但是，好在當(dāng)時(shí)航天飛機(jī)的飛行速度不算太快，NASA的工程師在討論之后，決定讓“發(fā)現(xiàn)者”號繼續(xù)執(zhí)行任務(wù)。同年8月9日，“發(fā)現(xiàn)者”號航天飛機(jī)平安返回，大家心里的一塊石頭才算落了地。

人類在仰望太空的過程中，受飛鳥的啟發(fā)而創(chuàng)造了飛機(jī)。一百多年來，人類與鳥類在空中不斷有著各種各樣的接觸。期待鳥類能夠有更多的生存空間，從而能夠擺脫依賴機(jī)場周邊環(huán)境的現(xiàn)狀，同時(shí)也祝福民航客機(jī)在技術(shù)進(jìn)步中獲得越來越高的安全性。

責(zé)任編輯：邢強(qiáng)endprint