8年与25毫秒 C919鸟撞试验幕后

潘友星

“鸟撞玩的就是心跳，‘鸟弹打出去的那一刹那，心脏提到了嗓子眼，鸟撞试验讲求的就是这一瞬间的永恒。”提及鸟撞试验，上海飞机设计研究院（以下简称“上飞院”）强度设计研究部动强度室的副主任设计师宋春艳这样形容。“鸟弹”通过鸟撞设备，以试验人员预先设定好的速度打到试验件上，这个过程快到只用25毫秒就可以完成，比眨一下眼睛的速度还要快。可就是为了这25毫秒，C919鸟撞试验团队却用了8年的时间。

“鸟撞”及“鸟撞试验”

说起“鸟撞”，最早可以追溯到1912年，飞行员卡尔·罗杰斯驾机作飞行表演，从北美洲飞向南美洲时与海鸥相撞，飞机掉入大海，飞行员遇难，成为世界上首例飞机鸟撞事故。鸟撞飞机，危害不浅，一旦发生，往往就会造成灾难，轻则导致飞机结构部件的损伤，重则引发机毁人亡的灾难性事故，直接威胁到空勤人员及旅客的生命安全。据统计，仅1960年以来，世界范围内由于鸟撞事故至少造成78架民用飞机损失、201人丧生，鸟撞现已被国际航空联合会定位为A类空难。

中国民用航空规章第 25 部“运输类飞机适航标准”（CCAR-25）中，第571E、631和775三个条款分别对飞机上诸如机翼、尾翼、机身、发动机、起落架等飞机部件的抗鸟撞要求做出明确规定，如第631条款表明：“尾翼结构的设计必须保证飞机在与3.6千克（8磅）重的鸟相撞之后，仍能继续安全飞行和着陆。”第775条款也明确指出：“风挡和窗户必须能经受住1.8千克（4磅）的飞鸟撞击而不被击穿。”由此来看，飞机在空中飞行必须能经受住鸟的撞击，机体结构必须要进行抗鸟撞设计，鸟撞试验是飞机通过适航验证的必经之路。

中国商飞员工现场安装试验件。

何为鸟撞？简言之，鸟撞是一种突发性和多发性的飞行事故，它是由飞机等飞行器与天空中飞行的鸟类相撞击造成的。鸟撞体现的是一种“能量”的概念，高速运动使鸟的破坏力惊人，有资料显示，一只0.45千克的鸟与时速800千米的飞机相撞，会产生153千克的冲击力;一只7千克的大鸟装在时速960千米的飞机上，冲击力将达到144吨。“这就好比一块质量很小的豆腐，当它以极高的速度打出去的时候，它甚至会拥有一颗子弹的穿透力。”宋春艳告诉记者。

鸟往哪儿撞？理论上，飞机上所有的“迎风面”都有可能被鸟撞击，因此鸟撞是一个“全机性”的概念。但具体到工程设计上，由于鸟撞时飞鸟作用在机体上的能量与飞鸟运动轨迹相对撞击点结构的夹角成正比，因此一定角度区域内的飞机结构均要作为鸟撞的重点考查范围。根据近年来中国民航鸟击航空器事件分析报告显示，飞机上最容易受鸟撞击的地方集中在机头、发动机、机翼/旋翼、雷达罩、平尾和垂尾等部位，其中，鸟击发生比例最高的部位是发动机（37.21%），受发动机结构、部件和运转特点的影响，一方面飞鸟很容易飞入其中，另一方面，也有可能被动吸到里面。概括而言，只要飞机升空，鸟就有可能撞上飞机迎风面、凸出部位或鼓包的任何一点。

怎么做鸟撞试验？一般而言，鸟撞试验的目的有两个：一是检验飞机上易受飞鸟撞击部位的结构抗鸟撞能力;二是测量撞击过程中有关应变、位移、撞击力等数据，为设计师“抗鸟撞”设计分析提供数据支持。鸟撞试验的做法，国内外并无二致。试验前将“鸟弹”预先放置在炮管里，通过高压气罐对其施压，待压力能够达到使“鸟弹”以飞机巡航速度发射出去时，打开阀门，高压气体就会推动“鸟弹”在炮管里滑行，直至离开炮口，飞向固定在试验台上的试验件。“鸟撞试验的整个过程快到用毫秒来计量，眨眼的功夫就完了，非常快。”上飞院强度部动强度室主任朱晓东说。

“鸟撞仿真”

助力C919鸟撞试验

鸟撞试验是一种破坏性的试验，没有重复的可能，一旦试验件受撞击破坏后，就无法再次利用，所以，这就要求试验人員必须事先进行大量数据分析，掌握试验可能出现的结果，力求试验万无一失。通过数据计算、分析的方法，来模拟真实物理实验的过程就是“仿真”， 因此，“鸟撞仿真”也就是采用一定的分析方法来计算、模拟真实鸟撞的试验过程。“鸟撞仿真”作为C919鸟撞团队的核心能力之一，体现和代表着C919鸟撞试验的水平，通过鸟撞仿真，不仅能够帮助决策物理试验的撞击点，还能在物理试验前预估试验可能出现的结果，从而缩短了试验周期，降低了试验成本，有助于高效确定合适的设计。

说到鸟撞仿真，必然要提及的还有它所依赖的计算方法“有限元”，简单讲，有限元分析就是利用数学近似的方法对真实的物理系统（几何和载荷情况）进行模拟的过程。C919鸟撞仿真分析的第一步就是建模，即对其建立满足动力学要求的有限元模型。更形象一点来说，如果把C919机体看作是一个“大单元”，对其建立有限元模型的过程就是不断把这个真实的“大单元”逐层逐级细分成有限个相互作用的“小单元”的过程。鸟撞仿真分析的有限元模型包括试验件（机体的某一部分）有限元模型和鸟体结构有限元模型两个部分。有限元模型建好后，就可以进行鸟撞仿真的第二步，对鸟体结构施加速度，使其撞击已建好的试验件模型，再利用瞬态冲击动力学分析方法，计算出被撞试验件结构的损伤情况。

c919项目总设计师吴光辉仔细查看乌撞试验后的结构损伤情况。

C919鸟撞仿真的有限元分析包含两个技术难点。第一个技术难点体现在“细节”的模拟上。众所周知，一架飞机上铆钉的数量是百万级的，一般而言，在建立有限元模型的过程中可以进行相应的简化。但对于鸟撞这种复杂的动力学分析来说，却并不能满足模拟真实撞击发生情况的建模要求。换一个铆钉或是换一种铆钉之间的连接方式就可能会影响试验结果。因此，鸟撞仿真分析的有限元模型中，连接的细节模拟至关重要。然而，“百万级的铆钉在有限元模型中建立起来已是一件工作量极大的事，想要再模拟出钉的连接特性则是难上加难了。”朱晓东说。为了攻克这一难题，C919鸟撞试验团队焚膏继晷，组织人员投入到大量细致的分析和试验工作中，通过仿真分析，他们成功获取了细节结构的建模方法和分析参数库，并在C919鸟撞试验中加以应用，大大提高了鸟撞仿真分析的精度。

较之于ARJ21-700飞机金属材料的有限元分析，C919有限元分析的另外一个技术难点体现在复合材料的有限元分析上。因为复合材料包含多层，各层相异，每层都有自己的特性、厚度和方向，所以对复合材料建立有限元模型难度更大。再加上，同ARJ21-700飞机上金属材料的26个参数值相比，C919飞机上复合材料的参数值增加到136个，这又是一个棘手的问题。“136个参数”是什么概念？举个初中解方程的例子来说，二元一次方程里面有两个未知数，只需要两个方程式就可以求出真解，136个参数也就相当于136个未知数，该需要多少个参数方程才能求出真解？另外，求出的参数解之间会有多少种组合？哪一个组合是真解？它的难度可想而知。为了能顺利通过C919的首飞评审，不耽误首飞进程，C919鸟撞试验团队采用“仿真分析加工程判断”的技术手段，即从第一个参数值开始进行敏感度分析，对于一些敏感度较高的参数，先将其挑选出来，放入敏感参数组，以逐渐缩小真解的范围，形成中国商飞的鸟撞参数组合。

上飞院C919乌撞团队。前缘乌撞试验后合影.

C919的抗鸟撞设计

为了减少鸟撞飞机事故的发生，一方面可以采用主动驱鸟的办法将鸟赶走，例如，国内一些大型机场都划定了专门的机场鸟防责任区，通过使用猎枪、鸟炮、捕鸟网、激光等措施进行人为驱鸟。另一方面可以通过对飞机的机体进行“抗鸟撞设计”以达到降低事故发生概率的目的。飞机“抗鸟撞设计”的目标归纳起来就是一句话：“飞机遭鸟撞击后仍能继续飞行并安全着陆。”“较之于主动驱鸟这样的治标之策，‘抗鸟撞设计才是从根本上解决航线鸟撞问题的治本之举。”从事了9年鸟撞工作的宋春艳十分肯定地说。“在C919的抗鸟撞设计上，设计人员已经针对飞机在航线飞行中可能会被撞击的机体部位分别进行了抗鸟撞设计的研究和优化，机头和尾翼前缘的抗鸟撞设计思路是C919抗鸟撞设计的两大亮点。”上飞院强度部动强度室副主任吴志斌告诉记者。

尾冀摸底试验后，团队合影

在机头的抗鸟撞设计上，主要采用的是刚度匹配设计，即通过优化材料的刚度分布来改善机头抗鸟撞能力的设计方法。实际上，刚度匹配设计的工程实践得益于西北工业大学李玉龙教授团队提出的“以疏导能量代替对抗能量”的创新性理念，当撞击角度较大时虽可采用“加强”的方法，在不允许破坏的关键结构区域通过增强其结构强度，选用钛合金的蒙皮材料使其满足抗鸟撞设计的要求。但当撞击角度较小时，则宜采用“分散”的方法，重点考虑刚度匹配，通过优化梁截面、合理布置垫板、增加辅助零件的方式进行刚度匹配设计，避免撞击时结构刚度发生突变和应力集中，以保证撞击瞬间的结构完整性，让鸟体顺着与结构接触表面滑走，在不增加较多重量情况下，改善机头抗鸟撞能力。除此之外，C919机头还采用了承载式风挡，风挡玻璃也能参与机头的载荷传递，大大增加了机头的抗鸟撞特性。

在尾翼前缘的抗鸟撞设计上，C919鳥撞设计团队创新结构设计，通过采用“蜂窝夹层结构与辅助梁组合”的结构形式来提高尾翼前缘的抗鸟撞能力。C919尾翼使用的是碳纤维的复合材料，这种材料强度虽然很强，但脆性也相对较大，在减轻飞机重量的同时，也降低了尾翼的抗鸟撞能力。然而，适航条款中对尾翼抗鸟撞能力的要求（承受3.6千克重的鸟）却比飞机上其它机体部位抗鸟撞能力的要求（承受1.8千克重的鸟）高出一倍，这对尾翼的抗鸟撞设计来说也是一个不小的挑战。C919鸟撞设计团队为了完善和优化C919尾翼前缘的抗鸟撞设计，循环反复地进行仿真分析，一轮一轮的进行迭代设计，最终创新性提出了“蜂窝夹层结构与辅助梁组合”的尾翼结构形式。一方面，通过蜂窝夹层结构达到减重的目的，另一方面，通过辅助梁最大化的吸收鸟的能量，这样的组合一举双得。世界同级别客机尾翼一般采用密肋式前梁或蜂窝夹层结构，而C919尾翼却另辟蹊径，可谓是一大技术突破。

人们常用“台上一分钟，台下十年功”来形容台上表演的演员们台下所付出的艰辛努力，这一点对于上飞院从事鸟撞工作的试验人员而言感同身受。

从2009年12月30日，ARJ21-700飞机打响了鸟撞试验的第一枪，到2017年3月11日，C919完成了首飞前的最后一项鸟撞试验，C919鸟撞试验团队用了整整8年的时间研究鸟撞，而这辛苦耕耘的8年也只是为了成就每一次鸟弹打出去的25毫秒。常有人问，值吗？“值，很值，非常值。”这是所有从事鸟撞、研究鸟撞的民机设计师们共同的心声。我们有理由相信，随着鸟撞试验技术突飞猛进的发展，C919的鸟撞仿真及抗鸟撞设计水平也一定会越来越高。

责任编辑：吴佩新