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人类飞行器与鸟类和异物的百年恩怨史

作者:原创论文网 时间:2017-12-12 11:23 加入收藏
  现代航空喷气式发动机吸入异物会怎样?发动机乃至整架飞行器有没有专门针对异物撞击或异物侵入的设计?围绕着撞击与防撞,人类飞行器与鸟类之间又经历了怎样的百年恩怨呢?
  
  恩怨,起自百年前
  
  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而蠢蠢欲动,按捺不住。
  
  于是,人类开始效仿鸟类,开始构想各种各样长得像鸟或力图超越鸟类的飞行器,达·芬奇、李林塔尔是其中的佼佼者。李林塔尔对鹳科鸟类的细致研究促使他的滑翔机得到了成功,让人类终于开始能够驾驭重于空气的航空器。
  
  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和操纵也得益于他们对鸟类飞行运动的观察。
  
  然而,人类飞行器与鸟类的第一场交锋,也就发生在莱特兄弟的飞行中。莱特兄弟当中的那个弟弟,奥威尔·莱特在1905年的飞行中,与一群鸟遭遇了。从莱特后来的日记中,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4 751米。飞机在一块玉米地上空飞了4圈。我遇到了一群鸟。其中有一只撞在了飞机的上层机翼上。那只鸟被杀死了,在空中划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。
  
  1911年,人类第一次主动在空中向鸟类发起攻击。这一年,尤金·吉尔伯特驾驶一架布莱里奥XI型飞机从巴黎飞往马德里。在飞越比利牛斯山的时候,吉尔伯特不知怎么地惹怒了一只鹰。这只鹰开始频频地向飞机发起攻击动作。出于安全方面的考虑,吉尔伯特掏出手枪,在敞篷的驾驶舱内向那只老鹰连开了好几枪,赶走了老鹰。
  
  这样看来,人类与鸟类的两次交锋,人类均占了上风。但鸟类的反击很快就来了,而且非常有力。加布雷恩·罗杰斯是一位美国航空先驱。他师从莱特兄弟,并购买了莱特兄弟设计的飞行器。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,当年11月5日,罗杰斯完成了飞越北美洲的壮举,这使其名声大振。
  
  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了飞机的操纵线缆上。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,淹死了。
  
  就这样,罗杰斯成了第一位死于空中鸟撞事故的人类飞行员。
  
  恩仇,须倾英雄泪
  
  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L-188迫降在波士顿港湾。机上有5名机组人员和67名乘客(共72人),仅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。大部分鸟类的特征都是体形小、重量轻,因此鸟击所造成的破坏主要来自飞机的速度而非鸟类本身的重量。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1 500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,飞机的高速使鸟击的破坏力达到惊人的程度。鸟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,全世界范围内由于鸟撞事故至少造成了78架民航客机坠毁或迫降,有201名乘客或机组人员因此而丧生。另有250架军用飞机因鸟类撞击而坠毁,其中有120名飞行员因没能及时跳伞而丧生。而自2011年以来,已经有超过65 139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。
  
  既然鸟类撞击对飞行器有如此大的影响,那么现代飞行器采用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。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,应具备仍然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1 828.7米高度飞行时,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,机上乘客全部遇难。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撞坏)。比如现代民航客机上的空速管和攻角传感器,会有备份,而且是有一定间距的。
  
  第三,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,最好先一起看一下飞鸟、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!
  
  破晓处,且听风吟
  
  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。吸入发动机后,这些硬物会与压气机叶片发生碰撞。而大多数情况下,硬物都会立刻反弹出来。但是,这种反弹并不会让硬物与叶片的纠葛就此终结。
  
  启动状态下的喷气式发动机的进气口会吸入大量空气,比吸尘器的吸力强很多。F-22战斗机的发动机,在正常工作状态下,每秒需要吸入142千克的空气;波音737、空客A320的发动机,正常工作状态下,每秒需要吸入321千克的空气;更大的发动机,每秒需要的进气量会超过1吨。标准的一间中学教室,长10米,宽6米,高3米,那么其容积为180立方米。按标准状态下的空气每立方米1.295千克来计算的话,空荡荡的教室内,有233.1千克空气。那么,整间教室的空气还不够一架个头不大的窄体客机的发动机吸1秒的。
  
  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壳体飞出。即使是少量异物进入发动机,如果其足够坚硬的话,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,如果是鸟类被吸入发动机的话,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米高度吸入了鸽子,状态突变。在127米高度,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。但终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了发动机。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是正在转动着的了,而飞鸟也或许能够远远地看到忽闪忽闪的样子而提前躲避。不过,至于鸟能不能看到转动的条纹以及能否读懂人类工程师的苦心,这个尚无定论。不过,这种条纹目前确定的功能有两点:一个是帮助人类判断发动机的状态,二是帮助人们一眼识别出发动机的生产厂家:通用的GE发动机上的条纹较短,而且整体呈一个G的形状。而罗罗的发动机的条纹则更修长更飘逸一些。
  
  在应对硬币、鸟类、小石子等异物的第一线,低压压气机的叶片在保证空气动力学特性的前提下,其形状得到了进一步地优化。罗罗公司研发了无凸台宽弦空心叶片。这种叶片能够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。
  
  麦道-90、空客A320的部分型号用的发动机采用了这样的叶片,不知投入硬币后的效果会是怎样的。当然,为了避免好奇的人们尝试,并且要让人们了解发动机面对异物撞击时能否经得住考验,相应的试验是不可或缺的。除了压气机叶片的改进,现代航空发动机在燃烧稳定性和应对喘振等方面也有了长足的进步。
  
  像椋鸟科的鸟类,往往是成群结队地活动。客机如果遇到这样的鸟群会怎样呢?2008年11月10日,瑞安航空的一架从法兰克福-哈恩机场起飞的波音737就遇到了类似的情况。该机遭遇了一群椋鸟,2台发动机停车。不过,这架波音737最终还是艰难地抵达了目的地罗马钱皮诺机场。失去动力的客机迫降在钱皮诺机场的跑道上,左侧起落架折断。不过,全机172人中,除10人在迫降过程中受轻伤之外,全部安然无恙。事后,调查组在拆解和清理了该机发动机之后,给出了这样的数字:90.这架波音737的2台发动机至少吸入了90只鸟。
  
  2009年1月15日,在纽约拉瓜迪亚机场起飞的一架空客A320与一群加拿大黑雁遭遇,2台发动机同时停车。机长临危不乱,成功将客机迫降在哈德逊河上。机上150名乘客和5名机组人员全部生还。事后该事件被拍摄为电影,名为《萨利机长》。
  
  虽然百年以来,人类飞行器与鸟类的恩恩怨怨带来了很多事故和故事,但是说起来,本质上还是人类建设的机场侵占了鸟类的栖息地。机场通常在郊区,并且有大片的草地。这里的野生动植物构成了较为良好的生态环境,同时也就为鸟类的生长繁殖创造了好条件。如今,在机场内和机场周边,随处可见各式驱鸟车辆。
  
  不光飞机会与鸟类有交锋,同样作为飞行器,航天飞机也会与鸟类有亲密接触的机会。2005年7月26日,“发现者”号航天飞机在升空2.5秒后,撞上了一只大鸟。但是,好在当时航天飞机的飞行速度不算太快,NASA的工程师在讨论之后,决定让“发现者”号继续执行任务。同年8月9日,“发现者”号航天飞机平安返回,大家心里的一块石头才算落了地。
  
  人类在仰望太空的过程中,受飞鸟的启发而创造了飞机。一百多年来,人类与鸟类在空中不断有着各种各样的接触。期待鸟类能够有更多的生存空间,从而能够摆脱依赖机场周边环境的现状,同时也祝福民航客机在技术进步中获得越来越高的安全性。
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