螺旋桨飞机前缘抗鸟撞分析

郑月明 陈艳晓 郑战星

（中航工业陕西飞机工业〈集团〉有限公司 飞机设计研究院，陕西 汉中 723000）

飞机等飞行器在天空中与飞行的鸟或鸟群之间因物理相撞所造成的事故，称之为“鸟撞”。鸟撞是一种突发性和多发性的飞行事故，一旦发生往往会造成灾难，直接威胁到空勤人员及旅客的生命安全，造成意想不到的损失。轻则在飞机表面留下撞击坑，重则机毁人亡。自从人类在1903年发明了飞机以后，飞机与鸟类的冲突一直不断。国际航空联合会已把鸟害升级为“A”类航空灾难。为了避免鸟撞事故，人们采用了很多方法来驱逐飞鸟，尤其是驱逐机场附近鸟类聚集地方的飞鸟，这些方法包括“煤气压缩泡”驱鸟、网捕及枪杀方法、飞机上画图案、激光驱鸟、播放鸟类天敌的鸣叫声以及鸟类遇到伤害后的悲鸣声的录音、遥控航模驱赶、使用无公害的化学趋避剂、利用天敌驱鸟等等。这些方法的采用大大减少了机场附近飞鸟的数量，但是飞鸟不仅仅是聚集在机场附近，由于鸟类每年都有季节性的迁徙，再加上飞机在中低空的使用，鸟撞事故仍然在不断发生。我国在CCAR27部和CCAR29部（CCAR－29－R1）中规定旋翼航空器必须满足在高空2440米（8000英尺）以下，速度等于Vm或 Vx（取小者）时，受到1.0公斤（2.2磅）的鸟击后能继续安全飞行和着陆（对A类）或安全着陆（对B类）。同时必须用试验或在对有充分代表性的相似设计结构上进行的试验的基础上分析表明其是否满足要求。

1 前缘抗鸟撞分析

1.1 前缘抗鸟撞能力分析

1.1.1 抗鸟撞能力分析

抗鸟撞能力分析一般有以下两种方法:

a)能量比较法，即从能量观点研究飞鸟的能量，如果全部被飞机结构吸收，则满足鸟撞要求的结构应有:

式中:V——飞机速度，m/s；

Vp——穿透速度，m/s，估算方法见1.1.2；

M——鸟质量kg

b）其他方法，如考虑几何和材料的非线性的有限元素法分析机翼前缘的鸟撞问题，但分析方法应有充分的试验做支持，采用的程序必须是经过鉴定的。

1.1.2 结构穿透速度的工程估算

a）铝合金前缘，对于普通铝合金前缘，前缘半径20～200mm,蒙皮厚度 0.9～3.2mm，前缘后掠角 0～55°，其穿透速度按公式（2）计算；

b）复合材料和其他材料前缘穿透速度按公式（2）计算，只需把蒙皮厚度折算成当量厚度即可。

1.2 前缘抗鸟撞试验的必要性

前缘结构形式为:前端肋到内侧螺旋桨桨尖之间有364mm,两螺旋桨桨尖之间有721mm间隙，外侧螺旋桨桨尖到后端肋之间有1430mm，螺旋桨叶直径为4.1米（6叶桨）。在螺旋桨叶区域外前缘抗鸟撞试验是必要的，螺旋桨叶区域内前缘抗鸟撞试验通过下面的计算也是必要的。

表1 飞行2种姿态下鸟穿过螺旋桨的最小速度

●鸟长按300mm；

●本计算未考虑螺旋桨转动引起的气流方向对鸟飞行方向的影响

由上表可以看出鸟很有可能穿过螺旋桨打到机翼前缘，所以同时需要考虑螺旋桨覆盖区的前缘的抗鸟撞能力。

2 前缘的抗鸟撞能力分析

采用铝合金前缘结构穿透速度的工程估算方法，分析前缘的抗鸟撞能力，具体如下:

穿透速度计算公式:

Vp——穿透速度，m/s；

Ψ——前缘后掠角，（。）；

r——前缘半径，mm；

δ——前缘蒙皮与波纹板厚度，mm；

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

前缘小梁穿透速度计算公式: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

所以必须对前缘进行改进设计。

3 前缘改进方案

改进方案:对前缘进行加强，前缘蒙皮厚度不变（面积太大），前缘小梁加厚到2.5mm，在前缘小梁上连几层芳纶纤维布（Kevlar）用以吸收撞过前缘蒙皮撞击小梁后的能量，避免（减少）对翼盒前梁的撞击力。

前缘加强后:

前缘穿透速度计算:

Vp——穿透速度，m/s；

Ψ——前缘后掠角，（。）；

r——前缘半径，mm；

δ——前缘蒙皮与波纹板厚度，mm；

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

前缘小梁穿透速度计算:

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

能满足抗鸟撞能力，满足适航要求。

改进后，重量增加10.98%。

4 鸟撞试验初步方案

根据CCAR－25结构损伤容限和疲劳评定中:抗鸟撞试验用1.8Kg（4磅）鸟弹打前缘，此时飞机的速度为巡航速度Vc（飞机的巡航速度 Vc＝550km/h）。

用1.8kg（4磅）鸟弹打前缘14次，速度由小到大（最小327km/h,最大550km/h），第一段前缘打1个点，第二段前缘打3个点，第三段前缘打3个点，共打14次；一轮打完，根据情况修装另一段前缘，根据翼盒坏损的情况进行修补。

试验件:

●1件翼盒；

●改进后的第一段前缘、第二段前缘、第三段前缘各2套（1套与翼盒安装上，另一套现场装配）。

根据试验情况对结构进行相应的改进。

图1 前缘示意图

5 抗鸟撞试验方法

试验方法:抗鸟撞试验采用空气炮按预订速度和方向发射鸟弹，撞击安装于夹具上的试验件。

试验程序:

a）校准空气炮。正式撞击试验之前，必须采用标准质量的鸟弹撞击模拟靶校准空气炮。在要求速度范围内测定空气炮性能，给出鸟弹发射速度和所需压力之间的关系曲线；

b）安装并检查试验件，校准预订弹着点的位置。如果需要模拟平视显示器、飞行员/空勤组，则按其在飞机上的相应位置装好模拟件；

c）安装并检查所有测试设备；

d）调节试验件的温度，达到试验要求值；

e）制作鸟弹，记录质量；

f）检查发射机构，进入发射程序；

g）试验后，检查所有测试设备，仪器状态及记录试验件、模拟件损伤程度。

鸟弹实验技术一般要求:在鸟弹发射过程中，鸟体应有良好包装，并应配套用以保护和支持鸟弹的保护套，以防止鸟体破裂；加速度要适当，以防止加速过程中鸟弹解体；在炮管末端，应有防止保护套前进的分离装置，仅让鸟弹撞击试验件；鸟弹离开炮口后，应保持自由飞行。

6 结论

在飞机上易受撞击的部位（如前缘）要采用抗鸟撞设计，使其结构具有较强的抗冲击性能和能量吸收特性。这就要求结构在综合性能方面具有足够的强度和良好的塑性变形能力，以便最大程度地吸收动能和减缓冲击力的影响，最大限度的降低“鸟撞”对飞机结构造成的损失。

［1］中国民用航空规章 第25部 运输类飞机适航标准CCAR-25[S].中国民用航空总局.

［2］周加良.飞机鸟撞事故及预防[J].洪都科技.

［3］飞机设计手册总编委会.飞机设计手册[S].航空工业出版社.