如何理解鸟击

    鸟击是指飞行器在起飞、爬升、巡航或降落过程中被鸟类撞击而发生的影响飞行安全的事件、事故或事故征候。航空器发动机的鸟击事件又称为吸鸟。随着航空器数量的不断增加、体积越来越大、飞行速度越飞越快，同时也增加了鸟击的可能性。

    说到鸟击，最典型的的民航事故案例就是，2009年1月15日，合众国航空公司（US Airways）一架编号1549的A320客机，在纽约一机场起飞后不到一分钟内遭到“双鸟击”，被迫紧急迫降在哈德逊河上。在机长精湛技术和沉着处置下，事情的结果是令人欣慰和满意的。

    鸟撞飞机的防治被列为世界级难题，这是因为全世界每年大约发生一万多起鸟撞飞机事件，导致空中险情和空难。所以国际航空联合会把鸟害升级为A类航空灾难。

    下面有组数据，让大家对鸟击事件有个具体的理解：

    鸟撞击飞机位置概率：45%的鸟击发生在发动机上，42%的鸟击发生在机头风挡上，其余是机身尾翼机翼和起落架（起飞和降落阶段起落架尚未收起或放开）。

    鸟击发生时飞机高度：60%以上的鸟击发生在飞机爬升或者降落近进时即飞机高度在50英尺及以内。

    如何理解鸟击对飞机的危害程度

    虽然绝大多数鸟类都有体形小、质量轻和飞行速度小的特征，但鸟击破坏的危害主要来自飞行器和鸟的相对速度，而并非鸟类本身的速度。

    根据动能定理，E=1/2 M∧2

    其中M是鸟的质量，单位是公斤；V是鸟和飞机的速度矢量和，单位是米/秒，由于鸟的飞行速度相对飞机较低，可以忽略不计，因此可以认为鸟相对于飞机的速度就是飞机的速度，比较典型的飞机中低空爬升速度是150节到250节，也就是77米/秒到128米/秒。此时的飞机若和一只0.5公斤的鸟相撞，就会产生约1500-4000焦耳的能量（你把一个重1公斤的石头块拿起来放到高1米的桌子上，你的身体要消耗大概10焦耳的能量），这些能量在瞬间被飞机吸收，接触部位就会产生不同程度的破坏。

    这种破坏力可能达到惊人的程度，15%-20%的鸟击会造成飞行器损伤。同时，鸟击对飞行器的破坏程度与撞击的位置和鸟的种类（重量）有着密切的关系，导致严重破坏的撞击多集中在非动力系统（包括导航系统和翼面）和动力系统两方面。

    引擎是实际受损比例最高的部件

    鸟撞飞机主要在飞机起降时，发动机、挡风玻璃、机鼻、机翼/螺旋桨和整流罩遭受鸟类撞击的风险最大，而这些部位又是飞机比较薄弱和要害之处，因而被鸟撞后造成的后果十分严重。而这当中，发动机是受到实际损害比例最大的组件。联邦航空局的统计显示，在1990年2015年之间，共有16636起鸟类撞击飞机引擎的报告，其中，4417起或者说27%的事件中引擎遭受了实际损伤。

    图：美国飞机遭遇鸟击报告（1990-2014）

    普惠公司设计和组件集成部门首席工程师克里斯·克梅兹指出，大多数的鸟类撞击引擎事件不会造成实际损害，发生损害的情况往往是，塑性气体流道面板和金属丝网声学面板引发的发动机凹损或撕裂。更大力度的撞击——比如高速飞行的大型鸟类——会导致风机叶片前缘（这是鸟类被吸进引擎经过的第一个部位）的弯曲。他指出，在遭受此类损害之后，发动机仍可以继续运行。飞机着陆后，无需更换整台发动机，只要修复或更换受损硬件就可以。

    发动机如何防止鸟击

    对于发动机来说，防止鸟击，最关键的问题不是防止将小鸟吸入发动机，而是一方面要防止发动机在吸入小鸟后停止工作，更要防止鸟击导致高速旋转的发动机叶片断裂，并进一步破坏飞机机身和机翼。

    根据目前的航空器设计标准，任何一架双发飞机，都应具备在单发失效的情况下，使用一台发动机安全着陆的能力，也就是说即便单台发动机被小鸟搞停机，对飞行员来说“那都不是事儿”。如果两台发动机同时“中奖”，飞行员只能指望‘萨伦伯格’附体了。

    怎么保护飞机的主体结构不被发动机破坏呢，首先要知道发动机的大杀器是什么？它就是发动机内部高速旋转的风扇叶片，它们就像一把把锋利的尖刀，在飞行过程中，如果风扇叶片在外力冲击下由根部断裂，断片就会在巨大离心力的作用下甩出，一旦飞出发动机，飞机和里面乘客都是“肉”啊！

    为了抵御“尖刀”，发动机设计师得造出“铁布衫”才行，这个铁布衫的学名是风扇包容环，见上图绿色部分。

    早期发动机的包容环均采用不锈钢做成带有多条加强肋条的机匣，不仅质量大而且包容能力有限，1980年代后期发展出了铝制薄壳缠绕几十层Kevlar布，再加上环氧树脂组成的包容环，这种包容环韧性极强，而且质量轻。

    在这个铁布衫的保护下，飞机上的乘客们再也不用担心飞出的叶片啦。

    说了那么多原理，落实到工程上，还得靠工程师们的试验才行。

    1.吸鸟试验

    发动机工程师需要模拟各种情况下，鸟被吸入发动机后的状态，包括用不同重量的鸟冲击发动机叶片的不同位置，来确保小鸟不会对发动机造成损坏。简单来说，就是用高压气体把小鸟当成炮弹一样，射向发动机叶片。

    在吞鸟试验中，被发动机吸入的鸟必须是真实的禽类。试验的鸟由压缩空气炮按一定速度、一定的位置射向工作中的发动机。由于现代喷气客机的巡航高度一般在8000米以上，很少有鸟类能飞到如此高的空中，因此发动机吞鸟事故一般发生在中低空，尤其在机场附近，即飞机的起飞和降落过程中。由于在起飞过程中飞机的迎角很大，速度不快，高度不高，需要发动机处于最大推力状态才能保持稳定飞行姿态，此时一旦因为鸟撞造成发动机的推力下降，哪怕只有十几秒，都会造成严重的后果。

    因此，鸟撞试验时发动机一般应处于最大推力状态，以模拟起飞的情况，并需要用不同大小的鸟类，在不同的径向位置射入，从接近发动机轴线的中心位置一直到接近发动机机匣的外部位置，以模拟实际鸟撞情况。试验时，除用高速摄影机记录下撞击过程外，还需记录整个试验过程中的发动机参数变化情况，并在试验后分解发动机，分析鸟撞的后果和各部件（尤其是风扇叶片）的结构变形情况，为评估发动机的结构完整性和改进设计提供依据。

    2.叶片爆破

    一般来说，一只小鸟不会将发动机风扇叶片打断，但是对于航空工程师来说，安全就是跟那最不可能的“万一”较真，他们要保证在极端情况下，飞机仍能安全返航，这就有了发动机中最烧钱的试验——叶片爆破（一台价值数千万的发动机瞬间灰飞烟灭）。

    这个试验是将炸药装在风扇叶片上，在发动机正常工作时引爆，在这种情况下，保证发动机内部零件不会损伤外部的飞机结构。

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