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鸟撞飞机失事的力学浅释
    时间:2016-4-19     点击率:17827

鸟撞飞机失事的力学浅释

张双寅

 

1.  一则令人震惊的新闻

201512171749分,一架东海舰队航空兵的歼10战机,完成训练任务后返航,进入着陆状态,放下起落架,开始下降。突然,“嘭”的一声,飞机发动机发出一声巨响,飞机推力突然下降,飞行速度锐减。飞行员的心猛然一惊:“飞机发动机出故障了?”就在此刻,驾驶舱内的仪表盘全部黑屏,所有参数都无法获知。根据紧急情况处置规则,可以判断:发动机已经停车了。

两位飞行员立刻采取紧急处置方案,重新启动:慢加油门,没反应;快加油门,没反应;打开空中点火电门,还是没反应……战鹰高度不断降落。一场机毁人亡的灾难就要发生。情况十万火急。

战鹰掠过的下方是万家灯火,一片祥和。他们很清楚,装载着大量航空煤油和航弹的战机,堪比一枚威力巨大的炸弹,一旦坠入居民区,后果不堪设想!

但是,在两位英雄飞行员沉着果敢的处置下,飞机避开了人烟密集的居民区,坠落入一个池塘,距离居民区200米,保护了居民生命安全。

目睹了飞机失事过程的村民王希林说:“当时我看到飞机那么低飞来的时候,吓懵了,没想到飞机居然在关键时刻拐了个弯!”

2.  记住两名飞行员的名字

前舱飞行员是黄孝刚。他出生于1989年,从某型教练机直飞国产先进三代机,去年刚分配到该飞行团,驾驶该型三代机飞行时间仅90多个小时。

后舱飞行员是该飞行团团长陈国强。作为一名驾驭过8种机型、飞行2000多小时的“老飞”,对事故的发生异常镇定,他冷静地接管了飞机的操纵。

“飞不回去了,一定要避开居民区!保证人民群众生命财产安全!”来不及细想的陈国强向地面报告:“发动机停车,我对向无人区了!”

  175005秒,陈国强看准右边一片相对黑暗的区域,谨慎地操纵飞机转弯。175009秒,高度555米;175013秒,高度486米;……。

即便是不懂飞行的人也明白,在仅仅几百米的高度,每延迟一秒甚至零点几秒跳伞,飞行员的危险系数都会呈几何级数增加。高度在急速下降,时间在急速流逝,陈国强和黄孝刚的危险在急速增加,他们与死神的距离在急速靠近……。

  避开了!陈国强心中一喜,准备跳伞。突然,他发现机头前方又有一小片灯光区。

  陈国强决定再次调整航向。“一定要完全避开居民区!对准无人区!”

  靠近了!到了!陈国强知道,此刻再不跳伞就来不及了。

  “跳伞!跳伞!”陈国强通过舱内对话系统,立即向前舱飞行员黄孝刚下达指令。

   黄孝刚紧握弹射拉环,猛地一拉。175024秒,伴随着“轰”的一个声响,后舱飞行员陈国强弹射出舱。紧接着,前舱的黄孝刚也被弹射出飞机。此时,飞机距离地面高度仅271米!

  11秒后,战鹰坠入一个池塘,没有爆炸!没有砸到居民区!陈国强悬着的心,随着快速下滑的降落伞,也一并落了地。

从确认发动机停车到成功跳伞,航空时钟的秒针跳动了23——仅仅23秒!堪称奇迹。

那么飞机发动机为什么会停车了呢?事后的调查结果是由于鸟撞之故。

 

3. 鸟撞飞机失事举例

其实,因鸟撞造成飞机失事的案例并不鲜见,就现网上查到的几个例子介绍如下。

3.1 2013年,美军卢克空军基地的一架F-16D战机于当地时间626日下午7点坠毁,两名飞行员弹射逃生,随后飞行员报告称该战机是在撞到一只飞鸟后坠毁的。

3.2  1994228日,中国民航一架波音767200型飞机在巴基斯坦的卡拉奇机场上空下降到750米高度时,几只飞鸟撞入了左发动机。飞机涡轮进口温度猛升。机组人员果断关闭左发动机,严格地按单发动机程序操作,才未酿成大祸。这算是空中飞机与鸟相撞的幸运者了。

3.3  最为惨重的是,1988年埃塞俄比亚的一架波音737飞机在起飞爬升到3800米时,遭遇鸟撞,结果造成机上85人死亡,21人受伤。

3.4  再有,1996922日,美国空军的一架由波音707改装的E3A预警机从阿拉斯加的埃尔门多夫空军基地起飞。飞机以230海里/小时(:每海里等于1.852公里)的速度滑跑,在抬起前轮的一刹那,撞上了30多只加拿大鹅。瞬间两台发动机火光冲天。飞机坠毁在机场附近的洼地里。24名空勤人员全部遇难。

4鸟撞飞机失事的力学浅释

根据新闻媒体的报道,歼10飞机是被一只重约1.0-1.3千克的绿头鸭撞击失事的。这架飞机在降落时,飞行速度约为400公里/小时左右(约100/秒),不考虑鸟的飞行速度,相当于该鸟以100/秒的速度撞击飞机。这是我们所能查得的所有力学数据。实言之,要清晰解释飞机失事的力学原理,这是远远不够的。例如,除了知道飞机速度外,还需知道被撞叶片的旋转速度,叶片的力学性能(包括它的抗弯刚度,强度,或断裂韧度等)。缺少这些数据,我们无法清晰地分析其力学原因,所以这里只能简单介绍一些力学概念。

飞鸟撞击发动机叶片致使其破坏,可用如下两个力学准则进行判断。

(1)  断裂力学判据:当冲击物(飞鸟——绿头鸭)所具有的动能,大于被撞击叶片的断裂能时,叶片就会断裂,飞机就会失事。

在本情况中,飞鸟的动能可以估算为:

一般而言,叶片的断裂能不会大于此值。若飞鸟重量只有100克,其冲击动能有500焦耳。这样的动能也是不易承受的。 

(2)  材料强度判据:当外来冲击物(飞鸟)对叶片的冲击载荷使叶片内产生的应力值大于叶片材料的许用应力值时,叶片破坏。

一般而言,冲击力的大小除了取决于冲击物质量和撞击速度外,它还与被撞击物的弹性性能有关。由于这些数据缺少,我们无法进行精准计算。但考虑到飞鸟的羽毛和肌肉柔软,它对叶片的冲击力曲线不会太陡太尖,所以冲击力的峰值不会太大。于是,我们只有做一个大胆假设,然后判断冲击力的量级大小。

假定飞鸟的速度由初始速度减小为零所用的时间为0.1秒,则飞鸟在撞击叶片的短时内的加速度为:,其中的负号是减速度的意思。根据达朗贝尔原理,可以估计叶片所受撞击力的大小为:

若鸟的质量为100克,则其冲击力为100牛。这样的载荷值都是叶片难以承受的。 

发生鸟撞的原因是机场一般都是位于远离城市中心的城郊,常常存在鸟类栖息繁殖的场所;随着机场的建设和运营,临近机场的区域往往形成新的社区,人类活动增加,将这一区域的鸟类驱赶到相对平静的机场区域,这就造成在机场的临近空域,鸟类的活动与飞机的起降形成交叉,从而导致鸟击事件的发生。