《愤怒的小鸟》是红极一时的网络游戏。看着小鸟像炮弹一样砸向对岸的绿猪，想必是件痛快的事。但如果将愤怒的小鸟砸向飞机，结果会怎样？一个是“大铁鸟”，一个是小飞鸟，后果似乎可想而知。然而这件在很多人看来无异于“以卵击石”的事，真实结果却并不像游戏那样好玩了。

图：鸟撞事故的惨状

“鸟撞”目前已是世界性难题。根据国际航空协会统计，1912年以来，鸟撞至少导致63架民用航空器失事；军用飞行器速度快，鸟撞危害更为严重，1950年以来文献记载的严重事故超过353起，至少165人遇难。1992-2008年，我国军用飞机因鸟撞造成20起严重的飞行事故、58起飞行事故征候和210起飞行问题，导致18架飞机坠毁、12名飞行员牺牲。一次又一次机毁人亡的空难用“惨烈”、“血淋淋”的事实警示我们，飞机防鸟撞必须要列入人类科学研究的重大课题了。

科普：为什么飞机“怕”鸟撞？

为什么一只重量至多几公斤、飞行速度相对缓慢的小鸟，会对比它庞大得多的飞机造成如此大的伤害？我们所说的“鸟撞飞机”，实际上是“飞机撞鸟”，问题的根源就在于飞行器运行中的高速，而不是鸟类本身的质量。根据动量定理，一只0.45公斤的鸟与时速800公里的飞机相撞，会产生153公斤的冲击力；一只7公斤的大鸟撞在时速960公里的飞机上，冲击力将达到144吨，高速运动使鸟的破坏力达到惊人的程度，一只麻雀就足以撞毁降落时的飞机发动机。而鸟类的生物特性，决定了它以距离而非速度作为“是否飞走”的判断基准，但飞机的高速度让它还来不及反应，就变成了“凶手”和牺牲者。

西北工业大学李玉龙教授团队：独创“抗鸟撞”设计的新理念

面对频发的鸟撞飞机事故，目前普遍采用的解决办法是驱鸟，常用的有空气炮、录音驱鸟、猎杀、豢养猛禽、仿生航模驱鸟等。虽然主动驱鸟在很大程度上减少了鸟撞飞机事故的发生，但百密一疏，仍不能从根本上解决问题。除了驱鸟，第二种方法就是对飞机本身进行“抗鸟撞”设计。

在抗鸟撞飞机设计上，国际上通常采用两种理念。一种是“以硬碰硬”，通过改善飞机材料，以提升强度来应对鸟撞产生的巨大冲击力。但这种做法对材料的要求很高，既要重量轻又要强度高，会受到材料技术及成本的限制。二是采用吸能材料。如同海绵吸水，机体材料会吸附冲击力，保证飞机结构不受损失。这种做法目前在汽车上的应用非常普遍，但对于飞机上应用的研发和普及程度而言，也是件难事。

针对这一世界性难题，西北工业大学李玉龙教授团队创新性地提出了一种新的设计理念。其理念的核心就是“以疏导能量代替对抗能量”，“就像大禹治水，‘堵'是下下策，‘疏导'才是良方。”李玉龙教授形象地告诉记者。

事实上，正是从大禹“疏胜于堵”的理念获得启发，团队想到通过改善机身结构的办法来应对鸟撞，而不是单纯改变强度和材料。李教授是这么解释的：“鸟作为一个软体，在高速撞击的过程中，表现出的是一个液态的状态，就像水打在一个板子上一样，既然是这样的流体，那么我们就可以把它疏导的更合理。”

以尾翼为例，这里最需要保护的是主梁，因其背后附有重要的器件设备。李教授和团队在尾翼内置了一块三角形的蒙皮，用与活鸟同等质量的硅胶模块，以644km/h的速度进行冲击试验。当尾翼受到撞击，蒙皮变形成刀片一样的利器，将冲击物飞开，从而分散冲击产生的动能，保证机身完好。

图：尾翼的原始结构和加强结构比较

李教授三言两语，就让在场的非专业人士理解其原理。谁曾想这看似简单的原理背后，却是整个团队夜以继日、连续五六年的摸索。直到2000年左右，团队才终于提出“加强结构”（Optimize Structure）这个全新构型。接下来，又是一段漫长的验证过程。

“难就难在，一般情况下想不到这个角度。”李教授如是说。另一个难点在于，增加结构的同时，却不能改变机翼的原本重量，不然整个机身的气体动力学结构都会改变。这就需要在减少机翼其他部分重量的同时，提升强度。

功夫不负有心人。2015夏天，我校的“加强结构”已经通过了美国专利，今年就要拿到法国专利，而且这项技术已经应用到了很多军用、民用的飞机上，也取得非常好的效果。这里面就包括我们国家的大飞机C919。

图：尾翼原始结构和加强结构鸟撞试验效果对比

创新性打造精确、高效的“鸟撞”实验系统

“工欲善其事，必先利其器”。为了验证“加强结构”的合理性，十几年来，李教授团队投入大量的精力在试验和实践中。在与国内航空相关单位的合作中，团队研发出了抗鸟撞地面实验设备—抗鸟撞空气炮，适航精度能达到1.5%~2%（一般水平在3%），保证了炮弹发射精度准确。

图：抗鸟撞设备

更重要的是，不论抗鸟撞结构也好、炮弹也罢，都需要依靠严密的测试方法和设备，以及大量的实验数据。静态实验或许容易，但在冲击状态下，材料的结构属性，如屈服应力、流动应力、破坏应力等因素均会发生极大的变化。如何做材料动态力学性能测试，才是解决抗鸟撞问题的关键因素。这也正是李玉龙团队的另一张王牌：高变形速率、高温环境下的力学性能测试。目前，相关设备已出口美国、澳大利亚等国家。

据悉，“加强结构”已经在ARJ21-700飞机上进行了验证，目前尚处于适航要求的仿真实验阶段。一旦成功，将会为机身减去10.5kg的重量！今后，该结构将应用于C919大飞机的平尾结构。西工大的抗鸟撞研究，已成为全国航空界、力学界交口称赞的名牌领域。

李玉龙教授简介：

西北工业大学航空学院教授，博士生导师，Email：liyulong@nwpu.edu.cn

个人主页：点击此处进入

研究方向：

主要从事飞行器结构抗坠毁设计，飞行器结构抗离散源撞击设计、分析与试验验证，极端环境下先进材料及结构的力学行为及其优化设计等研究工作。

（资料来源：西北工业大学网站，由e科编辑整理）

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