為什么航空發(fā)動機(jī)要做吸鳥試驗(yàn)？

提起航空發(fā)動機(jī)，人們往往會關(guān)注它有多大的推力、飛得有多快、排放有多低。事實(shí)上，對于民用航空發(fā)動機(jī)來說，還有一個同樣重要的指標(biāo)——安全性。

在正式投入使用前，一臺民用航空發(fā)動機(jī)需要經(jīng)歷大量嚴(yán)格的適航驗(yàn)證。其中有一項(xiàng)聽起來有些特別的試驗(yàn)，叫做“吸鳥試驗(yàn)”。顧名思義，就是驗(yàn)證發(fā)動機(jī)在吸入鳥類后能否保持安全狀態(tài)。那么，為什么要進(jìn)行這樣的試驗(yàn)？這項(xiàng)試驗(yàn)又有多嚴(yán)格呢？

飛行環(huán)境中的真實(shí)考驗(yàn)

飛機(jī)在起飛和降落階段，需要穿過鳥類活動較為頻繁的空域。雖然機(jī)場會采取驅(qū)鳥措施，但從適航安全角度出發(fā)，發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)必須充分考慮各種可能出現(xiàn)的運(yùn)行環(huán)境。

因此，中國民航局發(fā)布的《航空發(fā)動機(jī)適航規(guī)定》（CCAR-33）明確要求，發(fā)動機(jī)必須具備應(yīng)對鳥類吸入的能力，并通過嚴(yán)格驗(yàn)證后才能獲得適航批準(zhǔn)，以確保能夠適應(yīng)復(fù)雜的自然環(huán)境。

一只鳥為何能成為試驗(yàn)對象？

很多人會覺得，小鳥身體柔軟，為什么還要專門開展試驗(yàn)？

在起飛爬升和進(jìn)場著陸階段，這正是飛鳥活動最頻繁的空域。在起飛時，渦扇發(fā)動機(jī)的風(fēng)扇葉片每分鐘上千轉(zhuǎn)。當(dāng)鳥撞擊高速旋轉(zhuǎn)葉片時，會在微秒級時間內(nèi)經(jīng)歷從固態(tài)到流態(tài)的劇烈變化，巨大的動能瞬間釋放，形成強(qiáng)沖擊波與流體靜壓，對葉片產(chǎn)生復(fù)雜的彎矩、扭轉(zhuǎn)和剪切應(yīng)力。這種瞬態(tài)的流固耦合沖擊極易導(dǎo)致葉片前緣撕裂、斷裂，造成轉(zhuǎn)子不平衡、推力損失和沖擊載荷。

因此，吸鳥是對發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、氣動性能和安全設(shè)計(jì)的綜合考驗(yàn)。吸鳥能力已經(jīng)成為衡量民用航空發(fā)動機(jī)安全水平的重要指標(biāo)之一。

吸鳥試驗(yàn)到底有多嚴(yán)格？

試驗(yàn)并不是簡單地把鳥體投入發(fā)動機(jī)，而是在嚴(yán)格控制條件下進(jìn)行。試驗(yàn)前，發(fā)動機(jī)需要穩(wěn)定工作在最大起飛狀態(tài)。隨后，通過空氣炮等設(shè)備將符合要求的禽類或經(jīng)認(rèn)可的替代物以規(guī)定速度射向發(fā)動機(jī)。試驗(yàn)時需要精確控制鳥彈的重量、數(shù)量、撞擊位置、發(fā)射時間。這些參數(shù)都依據(jù)適航規(guī)章確定。

按照CCAR-33要求，發(fā)動機(jī)需要針對不同情況開展驗(yàn)證，包括吸入不同大小、不同數(shù)量鳥的情況。根據(jù)條款要求，發(fā)動機(jī)尺寸越大，驗(yàn)證所需吸入的鳥的質(zhì)量通常也越大、數(shù)量也越多。隨著發(fā)動機(jī)進(jìn)氣道喉道面積的增大，吸入大鳥的質(zhì)量從1.85kg逐步增加至3.65kg。吸入中型群鳥的數(shù)量和質(zhì)量從一只0.35g鳥逐步增加至4只1.15kg鳥。

CCAR-33要求，大鳥試驗(yàn)的鳥體速度需要達(dá)到約370千米每小時。大多數(shù)傳統(tǒng)大涵道比渦扇發(fā)動機(jī)吸鳥的最惡劣臨界速度范圍在280~410千米每小時，370千米每小時正處于這個高損傷區(qū)間的典型代表值，能夠有效覆蓋并驗(yàn)證發(fā)動機(jī)在最嚴(yán)苛的物理耦合損傷下的安全性。

吸入鳥之后，發(fā)動機(jī)還能工作嗎？

這是很多人最關(guān)心的問題。實(shí)際上，適航驗(yàn)證關(guān)注的核心并不是發(fā)動機(jī)是否“毫發(fā)無損”，而是在吸鳥后是否仍然保持安全、可控狀態(tài)。

對于大鳥吸入試驗(yàn)，規(guī)章要求吸鳥后15秒內(nèi)不得移動推力桿，發(fā)動機(jī)能安全停車。發(fā)動機(jī)不得出現(xiàn)危及飛行安全的失效情況。例如發(fā)動機(jī)非包容性解體、產(chǎn)生有毒物質(zhì)污染客艙引氣、不可控火情、完全失去發(fā)動機(jī)停車能力以及可能危及飛機(jī)安全的結(jié)構(gòu)破壞等。

現(xiàn)實(shí)飛行中，飛機(jī)遭遇鳥群的概率也較高，鳥群同時威脅航空器的多個發(fā)動機(jī)。因此，適航規(guī)章專門設(shè)置了群鳥吸入驗(yàn)證，并要求吸入群鳥后，發(fā)動機(jī)應(yīng)保持一定的推力和可操縱性。在試驗(yàn)中，需要發(fā)動機(jī)在1秒時間內(nèi)連續(xù)吸入指定數(shù)量的鳥彈，以模擬真實(shí)遭遇鳥群的情況。吸鳥后發(fā)動機(jī)還需要按照規(guī)定的試車程序進(jìn)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)驗(yàn)證，模擬吸鳥后的繼續(xù)起飛、爬升、進(jìn)近、復(fù)飛和降落的過程。驗(yàn)證發(fā)動機(jī)吸鳥后的推力水平和可操縱性符合規(guī)章要求。

一項(xiàng)試驗(yàn)背后的技術(shù)實(shí)力

對于民用航空發(fā)動機(jī)來說，能夠在各種極端工況下保障飛行安全尤為重要。吸鳥試驗(yàn)不僅是一項(xiàng)適航驗(yàn)證項(xiàng)目，更體現(xiàn)了航空發(fā)動機(jī)研制的復(fù)雜程度和技術(shù)水平。吸鳥試驗(yàn)背后卻涉及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)、鳥撞動力學(xué)分析、氣動匹配優(yōu)化、材料技術(shù)以及整機(jī)驗(yàn)證等多個專業(yè)領(lǐng)域。為了通過一次適航試驗(yàn)，研發(fā)人員往往需要開展大量計(jì)算分析和地面驗(yàn)證工作。

當(dāng)一臺發(fā)動機(jī)能夠通過這些嚴(yán)苛考驗(yàn)時，意味著它已經(jīng)具備了在復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境中保障飛行安全的能力。而這，也正是現(xiàn)代民航安全運(yùn)行的重要基礎(chǔ)。

文字：李澤林

校對：聶帥齊

責(zé)編：李澤林

核稿：焦靜波

本文轉(zhuǎn)載自公眾微信號：中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)

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