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为什么飞机怕鸟撞

号外号外!业内人士爆料了!飞机设计、生产黑幕大起底,机翼机身采用中空材料,薄的像一样!连鸟都撞不过,一撞就废了!发动机更是黑,连绞肉机都比不过!每分钟三万转的发动机,被鸟撞进去直接爆炸!看看被小鸟撞烂的机头,是不是只有薄薄一层壳,里面都是空的

以上是我们本科时经常开玩笑的梗,尤其是学飞行器的同学和学发动机的同学对黑的时候。其实还真是这么个道理,几十吨甚至上百吨的飞机,被一斤来重的小家雀一撞,或许就同归于尽了。说到底,还是因为相对速度

相对速度这个概念很好理解,比如一辆车以80km/h的速度亲上了静止的高速的护栏,那么护栏相对车的速度和车相对护栏的速度都是80km/h。换句话说,鸟飞的速度很慢,可能只有每小时三五十公里,但架不住飞机飞得快呀!如果按照上文的说法,飞机撞鸟可以理解成,静止不动的飞机被九百公里每小时的鸟(形导弹)击中。即便是血肉之躯,在撞击的瞬间的冲量也是很大的。而根据冲量定理,

F=mΔv/Δt

其中F就是鸟对飞机的冲击力,m是鸟的质量,Δv是鸟的速度改变量,即从一开始的高速撞向飞机到撞击完成后相对速度为零的速度变化值,大概是八九百公里每小时;Δt是撞击(鸟从三维变成二维)的持续时间,也可以理解为飞机飞行鸟的身体长度所需的时间,大概在毫秒的量级。粗略估算一下,一只0.45公斤的小鸟如果以时速800公里的飞机相撞,可对飞机造成153公斤的冲击力。7公斤的大鸟与时速960公里的飞机相撞,产生的冲击力高达144吨。如此惊人的数据表明,鸟击对高速飞行的飞机破坏力之大,一只小家雀就可以撞毁飞机的发动机。

至于飞机为什么用这么薄的壳,说白了还是为了省钱。飞机每增加一克,飞一次长途的燃油消耗都要成比例增加,所以我们只好尽可能地在满足一切强度和刚度约束的条件下减轻飞机的重量。飞机的外壳主要是为了维持飞机的气动外形,起到增升减阻的效果,即增加飞机的升力降低飞机的阻力。因此,在我们设计外壳时,只要保证气动载荷作用下满足要求即可。而如上文所说,如果每个部位的外壳的厚度都要按照鸟撞的最大冲击力去设计,而这个冲击力又是当地气动载荷的数百倍之多,那设计难度不亚于让一辆坦克飞起来

除了撞击造成的气动力变化(由于出现凹坑,不再是光滑的流线,局部的气动干扰和分离会增大,阻力大大提高而升力大大降低),一些关键的部位更是视鸟撞如天敌:

比如风挡,也就是驾驶室的挡风玻璃,如果被鸟撞坏,可能会危及驾驶员的操作。

比如发动机,为了最大的气动效率,其叶片设计十分精妙,而且每个叶片本身的机械强度再高也挡不住每秒五百转的高速旋转速度呀,一只鸟一个硬币一颗石子扔进去都能直接导致叶片断裂、爆炸起火。

比如机翼内的燃油管路液压油管路电传操纵系统,飞机是极为精密的集成系统,每一部分的失灵都有可能会导致机毁人亡。

当然,大家也不用过多担心,每一架飞机在设计时都充分考虑了最严苛(倒霉)的鸟撞情况,并且关键部位都经过了鸟撞实验,在最大程度上确保每一位旅客的人身安全。

在西工大冲击动力学试验室,陈列着大小不同的机翼鸟撞后试验件,试验室最大的高速气炮管长10米,内径150毫米,还有试验台和靶架、数据采集器、超动态应变放大器、高速摄像机等设备。做鸟撞试验时,用气炮发射明胶弹体(模拟鸟体)冲击试验件。将试验件安装在靶架上,用气压控制速度,模拟飞行被鸟撞上时的状况。试验时需要测试弹体速度,记录撞击时的应变、位移等数据,并对试验过程进行高速摄像,“试验时弹体速度精确度要求在正负3%,而我们实际控制在1%左右。”试验室汤忠斌博士说。这样的试验室全国高校仅此一家。

在C919部件鸟撞试验中,采用现杀活鸡代替真鸟进行试验,考虑生物污染大,不宜在校园进行,部分试验会放在西工大铁锚实验室进行。试验也不是一帆风顺的,2014年7月,在西工大铁锚实验室做实验时,鸟弹都上膛了,正给空气炮充气时,遭遇雷击,造成数据采集器板卡烧毁,试验被迫延迟一个月。

虽然用活鸡做实验有些残忍,但为了保障乘客的安全……让我们坐飞机前为它们默哀一分钟……

就算是发动机被鸟撞着火,飞行员还可以完全切断这台发动机的燃油供应,采用一台发动机顺利着陆。两台发动机的设计本身就是带有冗余备份的。当然,要是两台发动机都被撞了……这个概率比外星人入侵地球或者猴子敲出一部莎士比亚全集的概率还低。

鸟来找我们的飞机相会咱们控制不了,但是大家还是能做好一件事来减少此类事故的发生:不在机场附近使用固定翼、四旋翼等小型飞行器。一旦这些小东西跟准备起降的飞机撞了,后果也是不堪设想,而操作者还可能会背负数十条人命的血债。