人工鸟研究进展及在飞机结构抗鸟撞中的应用

刘小川， 王计真， 白春玉

(中国飞机强度研究所 冲击动力学航空科技重点实验室，西安 710065)

鸟撞是威胁飞行安全的重要因素，受到鸟撞等外来物威胁的飞机主要部位包括机头(含风挡、雷达罩)、机翼前缘结构(含襟缝翼)、尾翼前缘结构和发动机结构等[1]。近年来发生多起与鸟撞有关的重大航空事故，如2009年1月，美国航空公司的一架客机因为鸟撞导致双发失效，在哈德逊河水上迫降成功，所幸未造成造成重大伤亡；2019年8月，俄罗斯乌拉尔航空公司一架载有226名乘客和7名机组人员的客机因发动机撞鸟，在莫斯科郊区一块玉米地里迫降，导致23人受伤[2]。统计表明，从1990年到2014年的25年间，美国联邦航空管理局共接到156 114例动物撞击事件(主要为鸟撞)报告，造成258人死亡和245架飞机损毁[3]。中国民航统计表明，约90%的外物撞击事件与飞鸟相关，近50%的事故征候与鸟撞相关，平均2 000次飞行就会遭遇一次鸟撞事件[4]。

中国民航运输类飞机适航标准(CCAR 25部)第25.571条(e)“损伤容限(离散源)评定”中要求，在受到1.80 kg鸟以特定速度撞击后，飞机必须能够成功地完成该次飞行。第25.631条“鸟撞损伤”中要求，尾翼结构的设计必须保证飞机在与3.6 kg重的鸟相撞之后，仍能继续安全飞行和着陆[5]。中国民航发动机适航标准(CCAR 33部)第33.76条“吸鸟”对发动机的吸鸟试验要求和合格判据作了详细的规定[6]。

飞机结构鸟撞过程是一种包含材料非线性、结构大变形、失效破坏、接触和摩擦等诸多因素的复杂动力学过程。就目前技术水平而言，理论分析仅可用于初步评估，数值计算方法广泛使用，但可靠度有待进一步提升，鸟撞实验仍是验证结构抗鸟撞能力的最可靠手段[7]。工程中一般采用家禽模拟自然界的飞鸟，将制成标准形状的鸟弹使用空气炮以特定速度发射，撞击典型飞机结构。根据撞击后结构的变形、破坏等情况评估结构的抗鸟撞能力，并指导结构的抗鸟撞设计与改进。

家禽因个体差异导致制成的鸟弹存在一定分散性，特别是其密度差异会显著影响实验结果的重复性，同时其外形的非规则性使得实验中很难撞击到结构上特定的撞击点[8]。此外，外形上的差异也会直接影响撞击载荷幅值和时域特性，从而对撞击载荷产生直接影响。有学者基于真实鸟体测量，构建了较为复杂的鸟体模型，开展了考虑质量和外形特性的结构鸟撞特性研究，但这种研究仅对于评估上述因素对鸟撞响应的影响有积极意义，对于鸟撞验证标准化的意义有限[9]。

考虑家禽鸟的先天不足，相关研究机构逐步开展替代鸟体研究工作，通过开发替代鸟体，控制鸟体密度、外形和性能参数，提高鸟撞实验的可重复性，并降低实验成本[10-13]。国外学者利用牛肉、石蜡、泡沫、乳液、氯丁橡胶和明胶等材料制成多种替代鸟弹，通过与真实鸟撞击试验的对比研究，寻找最合适的人工鸟材料[14-17]。其中，Allcock等对比了蜡、木材、树脂泡沫和明胶等材料鸟弹的撞击响应，显示明胶鸟弹的冲击响应与真实鸟一致性最好。明胶鸟弹为多孔结构，呈现宏观各向同性，胶体中孔洞比例用于调控密度，明胶鸟高速撞击下呈现出流体动力特性，与真实鸟一致；此外，明胶人工鸟的外形简单、材料均匀、一致性好，也利用其实验结果验证了分析模型和分析方法[18]。

本文梳理了近年来国内外人工鸟体的研究进展和存在的问题。首先介绍了人工鸟弹的制备方法和制备流程，国内外诸多学者开展了明胶鸟弹的试验研究，通过不同场景的撞击对比试验，验证了明胶人工鸟弹与家禽鸟撞具有相似的撞击动响应。然后介绍了鸟体几何形状和尺寸选择，四种典型形状的鸟体撞击响应研究表明，长径比为2的鸟弹与家禽鸟具有更好的相似度。再次，梳理了人工鸟本构模型的研究进展和问题，针对不同撞击场景和速度，国内外学者采用不同本构形式描述其动力学行为，主要包括带失效模式的塑性动力学模型、弹塑性流体动力学本构模型和状态方程本构模型，介绍了识别本构参数的主要方法，并探讨了建立宽速域适用的统一鸟体本构的必要性。最后，介绍了人工鸟的工程应用，研究性实验中人工鸟体已获得大量应用，取得了良好的应用效果，给出了人工鸟制备工艺标准化和适航验证实验应用等方面的看法。

1 人工鸟的制备

为考核飞机结构抗鸟撞能力，欧美较早开展了鸟撞技术研究。早期主要使用家禽开展鸟撞试验。由于家禽鸟弹的重量、尺寸和性能个体差异明显，撞击结果分散性较大。为此，相关研究机构开始进行替代鸟体研究，期望找到一种性能与真实鸟类似，密度、外形和性能参数可控，且价格便宜的人工鸟制作材料，提高鸟撞实验的可重复性，并降低实验成本。

20世纪70年代，Wilbeck等最早提出了人工鸟的制备总体要求，包括撞击弹性结构时产生的撞击载荷应与真鸟一致，为了应用于实验和验证设计，要求撞击载荷的重复性好，并且制造容易且便宜。其研究表明，鸟撞过程呈现流体动力学特性，对比试验结果，认为明胶是一种更好的人工鸟材料。Lavoie等[19]公开了一种明胶人工鸟的制备工艺和相关配方。基本材料是明胶和水，明胶质量比为10%，使用羧甲基纤维素钠等作为调质材料，通过加温和搅拌等手段促进明胶、水等的复合，利用模具保证其人工鸟的外形，低温静置使得人工鸟具有一定强度。该工艺可将人工鸟密度控制在930～970 kg/m3之间。该制备工艺对后续其他学者开展人工鸟研究，起到了指导性作用，其制成的l.0 kg人工鸟如图1所示。

图1 制备完成的球端圆柱形人工鸟

国内方面，刘小川等[20]开展了1.8 kg人工鸟制备方法研究，并详细列出了工艺过程流程。具体如下：①将明胶粉倒入冷水中，稍微搅拌，将混合物均匀加热至45 ℃，使明胶粉充分溶解；②将明胶与水的混合液倒入搅拌器中，并放入羧甲基纤维素钠，充分搅拌；③向模具内倒入混合物，将模具放置到冷柜中，保持温度在4 ℃～8 ℃，24 h后脱模。其制作完成的鸟弹密度为953.7 kg/m3，重量为1.807 kg，密度和撞击响应行为均与真实鸟较为一致，其制作的人工鸟如图2所示。

图2 制备得到的1.8 kg明胶鸟体

此外，国内外其他学者，如李达诚等[21]、黄诚[22]、Frederik等[23-24]针对结构抗鸟撞评估需求，也进行人工鸟制备研究，工艺和流程均参考了Lavoie的制备方法，并进行了相关改进。其制作的人工鸟弹分别如图3～图5所示。

图3 80 mm×40 mm明胶人工鸟体(李达诚)

图4 50 mm×40 mm明胶人工鸟(黄诚)

图5 放入弹托的1.8 kg人工鸟(Allaeys)

总体来说，Wilbeck在人工鸟的研制理念和制备方法方法方面，做出了开创性成果。其提出的采用明胶材料的人工鸟的工艺方法，得到业界普遍认可和采用。采用明胶制作人工鸟以替代真实鸟成为业界共识，并已广泛应用于结构抗鸟撞研究。国内外其他相关研究单位和学者，采用的制作工艺和配方均继承了Wilbeck的工艺，并在实际使用过程中进行了改进和完善，以使人工鸟的冲击动力学响应行为更接近于真实鸟。

但不可否认的是，制作工艺和材料配方对人工鸟性能有较大影响；出于保密原因，制作工艺和材料配方各家均有所保留，因而各家单位制作的明胶人工鸟弹性能差异显著。以笔者所在单位为例，在人工鸟制备工艺方面进行了长达十多年的探索和改进，通过对材料组分、添加剂选型和含量以及时间、温度控制等工艺参数不断优化调整，才研制出密度和力学行为均与真实鸟较为相近的人工鸟弹。

2 人工鸟的验证

自人工鸟研制成功以来，国内外诸多学者认识到明胶人工鸟替代真实鸟在结构抗鸟撞中的潜在应用价值，并投入大量精力进行了人工鸟和自然鸟的动力学行为一致性对比分析和试验验证。

Wilbeck等在完成人工鸟制备的基础上，率先将明胶鸟弹、橡胶鸟弹和真实鸟弹撞击响应开展了对比试验，以验证明胶人工鸟替代真实鸟的合理性。如图6所示，为多种工况下人工鸟、真实鸟撞击载荷试验结果(以冲击压强Ph表示)。从图中可看出，明胶人工鸟弹的撞击载荷与家禽鸟弹基本一致，峰值压强和平台压强与实验结果均较为接近，尤其是当速度高于150 m/s后，两者冲击载荷误差小于8%；相较而言，橡胶鸟弹的峰值冲击压力与家禽鸟弹有较大的误差，表明了采用橡胶制备人工鸟弹的不适用性。

图6 两种人工鸟的冲击压力对比

此外，Steve等[25]在F35B飞机升力风扇罩的抗鸟撞能力验证中，使用2l磅的真实鸟弹和人工鸟弹进行了撞击对比试验，人工鸟和真鸟撞击后，结构变形模式和失效行为几乎一致，也表明了人工鸟在鸟撞验证方面的适用性，如图 7所示。

图7 F35B飞机升力风扇罩鸟撞试验

Frederik等则研究了不同质量、速度、被撞物工况下，人工鸟弹与真实鸟弹的撞击载荷和动量传递特性。如图8所示，为三种不同明胶和水的混合比(1∶4、1∶6和1∶9)的人工鸟，以及两种真实鸟(鸭子和鸽子)，撞击不同刚性靶(劈尖、楔体和平板)的撞击载荷试验结果，可看出针对不同被撞物和不同撞击动量，人工鸟与真实鸟撞击产生的载荷落在密集区域，表现出良好的一致性，但是针对撞击楔体的撞击结果差异性略大，原因未给出。

图8 人工鸟弹与自然鸟弹试验撞击结果对比

刘小川等在成功制备人工鸟的基础上，利用12 mm厚的铝板，进行了3次真实鸟弹撞击和1次仿真鸟弹撞击的对比试验。其通过撞击动态过程、应变响应和残余变形等数据，研究真实鸟和仿真鸟的差异性。结果表明，仿真鸟弹与真实鸟弹的动态变形模式以及结构动态应变响应时间历程基本一致，结构动态应变响应峰值误差仅为3.2%，而结构残余变形相差仅为8.7%，证明了其研制仿真鸟弹可以在结构抗鸟撞试验研究中替代真实鸟弹。图 9所示为两种鸟弹的撞击破碎过程，图 10所示为两种鸟弹撞击铝板上典型点的应变响应。

图9 撞击试验件1.45 ms后变形对比

图10 典型测点仿真鸟与真鸟应变时间历程

此外，单斌等[26]开展人工鸟弹和真实鸟弹(鸡肉)的对标撞击试验，并给出刚性靶板撞击压力-时间曲线和撞击过程图像。结果表明二者压力峰值接近，仅相差5%；并表明由于真实鸟肌肉的黏连特性，人工鸟的恒定流动阶段更为稳定。

通过以上论述和分析表明，大量对比试验证明了采用明胶制备的人工鸟与家禽鸟在撞击过程具有较好的一致性，两者撞击均呈现相似的流变特性，而且撞击载荷、应变、结构变形等的响应结构的误差均在可接受范围内，较为充分地验证了采用人工鸟代替真实鸟开展撞击试验的可行性。

3 人工鸟的形状与尺寸选择

国际鸟撞联合会进行了大量的鸟体测量学研究，认为鸟体的横截面半径与躯干长度近似为1∶2，且近似为旋成体，认为可用四种简单几何体近似描述飞鸟或家禽，分别为圆柱体、椭球体、球端圆柱以及球体，如图11所示。

图11 简化的鸟体形状

鸟体密度与鸟的种类、大小有直接关系，且受到羽毛的厚度、空腔的大小、骨骼与肌肉的比例等影响。一般来说质量越大的鸟其相对密度越低，不考虑羽毛的影响时，鸟体重量与密度的统计关系可以表达为

ρ=-0.063lg(m)+1.146

(1)

计算可得到飞机结构鸟撞研究中常用的1.8 kg鸟体的标称密度为943 kg/m3，3.6 kg鸟体的标称密度为923 kg/m3。结合鸟体重量要求和标称密度，即可给出不同形状鸟体的几何参数。如表1所示，列出了常用1.8 kg鸟体的几何尺寸。

表1 不同形状鸟体的特征尺寸

鸟体形状影响鸟体质量分布和撞击方向上的投影面积，进而可能对撞击过程中的结构变形和动态响应造成影响。Kalam等[27]采用SPH方法研究了4种形状鸟体撞击刚性铝板时的动态响应，鸟体重量1.8 kg，标称密度为900 kg/m3，撞击速度为116 m/s。将数值计算得到的撞击压力与理论分析进行对比，如表2所示可看出，鸟体外形对撞击响应有着明显影响，球端圆柱和椭球体的简化鸟体分析结果与理论值较为接近，小于5%；而平头圆柱、球体的结果与理论值误差可达40%。

表2 鸟体形状对撞击压力的影响

Meguid等[28]研究了三种典型形状鸟体，分别是圆柱、椭球和球头圆柱研究其撞击刚性靶板和发动机叶片时的动态响应差别，以确定一种更具有代表性的鸟体形状。计算表明，鸟体和撞击对象之间的接触面积差异对撞击响应有着显著的影响，圆柱鸟体撞击产生的载荷最大，而椭球型鸟体撞击后产生了两个典型的载荷峰值；鸟体的长径比对响应的影响较小。三种鸟体的归一化冲击载荷曲线如图12所示，三种不同长径比的球头圆柱人工鸟弹撞击归一化载荷曲线如图13所示。

图12 鸟体形状对撞击归一化撞击压力的影响

图13 鸟体长径比对归一化对撞击压力的影响

朱书华等[29]针对平头圆柱鸟弹和球头圆柱鸟弹，开展了鸟撞风挡玻璃数值分析,并于真鸟撞击实验进行了对比。结果用两种形状计算得到的应变曲线的变化趋势与试验结果都基本相符。但当飞机水平与鸟相撞时，用平头鸟弹计算得到的风挡应变值，小于用球头圆柱鸟弹计算得到的风挡应变值，用球头圆柱鸟弹计算所得的结果与试验结果更加吻合。其认为原因在于，气炮打出的鸟弹在高速气流作用下，前端变成半球形，用绳包扎的后端接头也类似半球形。鸟弹作用到风挡时,其形状更接近球头圆柱形状。

此外，Liu等[30]和Rade等[31]也针对不同形状的人工鸟开展了对比研究，通过对比动态破坏过程和撞击载荷等参数，结果均表明球头圆柱形鸟弹与试验结果有更好的一致性，与Meguid的结论类似，不再赘述。

通过以上分析表明，人工鸟弹的形状和尺寸对撞击过程和撞击响应均有一定影响，相关学者开展了不同形状、不同尺寸的人工鸟撞击对比分析或试验，以寻找一种最适合替代真实鸟的人工鸟外形。结果均表明，采用球头圆柱形人工鸟弹进行鸟撞分析与试验，与真实鸟具有更好一致性，这也是当前球头圆柱人工鸟弹更多应用于飞机结构抗鸟撞的原因。

4 人工鸟的本构

鸟体本构模型及相关参数是开展鸟撞数值仿真的基础，当前国内外在鸟体材料参数的优化识别工作中已经有了一定的积累，特别是参数识别的方法研究已经较为完善，为提高结构抗鸟撞分析与损伤评估的可靠性提供了支撑。

4.1 人工鸟的本构模型

真实鸟体主要由血、肉和骨骼构成，本构模型很难精准描述。由于明胶鸟弹冲击动态力学行为与真鸟基本一致，在数值分析时一般使用相同的本构模型和相似本构参数。总体来说，目前被广泛使用的鸟体本构模型主要分为三种[32-33]：①带失效模式的塑性动力学模型；②弹塑性流体动力学本构模型；③状态方程本构模型，三种本构模型见式(2)～式(4)。早期鸟撞数值计算，大多采用线弹性模型，以降低计算成本和提高计算效率，但该模型相对误差较大，动态行为与鸟撞试验结果有较大差距。带失效模式的弹塑性模型可以较好地模拟鸟体动态失效过程，常用失效准则有剪切失效和拉伸失效两种，但有学者强调，由于没有考虑真实鸟体的流变响应，这种简化方式有明显的局限性[34]，仅适用于低速鸟撞分析。目前高速鸟撞分析，普遍采用状态方程定义鸟体压力-体积的变化关系，将碰撞过程中近似描述成流体冲击固体结构。

(1) 弹塑性本构模型

σy=σs+Epεp

(2)

式中：σy为塑性应力；σs为屈服强度应力；Ep为切线模量；εp为塑性应变。鸟弹失效采用最大塑性应变失效准则。

(2) 弹塑性流体动力学本构模型：

低压鸟体用弹塑性本构描述，高压采用流体动力学本构描述。

p=C0+C1μ+C2μ2+C3μ3+(C4+C5μ+C6μ2)E0

(3)

式中：μ=ρ/ρ0-1，ρ和ρ0为鸟弹材料的现时密度和初始密度；C0～C6为材料常数；E0为鸟弹初始内能。

(3) Murnaghan状态方程本构模型

p=p0+B[(ρ/ρ0)γ-1]

(4)

式中：p和p0分别为鸟体现时压强和初始压强；B和γ为鸟体材料常数。

4.2 人工鸟本构参数识别

对于人工鸟弹(或真实鸟弹)，除密度可通过承重直接获取外，其余鸟体参数均未知；鸟体自身呈现软质特性，通过材料试验得到其力学参数较为困难。在明确鸟体冲击动力学行为和本构模型基础上，基于鸟撞试验数据辨识鸟体本构参数成为一种新的有效手段。

鸟体本构参数辨识首先针对真实鸟开展，由王富生等[35-36]提出。其基于鸟撞平板试验数据，选用弹塑性动力学本构描述鸟体动态失效行为，以试验值与计算结果相对误差的平方和最小为优化目标，准确识别了两个主要本构参数，为精确分析鸟撞飞机风挡响应提供了支撑。该方法改变了以往凭经验估计和手动试凑的手段，提高了鸟体本构识别精度和效率。

此外，其他学者在该领域可开展了卓有成效的拓展研究。张永康[37-38]基于非线性最小二乘法、外点罚函数法和改进BP神经网络模型，将参数辨识问题转化为无约束非线性最优化问题，给出了一种鸟体参数识别优化方法。刘军等将PAM-CRASH集成到iSIGHT中，给出鸟体本构材料参数的识别方法，针对三种鸟体本构模型识别得到了三套参数，并利用鸟体撞击铝板算例对本构模型和识别参数的准确性进行了验证。罗军等[39]利用Hyper Study 多学科优化平台，针对敏感参数进行多目标优化，实现了更为精确的鸟体材料参数识别优化。孟卓等[40]将并行优化技术引入鸟体材料参数辨识，针对多组鸟撞试验工况构造并行优化识别模型，识别得到了适用不同撞击速度的鸟体本构参数。

随着人工鸟在鸟撞试验和评估中的广泛应用，针对人工鸟，也有学者开展了本构参数辨识研究。刘小川等[41]采用Murnaghan状态方程描述人工鸟高速撞击行为，推导了待优化参数的取值范围；采用广义梯度下降方法，以撞击点法向变形为优化目标，开展了人工鸟体本构参数识别，并根据人工鸟撞击铝板试验应变数据，验证了本构参数的可靠性。其优化流程如图14所示；采用优化后的分析模型进行分析，并与试验结果进行了对比，如图15所示，可看出撞击点的变形误差很小，在3%以内，曲线时间历程也具有良好的一致性；而撞击载荷误差略大，作者认为和鸟撞分析力传感器建模不准有关。

图14 鸟体本构参数优化流程图

图15 参数优化后的撞击分析与试验数据的对比

此外，单斌等采用鸟撞刚性靶试验，基于ANSYS/LS-DYNA进行鸟撞建模，在MATLAB软件中进行遗传算法和软件调用，实现了鸟体材料参数自动识别优化。冯振宇等[42]同样根据人工鸟撞击传感器试验数据，针对含失效的弹塑性本构模型和状态方程，识别了鸟体本构参数，此外其研究还表明识别的鸟体参数不具有普适性，不同速度和质量的人工鸟需采用不同的本构参数。

总体而言，当前鸟体本构参数辨识优化以本构模型确定为前提，基于适当优化算法，对标结果试验结果寻找最优化本构参数，基本流程如图16所示。

图16 鸟体本构识别流程

当前鸟体本构模型已得到较为充分的研究，仍有问题需要解决，目前提出的鸟体本构本构模型均在一定撞击速度范围适用，识别参数也不具有普遍适用性。

刘军等指出：当鸟撞速度低于70 m/s时，宜采用弹塑性本构；速度在120 m/s左右时，采用弹塑性流体动力学本构；速度大于170 m/s时，可采用状态方程描述。上述针对不同撞击速度采用不同本构的方法，对提高鸟撞分析精度有重要意义，但仍存在改进之处。如，对于速度区间过渡区域的撞击动态过程，现有本构模型较难准确描述。笔者多年研究表明，高速鸟撞分析即使不进行本构参数识别，采用状态方程并赋值水的参数，也可给出较为满意的结果。而中低速鸟撞准确分析较为困难，其一，本构辨识参数只针对特定结构特定撞击速度有效，其二，针对不同撞击速度采用不同本构模型为一种权宜之策，鸟撞过程鸟体速度连续变化，不存在固定的速度区间，撞击速度实质反应了材料的率相关特性，鸟体应变率与被撞结构刚度特性强烈耦合，撞击速度并不是鸟撞过程鸟体材料的应变率特性和动态破坏过程的唯一考量因素。

笔者认为，根本原因在于，当前研究尚未完全揭示鸟体撞击失效机制，尤其是中低速阶段，仅能简化为弹塑性模型，失效判据则采用简化为最大应变失效或剪切失效。因而，仍需要在深入研究鸟体动态破碎特性，结合现有鸟体本构模型，提出一种适用更宽速度范围的普适性鸟体本构模型及本构参数。

5 人工鸟的应用

5.1 针对人工鸟的标准要求

当前鸟撞相关的适航要求和标准大都针对家禽等真实鸟，但也有部分试验采用人工鸟实施。

以我国相关民用飞机和发动机适航为例，《民用飞机结构抗鸟撞设计与试验通用要求》(HB 7084—2014)[43]规定了民用飞机结构抗鸟撞设计一般要求、抗鸟撞能力分析要求、验证试验要求及技术文件等通用技术要求。其要求在结构抗鸟撞实验中一般使用家禽鸟弹，也可以在试验中使用人工鸟弹，建议使用中使用10%的明胶鸟体作为鸟弹。中国民航发动机适航标准(CCAR 33部)第33.76条“吸鸟”中，规定了发动机鸟撞试验的要求和合格判据，提出可以使用人工鸟体代替真实鸟进行鸟撞试验。《航空发动机吞鸟试验要求》(GJB 3727—1999)[44]规定了航空发动机吞鸟试验技术要求和试验方法。标准对吞鸟试验的鸟重和鸟数作了要求，提出应尽量使用自然鸟，必要时中鸟和大鸟允许使用家禽或人造鸟代替。使用人工鸟开展吞鸟试验时，推荐使用20%的明胶和80%的水制备的鸟体。

从实际应用情况来说，虽然相关要求和标准接受人工鸟进行试验验证，但目前几乎所有的相关适航试验还是采用真实鸟开展。

5.2 在鸟撞实验研究中的应用

人工鸟首先应用在发动机叶片的抗鸟撞设计评估种得到应用。20世纪80年代，Bertke[45]使用人工鸟弹，系统开展了发动机叶片抗鸟撞试验研究，其使用85 g和680 g两种质量鸟弹，分别模拟小鸟和大鸟，从不同叶片尺寸、不同撞击角度、不同状态(静止或旋转)等维度进行了鸟撞试验规划，并记录应变和损伤数据，用于研究叶片鸟撞响应和损伤情况。

国内，刘洋等[46]和张海洋等[47]也开展了基于人工鸟的发动机叶片外物损伤试验研究，为支撑我国航空发动机的国产化起到了一定作用。刘洋侧重于研究静止叶片，通过多工况的鸟撞试验，分析了鸟弹质量、鸟弹速度、鸟弹姿态等关键参量对发动机叶片鸟撞实验的影响。张海洋等则针对旋转状态下的发动机叶片，开展鸟撞损伤分析和试验研究，试验中使用的明胶人工鸟质量为280 g，鸟撞速度为103 m/s。结果表明，鸟撞击风扇主要过程为叶片前缘撞击切割鸟体，主要损伤为风扇叶片前缘变形、撕裂、掉块和凸肩工作面错位、掉块，风扇叶片抗鸟撞击的薄弱部位为风扇叶片前缘和凸肩工作面。刘洋和张海洋得到的结构鸟撞变形或损伤情况分别如图17和图18示。

图17 人工鸟弹撞击叶片高速摄像结果

图18 发动机叶片撞击后损伤情况

人工鸟在机身结构抗鸟撞研究中同样得到了广泛应用。Michele等为验证设计的FML材料机翼前缘的抗鸟撞性能，使用3.63 kg人工鸟以129 m/s初始速度开展鸟撞击试验和数值仿真，撞后结构出现严重变形，但未穿透破坏，如图19所示，表明该结构设计满足鸟撞安全性验证要求。Guida[48]等、McCarthy[49]等和Heimbs[50]等，也针对金属、复合材料或者FML材料制成的机翼前缘结构，采用人工鸟进行了结构抗鸟撞试验研究，不再赘述。

图19 结构鸟撞变形对比

此外，人工鸟同样在其他各类机身结构抗鸟撞试验研究中得到应用，如机翼可动后缘、风挡玻璃、雷达罩等。如，Steve等[51]在Boeing 787飞机机翼复合材料可动后缘结构的鸟撞适航验证中，也采用了人工鸟。Diamantakos等[52]则采用研究了复合材料加筋壁板的抗鸟撞问题。

以上学者研究表明，当前人工鸟已经广泛应用于各类飞机结构的抗鸟撞研究中，包括发动机叶片、金属或复材机翼前后缘等，对结构抗鸟撞设计评估起到重要支撑作用，并取得了良好的应用效果。

不可否认的是，目前人工鸟仅应用于研究性试验以及分析模型可靠性验证，并未被广泛应用于结构的鸟撞适航符合性验证试验。笔者认为，主要问题在于，目前人工鸟的制备工艺没有标准化，导致不同机构、同一机构不同人员制作的人工鸟力学性能均有差异，降低了验证试验可信度和一致性。

6 结 论

(1) 实验结果表明，采用明胶制备的人工鸟与真实鸟具有较为一致的冲击动力学行为，高速撞击过程，采用球头圆柱的人工鸟弹与真实鸟呈现相似的流体动力学特性，撞击载荷、结构变形和应变结果误差较小。

(2) 10%孔隙度的明胶体动态撞击特性与真实鸟体的相似度最高。各研究和试验机构采用人工鸟制备工艺虽基本一致，但人工鸟的力学性能却有较大差异，原因在于其具体制备流程控制和添加剂有所差异。

(3) 根据冲击速度的不同，鸟撞分析可以用弹塑性本构、弹塑性流体动力学本构或状态方程描述，本构模型参数可以基于结构撞击实验结果，通过优化算法反演获得；针对宽速度范围适用的统一本构模型和本构参数有待建立。

(4) 在应用方面，飞机和发动机相关鸟撞实验标准中均提出可以使用人工鸟模拟鸟体，并取得了较好的应用效果，但仅限于研究性实验；由于人工鸟制备工艺尚未标准化，结构抗鸟撞能力的适航验证，目前只能采用家禽等真实鸟，不接受人工鸟。

(5) 人工鸟由于环境友好性、材料工艺可控等优势，撞击试验结果的分散性更小，更适合用于结构抗鸟撞适航验证试验。人工鸟与真实鸟一致的撞击动力学行为已得到试验证实，待其工艺标准化和更充分的撞击验证后，很有可能更大程度或完全替代真实鸟进行结构抗鸟撞的研究与适航验证。