Keeping Birds Out of Jet Engines
Abstract
The inexorable growth of worldwide air travel has escalated bird and aircraft incidents, and all along engineers have been striving to ensure the safety of crew and passengers in the event of a bird collision. Higher-speed jet propulsion itself has also greatly increased the seriousness of bird strike damage, giving birds less time to avoid an approaching aircraft, with the resulting higher-speed impact causing much greater damage to both the craft and the birds. Here, Langston discusses the approaches that the civil aviation community has taken to minimize the occurrence, or the effect, of jet-engine bird ingestion.
Keywords:birds,jet engines,bird ingestion,damage,risk
Main body
Failure testing and feather studies combine to keep air travelers safe.
Airplanes and birds have been running into one another since the earliest days of powered flight.
After their historic first powered flight on December 17, 1903, at Kitty Hawk, North Carolina, Orville and Wilbur Wright continued their testing and training flights over Huffman Prairie in Dayton, Ohio. On September 7,1905, Wilbur was piloting and recorded that he had tangled with a flock of birds (probably red-winged blackbirds), killing one, but with no ill effects on pilot or plane.
The earliest fatal airplane crash attributed to a bird strike took place seven years later, on April 3, 1912. Calbraith (Cal) Perry Rodgers, piloting a Wright Flyer over Long Beach, California, ran into a flock of seagulls, crashed the biplane into the surf, and was killed.
The inexorable growth of worldwide air travel has escalated bird and aircraft incidents, and all along engineers have been striving to ensure the safety of crew and passengers in the event of a bird collision. Higher-speed jet propulsion itself has also greatly increased the seriousness of bird strike damage, giving birds less time to avoid an approaching aircraft, with the resulting higher-speed impact causing much greater damage to both the craft and the birds.
Bird Ingestion Engine Damage
As aircraft manufacturer Boeing pointed out in a 2011 publication, bird strikes occur at various wing and fuselage locations but they usually inflict most damage to the jet engines, composed as they are of intricate high-speed rotating parts. Airplane damage and the effect on flight from bird strikes are closely correlated with kinetic energy derived from the mass (determined by the bird species) and the velocity squared. (A 20 percent increase in speed raises the kinetic energy by 44 percent.)
A popular misconception is that a jet engine is a huge vacuum cleaner, sucking in birds from everywhere. The reality is that birds are only drawn into the engine if there is direct alignment between the flight paths of the engine and the bird. But nonetheless, in industry parlance, a bird-engine impact is called a #39;ted ingestion,' and the bird, enmeshed in engine internal components, is pretty much 'digested' in the process.
All commercial jet engines must comply with bird ingestion regulations established by regulatory authorities such as the U.S. Federal Aviation Administration (FAA) and the European Aviation Safety Agency (EASA). These regulations involve certification testing of commercial jet engines for bird ingestion, calling for demonstrations of an engine#39;s ability to ingest birds in small, medium, and large categories at takeoff power, and still maintain a specified level of performance.
Not being able to meet these regulations can have serious consequences for an engine company. For instance, while Rolls Royce was in the final stages of developing their early RB211 turbofan engine, the engine failed certificationrequired bird-ingestion tests, leading to the bankruptcy of the company in 1971.
Most jet-engine bird encounters occur during takeoff. Stuart Frost, a retired Pratt and Whitney engineer, gave me a firsthand account of an engine bird strike he experienced while traveling on a flight from Dublin to London on December 7, 1985. He was sitting near the front, with a good view of the Pratt and Whitney JT8D-9A left engine. After liftoff from Dublin Airport, the aircraft, with 117 passengers, encountered a flock of 20 to 30 black-headed gulls (weighing about 0.5 kilograms each) near the end of the runway. Several bangs were heard and the Boeing 737 aircraft yawed and buffeted. Frost heard a loud explosive noise from the left engine, as gulls were ingested. As the engine#39;s fan blades broke, the engine almost immediately stopped, which forced two of the three engine mounts to fail. The now thrustless engine hung from the wing by one remaining mount and two thrust reverser hydraulic lines, hr the short time it took for all this to happen, Frost remembers thinking, 'This is going to hurt!' However, with remaining thrust from the right engine (which had ako ingested gulk), the pilot and copilot managed to make an emergency landing on an adjacent runway, with the left engine barely hanging from the wing.
Perhaps the most famous recent airline bird-strike incident is the 'Miracle on the Hudson.' On January 15, 2009, US Airways flight 1549, an Airbus A320214 with 150 passengers, took off from New York#39;s La Guardia Airport, bound for Charlotte, North Carolina. About two minutes into the flight at an altitude of about 0.85 kilometers, it struck a flock of migrating Canada geese just northeast of the George Washington Bridge. Each of the two jet engines (which were manufactured by CFM International, model CFM56, and produced about 30,000 pounds of thrust) ingested at least two 4-kilogram geese, damaging the engines toacute; the point that they could not maintain thrust for sustained flight. The crew successfully made a water landing in the Hudson River with no loss of life. The largely intact wreck of the Airbus is on display at the Carolinas Aviation MuLee s
让鸟类远离喷气发动机
摘要
全球航空旅行的迅速增长加速了鸟类和飞机事故的升级，工程师们一直在努力确保机组人员和乘客在发生鸟类碰撞时的安全。高速喷气推进本身也大大增加了鸟类撞击损伤的严重性，使鸟类有更少的时间躲避正在接近的飞机，由此产生的高速撞击对飞机和鸟类都造成了更大的伤害。在这里，兰斯顿讨论了民用航空界采取的方法，以尽量减少鸟撞的发生或影响。
正文
故障测试和羽毛研究相结合
故障测试和羽毛研究相结合，以确保航空旅客的安全。从最早的动力飞行时代起，鸟撞时间就频频发生。1903年12月17日，在北卡罗莱纳的基蒂霍克进行了历史性的第一次动力飞行后，奥维尔·莱特和威尔伯·莱特继续在俄亥俄州代顿的霍夫曼草原上进行测试和训练。1905年9月7日，威尔伯在驾驶飞机时，与一群鸟(可能是红翅黑鹂)发生了冲突，导致一只鸟死亡，但没有对飞行员或飞机产生不良影响。
最早的致命空难发生在7年后的1912年4月3日。卡尔布雷斯与佩里罗杰斯驾驶莱特公司的一架飞机飞越加州长滩，途中撞上一群海鸥，双翼飞机撞向海浪，不幸遇难。
全球航空旅行的迅速增长已使鸟类和飞机事故升级，工程师们一直在努力确保机组人员和乘客在发生鸟类碰撞时的安全。高速喷气推进本身也大大增加了鸟类撞击损伤的严重性，使鸟类有更少的时间躲避正在接近的飞机，由此产生的高速撞击对飞机和鸟类都造成了更大的伤害。
鸟食发动机损坏
正如飞机制造商波音公司在2011年的一份出版物中所指出的那样，鸟击发生在机翼和机身的不同位置，但通常对飞机发动机造成的损害最大，因为飞机发动机是由复杂的高速旋转部件组成的。飞机的损伤和鸟类撞击对飞行的影响与来自质量(由鸟类种类决定)和速度平方的动能密切相关。(速度每增加20%，动能就增加44%。)
一个普遍的误解是，喷气发动机是一个巨大的真空吸尘器，从各地吸鸟。事实上，只有当发动机和鸟的飞行路径直接对齐时，鸟类才会被拉进发动机。但尽管如此，用行业术语来说，鸟类对发动机的影响被称为“泰德消化”，而与发动机内部部件紧密结合的鸟类，在这个过程中基本上被“消化”了。
所有商用喷气发动机都必须符合美国联邦航空管理局(FAA)和欧洲航空安全局(EASA)等监管机构制定的鸟类摄入规定。这些规定包括对商用喷气发动机进行鸟类摄食的认证测试，要求证明发动机在起飞时能够摄食小型、中型和大型类别的鸟类，同时仍能保持特定的性能水平。
不符合这些规定可能会对发动机公司造成严重后果。例如，当劳斯莱斯早期研发的RB211涡扇发动机处于最后阶段时，该发动机未能通过鸟类摄取测试的认证，导致该公司在1971年破产。
大多数喷气发动机鸟的遭遇发生在起飞时。斯图尔特·弗罗斯特是普惠公司的一名退休工程师。1985年12月7日，他在从都柏林飞往伦敦的航班上，亲身经历了一次发动机鸟击。他坐在前排，可以清楚地看到普拉特和惠特尼JT8D-9A左发动机。这架载有117名乘客的飞机从都柏林机场起飞后，在跑道尽头附近遇到了20到30只黑头鸥(每只重约0.5公斤)。听到了几声巨响，这架波音737飞机开始摇晃。弗罗斯特听到从左引擎传来一声巨大的爆炸声，这时海鸥正在吞食食物。当发动机的风扇叶片断裂时，发动机几乎立即停止工作，导致三个发动机支架中的两个失灵。现在没有推力的发动机挂在机翼上，由一个剩余的底座和两条反推液压管路组成。弗罗斯特记得，发生这一切花了很短的时间。然而，由于右引擎的剩余推力(阿科吞下了古尔克)，飞行员和副驾驶设法紧急降落在相邻的跑道上，左引擎几乎没有挂在机翼上。
也许最近最著名的航空公司鸟类撞击事件是“哈德逊河上的奇迹”。2009年1月15日，美国航空1549航班，一架载有150名乘客的空客A320214，从纽约拉瓜迪亚机场起飞，飞往北卡罗来纳州夏洛特。飞机在0.85公里的高空飞行了大约两分钟后，在乔治华盛顿大桥东北方向撞上了一群迁徙的加拿大鹅。这两台喷气发动机(CFM International生产的CFM56型飞机，产生了约3万磅的推力)每台至少吸入了两只4公斤重的鹅，发动机受损到无法维持持续飞行所需的推力的程度。机组人员成功地在哈德逊河上降落，没有人员伤亡。这架空客飞机的残骸大部分完好无损，陈列在北卡罗来纳州夏洛特市的卡罗来纳航空公司的MuLee seum飞机上，并配有两个因鸟食受损的喷气发动机。机长切斯利·苏伦伯格三世,在2016年的电影戏剧化事件和随后的调查中也渐渐出名。
事实证明，双引擎飞机上的双鸟误食事件并不罕见。2008年罗马恰姆皮诺机场的一架波音737飞机和保加利亚布尔加斯的一架空客A320飞机发生了两起类似事件，2009年爱尔兰的一架波音737飞机也发生了类似事件。
风险是什么?
据估计，每2000次飞行中大约有一次发生鸟类袭击事件，这取决于一年的时间和飞行地点。但许多事件没有被报道。美国联邦航空局每年收到的空袭报告数量从1990年的1847起增加到2015年的13795起，增长了7.4倍，反映了世界其他地区类似的趋势。
美国农业部国家野生动物研究中心的理查德·多尔比尔和他的同事在2016年的一份报告中给出了1990年至2015年美国(包括在外国注册的美国飞机)的数据。在这25年中，共发生了16694起鸟类撞击事件，17494个喷气发动机被击中，但在很多情况下，撞击并没有导致发动机损坏。在这些报告的事件中，有4,370起鸟类撞鸟事件中有4,516起引擎受损(4,227起单引擎受损，141起双引擎受损，1起三引擎受损，1起引擎全部受损)。
考虑到全球约有2万架飞机参与了商业飞行，而这些统计数据仅适用于美国飞机，很明显，对于商业喷气发动机来说，鸟的摄食是一个重大问题。
目前的统计数据显示，商用飞机喷气发动机误食鸟类的事件正在增加，预计在未来10年将是一个持续的挑战。造成这种鸟类威胁的主要因素是空中交通的增加，特别是因为大多数飞机现在都使用更安静的涡扇喷气发动机——这对城市降噪很有好处，但不能给鸟类更多的注意以避免碰撞。另一个因素是大型鸟类数量的增加。杜贝尔和他的同事在2016年的报告中指出，从1990年到2014年，北美的加拿大鹅的数量从100万只增加到了390万只，而在同一时期，雪鹅的数量从260万只增加到了550万只。°贝尔和他的同事在2002年的一份报告中发现，从20世纪70年代到21世纪头10年，杀虫剂监管的加强和野生动物保护区的扩大等因素导致了鸟类数量的增加;此外，像加拿大鹅这样的物种更适应城市环境。
这是哪种鸟?
位于华盛顿特区的史密森学会国家自然历史博物馆几十年来，该公司一直在系统地收集和分析飞机撞击鸟类的数据方面发挥着关键作用。它是羽毛鉴定实验室的所在地，该实验室可以将鸟类种类(如果不是一个特定的物种)与与飞机相撞的鸟类残骸(被称为“咆哮”)联系起来，这些残骸是由被鸟类撞击的机构、机场、航空公司和其他飞机所有者送来的。
羽毛鉴定实验室是由已故法医鸟类学家洛克西·莱布梅创建的，她从上世纪60年代开始这项工作，一直持续到2003年去世。她开创了许多用于羽毛鉴定的方法，不仅从这些遗骸中确定鸟的性别、年龄和迁徙状态。生物学家托尔bull;汉森在2011年出版的《论羽毛》一书中指出，对于一种动物的身体覆盖物来说，没有什么东西能在形态和功能的多样性上与羽毛竞争，也就没有什么东西能与羽毛竞争，因此也就没有什么东西能与羽毛竞争。羽毛也非常耐用，可能是受撞击或喷气发动机吸入的鸟类仅剩的部分。
莱博姆的羽毛识别实验室活动在系统收集鸟类和鸟类撞击数据方面发挥了核心作用。美国联邦航空局和其他组织，如美国空军，可以利用与碰撞有关的鸟类类型的数据，推断出这些物种的行为、饮食偏好和迁徙模式如何被用来减少机场的危险。
了解确切的物种可以为我们提供有关鸟类体型、行为和生态方面的指导，是跟踪物种趋势和集中预防措施的关键。物种识别提供了规划机场栖息地管理(使其作为觅食和筑巢区域不那么吸引人)和构建避鸟程序所需的基线数据，并已被用于帮助工程师设计更能抵御鸟类袭击事件的喷气发动机。
目前，由莱博姆训练的法医鸟类学家卡拉·达夫和一个由四人组成的团队每年在羽毛鉴定实验室处理约9000起鸟类撞击案件。这个数字是莱伯恩时代的30倍，而且还在继续增长。
鸟吸入发动机测试
美国联邦航空局(FAA)对任何新型商用运输喷气发动机的认证，都要求发动机制造商在飞机起飞时对鸟的摄食进行弹性测试。美国联邦航空局有多个要求，其中包括发动机的能力，以生存打击从一个大型鸟类(如加拿大鹅)重2至4公斤，这取决于发动机的大小。撞击后，发动机不能着火，必须能够安全关闭后15秒没有油门运动。
发动机还必须能够承受多重中等大小的群居鸟类(如海鸥)的撞击，这些鸟类体重在0.7到1.3公斤之间。发动机必须继续提供至少75%的正常起飞推力，持续2分钟，不带油门，然后在不同的功率水平下运行约20分钟，这与飞机返回机场和着陆时的情况相一致。
另外一个测试标准是来自一只重达2到3公斤的大型植绒鸟(如雪鹅)的撞击。在这次测试中，发动机必须继续提供至少50%的正常起飞推力，持续1分钟，然后是20分钟的运行时间。
几乎所有的商用飞机都由涡轮风扇喷气发动机提供动力，涡轮风扇是由安装在发动机前部的圆柱形管道内的风扇命名的。吸进风扇的空气是分开的，因此一些气流进入喷气发动机本身，其余气流绕过发动机。低速旁路空气和高速发动机空气在下游结合产生推力，这种布置产生比其他喷气发动机更大的平均速度较低的气流质量，以降低噪音，提高发动机的效率。
然而，这种发动机布局意味着当鸟被摄入时，风扇叶片是最先被击中的，因此它们是发动机测试的关键点。单只大鸟的测试目标是风机叶片的最关键区域，由风机设计者确定。多介质植绒鸟试验将鸟类分布到风扇的关键区域(也由风扇设计者决定)，因此至少有一只鸟必须进入发动机核心。单一大型植绒鸟试验的目标是风扇叶片的50%的跨度。
在这些测试中，发动机安装在一个固定的支架上。测试发动机只配置了发动机控制所需的仪表，例如转子转速、燃油流量燃烧器压力和废气温度的控制。
一种特殊的多管气枪，特定于每个发动机制造商，安装在发动机前面。气枪发射的是已被安乐死的商用家禽家畜(如鸡和鸭)，其大小符合联邦航空局的各项标准。随着发动机在起飞推力下运行，鸟炮可以精确地对准风扇。然后，以模拟飞机起飞速度的速度发射小鸟，起飞速度通常在170节左右。高速摄像机聚焦于发动机进气道，记录发动机的试验和性能。
更好的工程，更多地避免鸟撞?
民用航空界为尽量减少喷气发动机鸟的摄入而采取的措施或效果是相当分散的。将鸟类排除在整个机场环境之外几乎是不可能的。围栏、噪音发生器、狗、猛禽、捕食者肖像、激光、照明弹、食物来源的消除(如附近的垃圾场和垃圾填埋场)都被采用，但成效有限。显然，仍然需要采取更开明的行动或制定规章，防止鸟类和飞机同时占据同一空间。
发动机制造商一再被要求使他们的发动机足够强大，以承受鸟类摄入的破坏性影响。例如，目前美国联邦航空局正在发布“建议制定规则的通知”，进行第四次新的发动机资格测试，即“爬升条件下的中型植绒鸟测试”，以解决2009年由加拿大鹅迁徙造成的“哈德逊河奇迹”事件。
对制造商来说，使发动机更能抵抗鸟类撞击需要付出巨大的努力和成本。它可以包括加强风扇叶片(不显著增加发动机重量)，设计发动机燃料控制，以考虑罢工引起的性能变化，或安装风扇和发动机外壳，能够包含可能的旋转叶片故障。
2013年，在圣安东尼奥的一个国际燃气轮机会议上，我帮助组织了一个关于鸟类摄食的小组。默伯斯小组成员包括一名鸟类探测和监视专家、世界鸟类袭击协会的一名代表、波音公司和通用航空公司的飞行安全专家以及一名退休飞行员。
我从我们的小组得到的印象是，解决鸟类袭击问题的方法取决于相关实体的重点。例如，制造商最专注于满足监管要求，而其他参与者则更专注于他们特定的专业领域。
带头发言的小组成员是德尔塔航空公司退休飞行员、机长保罗bull;埃申菲尔德，他对全球最近发生的鸟类罢工事故进行了全面回顾。他回顾了减少鸟类袭击法规的漏洞，并强调缺乏一个系统的方法来解决这个问题。
有可能是某种技术或某种机制或装置，利用鸟类的行为特征，使鸟类想要避开机场周围的空域。例如，许多私人住宅区的小湖长期以来都有一个问题，那就是大量的加拿大鹅聚集在一起，污染了湖泊和它们的海岸。一些湖泊管理公司不得不在高出水面0.5米的岸边架起几乎看不见的电线。在康涅狄格大学斯托尔斯校区的两个小湖上，这些电线已经被绑好，鹅已经不见了，大概是不想冒着在降落或起飞时撞到电线的风险吧。这种方法的某些变体在机场可能有效吗?
并不是所有的机场都是一样的，所以一个解决方案能否适用于所有地点是值得怀疑的。也许我们需要的是像美国国防部高级研究计划局(DARPA)这样的机构为鸟类袭击的创造性解决方案征集建议。该机构一直负责为一些项目提供资金，这些项目促成了全球定位系统(GPS)、互联网和许多当时还远未出现的其他想法，当然，它的过往记录可能会产生一种避免航空鸟类袭击的新方法。随着航线越来越拥挤，野生动物也越来越多，对wifi解决方案的需求只会继续增长。
据报道，从1990年到2015年，每年发生的鸟击事件增加了7.4倍。美国联邦航空局正在考虑进行第四次引擎资格测试，以解决2009年哈德逊坠机事件。
参考文献
[1]巴特尔斯.“羽毛女士”莱博姆是如何解决飞机和鸟类的致命问题的.奥杜邦新闻,3月31日.
[2]韦勒,安德森,贝吉尔.1990-2015年，美国野生动物袭击民用飞机.美国联邦航空管理局国家野生动物攻击数据库系列报告,第22期.2016,11.
[3]杜贝尔.大型鸟类的数量增长是否超过了民用飞机的适航标准?.美国农业部国家野生动物研究中心工作出版设.2002.
[4]兰斯顿.适应性强的燃气轮机.美国科学家出版社.2013.
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