Evenimentele bird strike sunt la fel de vechi ca aviația. Pe 7 septembrie 1905, Orville Wright a fost primul care a raportat un bird strike. Mai târziu, piloții au fost nevoiti să învețe să împartă cerul pentru a-și îndeplini visul de a zbura. Bird strike-urile sunt relativ frecvente, cu mii de evenimente raportate anual. Majoritatea evenimentelor nu provoacă daune semnificative, dar pot duce la defecțiuni ale motorului, daune structurale și chiar pierderea controlului (în cazuri rare). Din păcate, Comitetul International pentru bird strike a raportat un total de 42 de accidente mortale care au avut loc între 1912 și 1995. În această perioadă, 231 de persoane și-au pierdut viața și 80 de avioane au fost distruse.
S-ar putea să vă întrebați de ce o analiză de bird strike pentru o replică a avionului de luptă IAR-80 din Al Doilea Război Mondial. Există două motive pentru aceasta. În primul rând, așa cum am menționat anterior în articolele noastre, am ales regulile EASA și cerințele CS-23 pentru a arăta că aeronava este în stare de navigabilitate. Vom discuta cerințele mai târziu, dar analiza ne-ar ajuta să investigăm efectul impactului păsărilor asupra integrității structurale a aeronavei. În al doilea rând, organizația își propune să educe noile generații, iar acest subiect nu putea fi omis.
Bird strike se referă la coliziunea dintre o pasăre și o aeronavă care poate duce la incidente sau accidente grave, prezentând astfel riscuri pentru siguranța și operațiunile unui avion. Un eveniment notabil este zborul US Airways 1549 din 2009. Pe 15 ianuarie 2009, un Airbus A320 programat să zboare de la LaGuardia din New York la Charlotte și Seattle a lovit un stol de gâște canadiene la scurt timp după decolare. Având în vedere locația și altitudinea joasă, cei doi piloți, Chesley Sully Sullenberger și Jeffrey Skiles, au decis să planeze avionul pentru a ameriza pe râul Hudson, lângă Midtown Manhattan. Această decizie a dus la salvarea celor 155 de persoane de la bord. Timpul de la lovirea păsărilor până la amerizare a fost mai mic de patru minute.
Airbus A320-214 – N106US expus la Muzeul Aviației Carolinas [Ref. 1]
În România, precum și în multe alte țări, bird strike poate fi o preocupare din cauza diverșilor factori, cum ar fi modelele de migrație sau apropierea de habitate. Pentru a preveni impactul cu păsările, aeroporturile implementează măsuri de atenuare a riscurilor prin programe de monitorizare (de exemplu, sisteme de monitorizare a activității păsărilor, radare sau observații vizuale), evaluarea speciilor de păsări din zonă și a comportamentului acestora și reducerea atracțiilor (cum ar fi gestionarea deșeurilor sau modificările habitatului). Cu toate acestea, personalul (piloți, controlori de trafic aerian etc.) este instruit cu privire la riscuri, strategii de prevenire și pentru un eveniment de tip bird strike.
Administrația Federală a Aviației (FAA) și Agenția Europeană de Siguranță a Aviației (EASA) au impus un nivel specific de rezistență la bird strike în testele de certificare pentru aeronavele CS-25 (aeronave mari), în timp ce pentru aeronavele CS-23 (normale, utilitare, acrobatice și categoria commuter) precum IAR80FA, cerințele sunt mai puțin stricte.
În general, pentru aeronavele CS-23 nu există cerințe pentru bird strike, cu excepția celor legate de commuter, care sunt aplicabile doar pentru parbriz și tuburi Pitot. Parbrizul trebuie să reziste fără pătrundere la un singur impact al unei păsări de 0,91 kg (2 lb) la viteza flapsurilor maximă de apropiere a aeronavei, iar panourile parbrizului trebuie să fie dispuse astfel încât, dacă un panou este obturat (de exemplu, prin bird strike) alte panouri trebuie să fie disponibile pentru un pilot așezat. De asemenea, tuburile Pitot duplicate (acolo unde sunt montate) trebuie să fie suficient de îndepărtate pentru a evita deteriorarea ambelor tuburi într-o coliziune cu o singură pasăre. Aceste cerințe sunt mai puțin stricte în comparație cu cerințele CS-25 prezentate mai jos.
Pentru aeronavele mari, cerințele FAA și EASA sunt efectiv aceleași, chiar dacă sunt formulate diferit. Este nevoie de zbor și aterizare în siguranță după impact cu o pasăre de 1,8 kg (4 lb) la viteza de croazieră (Vc) la nivelul mării sau 0,85 Vc la 2438 m (8000 ft), oricare dintre acestea este cea mai critică. Parbrizul și structura de susținere trebuie să reziste la impactul de mai sus fără pătrundere sau fragmentare critică.
Trebuie menționat totuși că există o diferență între cerințele FAA și EASA. CS-25 cere să fie prevăzută o fereastră care să se poată deschide, cu excepția cazului în care se poate demonstra că o zonă a parbrizului rămâne suficient de liberă după un bird strike cu o pasăre de 1,8 kg (4 lb) la Vc. Nu există o astfel de cerință în FAR. Cu toate acestea, FAR are o cerință suplimentară ca ampenajul să reziste la impactul unei păsări de 3,6 kg (8 lb) atunci când viteza avionului (în raport cu pasărea de-a lungul traiectoriei de zbor a avionului) este egală cu Vc la nivelul mării. CS-25 nu are o cerință separată pentru ampenaj.
Un studiu a fost realizat în 2009 de către Atkins și Agenția de Cercetare pentru Alimentație și Mediu din Marea Britanie (FERA) la cererea EASA. A fost efectuată o investigație pentru a determina dacă cerințele actuale de certificare al bird strile-ului sunt adecvate pentru riscurile actuale și viitoare. Investigația a arătat că cerințele pentru CS-25 (aeronave mari) sunt la un nivel adecvat de siguranță, chiar dacă există indicii că rata accidentelor este în creștere (deși într-o rată foarte scăzută) și că speciile de păsări care cauzează cele mai mari impacte din punct de vedere al energiei cinetice sunt în creștere în populație (trebuie menționat că numărul de incidente cauzate de gâștele canadiene este în scădere, cel mai probabil din cauza măsurilor de control al păsărilor din apropierea aeroporturilor). În categoria CS-23, nu există cerințe pentru bird strike, iar acest lucru se reflectă în numărul mare de accidente (în special penetrarea parbrizului). Investigația a subliniat că o cerință de certificare este foarte eficientă în reducerea daunelor. Cu toate acestea, trebuie menționat că este dificil să proiectezi o soluție fără a reduce substanțial performanța sarcinii utile. O altă concluzie importantă a investigației este legată de loviturile care au implicat mai multe păsări. Nici reglementările FAA, nici EASA nu conțin cerințe referitoare la mai multe bird strike-uri de tipul celui care poate apărea la impactul cu un stol păsări.
Era o practică obișnuită pentru certificarea bird strike să se producă și să se testeze componentele de aeronave, ca apoi să fie reproiectate și retestate. De la sfârșitul anilor 1970,metodele cu element finit au fost adoptate ca instrument de analiză al bird strike-ului pentru a reduce timpul și costurile testarii specifice.
În cele ce urmează, vom discuta pe scurt metodele de simulare ale bird strike-ului: modelul Lagrange, modelul Euler, metoda hibridă Euler-Lagrange și metoda SPH (Smooth Particle Hydrodynamics).
În modelul lagrangian, nodurile de mesh sunt asociate cu materialul și fiecare nod urmărește materialul supus deplasării și deformarii. Această flexibilitate a deplasărilor mesh-ului a făcut ca modelul lagrangian să fie abordarea preferată, dar în anii 1990 cercetătorii și-au dat seama că metoda are dezavantaje semnificative (cum ar fi deformarea severă a mesh-ului) cu un impact ridicat asupra acurateței rezultatelor. O altă problemă a fost legată de compresiunea extinsă a elementelor solide, ceea ce a dus la creșterea suprafeței de contact și la un impact ridicat asupra plăcii rigide din cauza sarcinilor de presiune.
O abordare alternativă a fost adoptată la sfârșitul anilor 1990. Modelul Euler a rezolvat problema legată de distorsiunea severă a mesh-ului, abordarea a fost mai stabilă decât modelul lagrangian, deoarece mesh-ul nu s-a deplasat și nu a existat o deformare extinsă a elementului. Cu toate acestea, condițiile limită nu au putut fi bine definite, deoarece corpul se deplasa cu mesh-ul și depindea de dimensiunea acestuia.
Pentru a rezolva problemele de mai sus, o nouă metodă hibridă a fost adoptată la sfârșitul anilor 1990 în software-ul LS-DYNA: formularea euleriană lagrangiană arbitrară (ALE). Metoda implică faptul că o pasăre este modelată folosind elemente euleriene și este închisă în vid. Pasărea lovește placa rigidă modelată folosind elemente lagrangiene, rezultând o expansiune a mesh-ului datorită tehnicii de deplasare automată a acestuia. Metoda ALE este ca modelul Euler, cu excepția domeniului eulerian care se deplasează și se întinde dacă este necesar. Principalele probleme legate de această metodă sunt asociate cu domeniul eulerian, care ar putea avea o expansiune laterală semnificativă sau cu acuratețea rezultatelor, care depinde puternic de mesh [Ref. 2].
Deci, încă o dată, a fost necesară o nouă abordare pentru analiza bird strike: metoda Smooth Particle Hydrodynamics (SPH). Dezvoltată inițial pentru simularea problemelor astrofizice, SPH este o metodă lagrangiană fără mesh bazată pe teoria interpolării pseudo-particulelor și pe funcțiile kernel de netezire în comparație cu abordarea mesh-ului fix. Metoda implică faptul că fiecare particulă este discretizată și netezită pe un volum finit de masă fixă. Particulele sunt independente unele de altele și sunt transportate cu fluxul care acoperă deformații mari fără problema distorsiunii mesh-ului. Proprietățile hidrodinamice și alte proprietăți sunt evaluate la poziția particulei și calculate din media ponderată a valorilor celorlalte particule locale [Ref. 2]. Această metodă are o stabilitate ridicată. Principalul inconvenient este legat de timpul de calcul solicitant în memorie și CPU.
Cu ajutorul companiei SIMART 3D, singurul distribuitor din România ale produselor companiei ALTAIR, asociația Fly Again este sponsorizată cu software specializat de proiectare și inginerie, cu una dintre cele mai complexe platforme CAE, analiză de date, dinamică a fluidelor, electromagnetism, calcul de înaltă performanță, modelare de sisteme, producție, proiectare și structură. Ca parte a lucrărilor viitoare pentru IAR80FA, scopul este de a efectua analize de bird strike folosind metodologia SPH și Altair Hypermesh și RADIOSS. Deoarece mulți producători de aeronave au optat pentru simulări virtuale ale evenimentelor bird strike, codurile explicite de analiză dinamică, tranzitorie, neliniară, cum ar fi RADIOSS, se dovedesc a fi utile prin reducerea costurilor și îmbunătățirea performanței. Metodologia și rezultatele analizei care urmează să fie efectuate vor fi prezentate într-un articol viitor, așa că rămâneți cu noi pentru mai multe despre acest subiect!
Imaginile de mai sus descriu utilizarea metodelor hidrodinamice cu particule netede (SPH) cu software-ul RADIOSS pentru analiza impactului cu păsările [Ref. 4]
Referinţe:
- https://en.wikipedia.org/wiki/US_Airways_Flight_1549
- Bird strike damage analysis on a model of a business jet composite wing leading edge by Husain Ansari, June 2016
- Bird Strike Damage & Windshield Bird Strike by Atkins Limited and the Food & Environment Research Agency under Contract Number EASA.2008.C49
- Bird Strike Simulation Takes Flight, by Robert Yancey (altair.om/c2r), Summer/Fall 2011