从蜻蜓翅膀收到启发：如何规避飞机颤振

　　A380通过全机地面共振试验，验证和考察飞机动态特性，为完善颤振分析提供可靠的结构数据。资料图

　　7月15日，美国联邦航空管理局（FAA）称，数据分析显示波音747-8飞机在高过载飞行状态下且某些系统发生故障时可能会出现颤振现象。FAA要求波音在未来五年内对飞机的机翼进行改进，以规避颤振风险。

　　纵观人类航空发展百余年历程，气动弹性问题几乎伴随飞机发展的全过程。其中，颤振无疑是最引人关注的现象，不仅是因为它的复杂性，更重要是颤振会造成灾难性的后果。

　　什么是颤振

　　五百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇模仿鸟类飞行造出了一架扑翼机，之后人们经过长期反复的实践，终于在1903年发明了飞机，实现了飞上天空的梦想。此后30年，飞机不论在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类。

空客A380

　　但当飞机飞行变得更快更高时，设计师又碰到了一个难题，就是颤振现象。颤振曾多次造成飞机坠落，许多飞行员因而丧生，飞机设计师们为此花费了巨大的精力研究颤振现象。当今，颤振仍然是飞机设计必须要考虑的问题，对飞机设计至关重要。

　　气动弹性力学中，颤振是弹性体在气流中发生的不稳定振动现象。飞机颤振是作用在机翼、尾翼等结构上的非定常空气动力、惯性力以及弹性力耦合引起的振幅不衰减的自激振动。颤振属于气动弹性稳定性问题，具有多种现象形态，就其空气动力方面发生的原因而言，颤振问题可分为两大类。第一类是发生在势流中，流动分离和边界层效应对颤振过程没有重要影响，通常称为经典颤振。第二类是与流动分离和漩涡形成有直接关系，可称为失速颤振。

　　20世纪70年代起，宽频带伺服控制系统开始应用于飞机。随着现代飞机柔性的增大，飞机系统与飞行控制系统之间耦合变得不可忽略，飞机结构弹性振动信号与刚体运动信号一起被传感器接收，经飞行控制系统处理后驱动舵面偏转，偏转产生的气动力变化激励机体产生振动，也会影响飞机的颤振特性，这类现象可称为气动伺服弹性。

　　飞机一旦在空中发生颤振，会在极短的时间内导致结构毁灭性的破坏，飞行员几乎没有处置时间，因此飞机飞行包线内不容许发生颤振现象，对于民用飞机来说，对颤振的要求更为苛刻，须通过大量的理论分析、风洞试验、地面试验以及颤振试飞来验证飞机满足适航条款的规定。

　　为什么会发生颤振

国洛克希德公司研制的高速战斗机的原型机YP-38"闪电"

　　1941年11月4日，美国洛克希德公司研制的高速战斗机的原型机YP-38"闪电"在加州的格伦代尔上空试飞时，试飞员拉尔夫·费登没能把飞机从俯冲状态拉起，飞机发生颤振，随即空中解体。后来事故调查发现，颤振分析时没有考虑空气压缩性效应。在此之前，飞机的气动理论是建立在空气不可压缩的假设基础上，在飞行速度不大时，由飞机运动引起的空气密度变化不大，空气可认为是不可压缩的。但当飞行速度提高到一定程度时，空气压缩性是必须考虑的。对于现代大型飞机，空气压缩性的影响是必须考虑的。

　　随着飞机的不断发展，飞机发生颤振的机理变得越来越复杂，气动、结构、气动热以及控制系统等都会参与到其中，而且从不同的角度对颤振机理的认识会有所不同，下面从振动和能量角度来简单阐述颤振的发生。

　　从振动角度来说，在地面上的飞机受到扰动后会引起振动，但由于阻尼的缘故，这种振动总是不断衰减直至消失。在飞行中的飞机，由于种种原因，也会引起振动，但由于处于气流中，情况就有所不同，一旦发生振动，就会引起附加的气动力。

　　在这些气动力中，有些起着激励作用，有些起着阻尼作用。当飞行速度较小时，由于气动阻尼作用，振动衰减很快。当速度增大到一定程度后，振动衰减便逐渐减慢。当达到某一飞行速度后，扰动引起的振幅正好保持不变，这个速度便称为颤振速度，振动频率称为颤振频率。在超过临界值很小的飞行速度下，即使偶然的小扰动也会引起飞机激烈的振动，这就发生了颤振。

　　从能量的观点来看，以翼段结构为研究对象，分析其能量在振动过程中的变化。翼段的能量包括动能和势能，当不考虑结构阻尼引起的能量耗散，且没有外力做功时，系统是一个保守系统，其动能与势能之和为常值。若考虑结构阻尼引起的耗散，则翼段能量会在振动过程中会逐渐降低为零，因此系统是稳定的。若气动力对翼段结构做正功，且大于阻尼耗损的能量，则翼段能量就会在振动过程中逐渐累积，导致振动响应的无限扩大，从而引发失稳，发生颤振。

　　如何预防颤振

昆虫早在三亿年前就飞翔在空中了

　　昆虫早在三亿年前就飞翔在空中了，它们毫不例外地受到了颤振的危害，但经过长期的进化，昆虫早已成功地获得了防止颤振的方法。蜻蜓无疑是昆虫王国中出色的飞行家。它不仅飞得快，飞得高，而且能做到许多现代飞机做不到的高难度动作。如果把翼眼去掉，蜻蜓的飞行会变得摇摆不定。

　　飞机设计师从蜻蜓的翼眼中受到启发，模仿蜻蜓的翅膀，在机翼的前缘末端，增加配重，使机翼重心位置前移，使得某些机型的颤振问题得以解决。飞机设计师们大有相识恨晚之感，不然就可以避免许多人员的牺牲。

　　消除颤振是飞机颤振工程师的最终目标，然而飞机颤振的机理复杂，只有在飞机设计的最后阶段，飞机结构、气动构型、控制系统等能够被合理准确地建立起来了，这时才能对新设计的飞机进行精确的颤振特性分析。

　　然而防止颤振研究在新型号飞机研制的早期阶段就要开始进行，这种研究贯穿于新型号飞机研制的全过程。通常，防止颤振研究包括颤振理论分析、缩比颤振模型的高低速风洞试验、全机地面共振试验以及颤振飞行试验等。

　　由于理论分析和试验模型在对真实飞机的模拟上存在固有的不足，飞机颤振飞行试验处于防颤振研究的最终环节，既以各项计算、风洞试验和地面试验的结果为基础，又是这些工作的补充和鉴定。

　　颤振试飞是每架新机或重大改型飞机必须进行的Ⅰ类风险科目，也是中国民航适航规章（CCAR-25部）中明确规定必须完成的科目，其过程充满了未知和风险。进行颤振试飞时，试验机其实是在"亚临界"状态下进行的，试飞员在空中通过既定的激励方法和程序，诱发飞机产生"颤振",从而达到试验的目的。颤振试飞必须进行直至限制速度的各种速度，以验证在整个规定的飞行限制速度包线范围内，所有的飞机临界构形都无任何颤振现象，以及在通过外推飞行试验数据得到的1.15倍限制速度之内，没有任何气动弹性不稳定性出现。因而，飞机颤振飞行试验成为验证新机和型号改型的颤振安全性必不可少、最有说服力的关键环节。

　　国产飞机在颤振技术上的探索

ARJ21飞机

　　ARJ21飞机是我国首架具有自主知识产权的新型涡扇支线客机，中国商飞已经完成了ARJ21飞机的颤振试飞工作，获得了适航认证，取得了型号合格证，并且即将交付用户。

　　这表明中国商飞已经形成了系统性的民机颤振设计、分析和试验能力，并且在型号研制中突破了多项关键技术。然而每个型号飞机都有自身的颤振特性，必须进行深入的研究。

　　北研中心强度分析技术研究部载荷与动力学专业组在上飞院研究员章俊杰的指导下，开展了颤振风洞试验相关技术研究，主要用于处理颤振风洞试验时域数据和预测颤振边界。该技术在C919的颤振风洞试验工作中得以应用，并取得了良好的效果，进一步完善后将有利于保护风洞模型和保障试验进度。

　　然而每个型号飞机都有自身的颤振特性，必须进行深入的而研究随着未来民机对性能要求的不断提高，复合材料应用比例越来越高，结构越来越轻，柔性也越来越大，气动弹性问题越发突出。北研中心处于民机预先研究的前端，需要根据C919飞机和未来机型特点开展针对性的颤振技术研究，探索C919飞机和未来型号飞机的颤振特性，摸清其颤振规律，夯实预研功底，革新设计观念，提高设计技术，使气动弹性力学作为一种设计准则、规范和指导思想在整个飞机设计过程中发挥关键性作用；同时北研中心需要研发具有高水准的颤振技术，为型号单位提供高质量的"武器"和"弹药",助力型号研制，为中国民机事业发展作出贡献。

　　【延伸阅读】

　　日常生活中的颤振

　　蜻蜓的翅膀：

蜻蜓

　　作为昆虫王国中出色的飞行家，蜻蜓在高速飞行时，每秒种要挥动翅膀30~50次，可是，蜻蜓的翅膀看上去柔薄，却能在这种高频振动之下安然无恙。

　　在亿万年前，大自然就为蜻蜓配备好了奇妙的消除颤振装置，那就是它翅膀上加厚的翼眼。实验证明正是翼眼的角质组织帮助蜻蜓消除了颤振的危害。

　　口琴演奏：

口琴演奏

　　在日常生活中，音乐总是能够带给人愉悦的心情。人们在演奏口琴时，口部吹出稳定气流后，簧片进入颤振状态。簧片颤振引起的扰动气流进一步在乐器空腔共鸣，从而产生悦耳的音乐。

　　桥梁倒塌：

桥梁倒塌

　　1940年11月7日的美国塔科马海峡吊桥的坍塌事件。由于吊桥设计师轻视了桥梁桁架刚度的重要性，只看到了风产生的静态水平力，并没有考虑到动态影响的可能性，导致大桥桥面发生扭转。