A380通過全機(jī)地面共振試驗(yàn)，驗(yàn)證和考察飛機(jī)動態(tài)特性，為完善顫振分析提供可靠的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。資料圖
7月15日，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）稱，數(shù)據(jù)分析顯示波音747-8飛機(jī)在高過載飛行狀態(tài)下且某些系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)可能會出現(xiàn)顫振現(xiàn)象。FAA要求波音在未來五年內(nèi)對飛機(jī)的機(jī)翼進(jìn)行改進(jìn)，以規(guī)避顫振風(fēng)險(xiǎn)。
縱觀人類航空發(fā)展百余年歷程，氣動彈性問題幾乎伴隨飛機(jī)發(fā)展的全過程。其中，顫振無疑是最引人關(guān)注的現(xiàn)象，不僅是因?yàn)樗膹?fù)雜性，更重要是顫振會造成災(zāi)難性的后果。
什么是顫振
五百多年前，意大利人利奧那多·達(dá)·芬奇模仿鳥類飛行造出了一架撲翼機(jī)，之后人們經(jīng)過長期反復(fù)的實(shí)踐，終于在1903年發(fā)明了飛機(jī)，實(shí)現(xiàn)了飛上天空的夢想。此后30年，飛機(jī)不論在速度、高度和飛行距離上都超過了鳥類。
但當(dāng)飛機(jī)飛行變得更快更高時(shí)，設(shè)計(jì)師又碰到了一個(gè)難題，就是顫振現(xiàn)象。顫振曾多次造成飛機(jī)墜落，許多飛行員因而喪生，飛機(jī)設(shè)計(jì)師們?yōu)榇嘶ㄙM(fèi)了巨大的精力研究顫振現(xiàn)象。當(dāng)今，顫振仍然是飛機(jī)設(shè)計(jì)必須要考慮的問題，對飛機(jī)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
氣動彈性力學(xué)中，顫振是彈性體在氣流中發(fā)生的不穩(wěn)定振動現(xiàn)象。飛機(jī)顫振是作用在機(jī)翼、尾翼等結(jié)構(gòu)上的非定�？諝鈩恿�、慣性力以及彈性力耦合引起的振幅不衰減的自激振動。顫振屬于氣動彈性穩(wěn)定性問題，具有多種現(xiàn)象形態(tài)，就其空氣動力方面發(fā)生的原因而言，顫振問題可分為兩大類。第一類是發(fā)生在勢流中，流動分離和邊界層效應(yīng)對顫振過程沒有重要影響，通常稱為經(jīng)典顫振。第二類是與流動分離和漩渦形成有直接關(guān)系，可稱為失速顫振。
20世紀(jì)70年代起，寬頻帶伺服控制系統(tǒng)開始應(yīng)用于飛機(jī)。隨著現(xiàn)代飛機(jī)柔性的增大，飛機(jī)系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)之間耦合變得不可忽略，飛機(jī)結(jié)構(gòu)彈性振動信號與剛體運(yùn)動信號一起被傳感器接收，經(jīng)飛行控制系統(tǒng)處理后驅(qū)動舵面偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的氣動力變化激勵(lì)機(jī)體產(chǎn)生振動，也會影響飛機(jī)的顫振特性，這類現(xiàn)象可稱為氣動伺服彈性。
飛機(jī)一旦在空中發(fā)生顫振，會在極短的時(shí)間內(nèi)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)毀滅性的破壞，飛行員幾乎沒有處置時(shí)間，因此飛機(jī)飛行包線內(nèi)不容許發(fā)生顫振現(xiàn)象，對于民用飛機(jī)來說，對顫振的要求更為苛刻，須通過大量的理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、地面試驗(yàn)以及顫振試飛來驗(yàn)證飛機(jī)滿足適航條款的規(guī)定。
為什么會發(fā)生顫振
1941年11月4日，美國洛克希德公司研制的高速戰(zhàn)斗機(jī)的原型機(jī)YP-38“閃電”在加州的格倫代爾上空試飛時(shí)，試飛員拉爾夫·費(fèi)登沒能把飛機(jī)從俯沖狀態(tài)拉起，飛機(jī)發(fā)生顫振，隨即空中解體。后來事故調(diào)查發(fā)現(xiàn)，顫振分析時(shí)沒有考慮空氣壓縮性效應(yīng)。在此之前，飛機(jī)的氣動理論是建立在空氣不可壓縮的假設(shè)基礎(chǔ)上，在飛行速度不大時(shí)，由飛機(jī)運(yùn)動引起的空氣密度變化不大，空氣可認(rèn)為是不可壓縮的。但當(dāng)飛行速度提高到一定程度時(shí)，空氣壓縮性是必須考慮的。對于現(xiàn)代大型飛機(jī)，空氣壓縮性的影響是必須考慮的。
隨著飛機(jī)的不斷發(fā)展，飛機(jī)發(fā)生顫振的機(jī)理變得越來越復(fù)雜，氣動、結(jié)構(gòu)、氣動熱以及控制系統(tǒng)等都會參與到其中，而且從不同的角度對顫振機(jī)理的認(rèn)識會有所不同，下面從振動和能量角度來簡單闡述顫振的發(fā)生。
從振動角度來說，在地面上的飛機(jī)受到擾動后會引起振動，但由于阻尼的緣故，這種振動總是不斷衰減直至消失。在飛行中的飛機(jī)，由于種種原因，也會引起振動，但由于處于氣流中，情況就有所不同，一旦發(fā)生振動，就會引起附加的氣動力。
在這些氣動力中，有些起著激勵(lì)作用，有些起著阻尼作用。當(dāng)飛行速度較小時(shí)，由于氣動阻尼作用，振動衰減很快。當(dāng)速度增大到一定程度后，振動衰減便逐漸減慢。當(dāng)達(dá)到某一飛行速度后，擾動引起的振幅正好保持不變，這個(gè)速度便稱為顫振速度，振動頻率稱為顫振頻率。在超過臨界值很小的飛行速度下，即使偶然的小擾動也會引起飛機(jī)激烈的振動，這就發(fā)生了顫振。
從能量的觀點(diǎn)來看，以翼段結(jié)構(gòu)為研究對象，分析其能量在振動過程中的變化。翼段的能量包括動能和勢能，當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)阻尼引起的能量耗散，且沒有外力做功時(shí)，系統(tǒng)是一個(gè)保守系統(tǒng)，其動能與勢能之和為常值。若考慮結(jié)構(gòu)阻尼引起的耗散，則翼段能量會在振動過程中會逐漸降低為零，因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。若氣動力對翼段結(jié)構(gòu)做正功，且大于阻尼耗損的能量，則翼段能量就會在振動過程中逐漸累積，導(dǎo)致振動響應(yīng)的無限擴(kuò)大，從而引發(fā)失穩(wěn)，發(fā)生顫振。
如何預(yù)防顫振
昆蟲早在三億年前就飛翔在空中了，它們毫不例外地受到了顫振的危害，但經(jīng)過長期的進(jìn)化，昆蟲早已成功地獲得了防止顫振的方法。蜻蜓無疑是昆蟲王國中出色的飛行家。它不僅飛得快，飛得高，而且能做到許多現(xiàn)代飛機(jī)做不到的高難度動作。如果把翼眼去掉，蜻蜓的飛行會變得搖擺不定。
飛機(jī)設(shè)計(jì)師從蜻蜓的翼眼中受到啟發(fā)，模仿蜻蜓的翅膀，在機(jī)翼的前緣末端，增加配重，使機(jī)翼重心位置前移，使得某些機(jī)型的顫振問題得以解決。飛機(jī)設(shè)計(jì)師們大有相識恨晚之感，不然就可以避免許多人員的犧牲。
消除顫振是飛機(jī)顫振工程師的最終目標(biāo)，然而飛機(jī)顫振的機(jī)理復(fù)雜，只有在飛機(jī)設(shè)計(jì)的最后階段，飛機(jī)結(jié)構(gòu)、氣動構(gòu)型、控制系統(tǒng)等能夠被合理準(zhǔn)確地建立起來了，這時(shí)才能對新設(shè)計(jì)的飛機(jī)進(jìn)行精確的顫振特性分析。
然而防止顫振研究在新型號飛機(jī)研制的早期階段就要開始進(jìn)行，這種研究貫穿于新型號飛機(jī)研制的全過程。通常，防止顫振研究包括顫振理論分析、縮比顫振模型的高低速風(fēng)洞試驗(yàn)、全機(jī)地面共振試驗(yàn)以及顫振飛行試驗(yàn)等。
由于理論分析和試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮趯φ鎸?shí)飛機(jī)的模擬上存在固有的不足，飛機(jī)顫振飛行試驗(yàn)處于防顫振研究的最終環(huán)節(jié)，既以各項(xiàng)計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)和地面試驗(yàn)的結(jié)果為基礎(chǔ)，又是這些工作的補(bǔ)充和鑒定。
顫振試飛是每架新機(jī)或重大改型飛機(jī)必須進(jìn)行的Ⅰ類風(fēng)險(xiǎn)科目，也是中國民航適航規(guī)章（CCAR-25部）中明確規(guī)定必須完成的科目，其過程充滿了未知和風(fēng)險(xiǎn)。進(jìn)行顫振試飛時(shí)，試驗(yàn)機(jī)其實(shí)是在“亞臨界”狀態(tài)下進(jìn)行的，試飛員在空中通過既定的激勵(lì)方法和程序，誘發(fā)飛機(jī)產(chǎn)生“顫振”，從而達(dá)到試驗(yàn)的目的。顫振試飛必須進(jìn)行直至限制速度的各種速度，以驗(yàn)證在整個(gè)規(guī)定的飛行限制速度包線范圍內(nèi)，所有的飛機(jī)臨界構(gòu)形都無任何顫振現(xiàn)象，以及在通過外推飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的1.15倍限制速度之內(nèi)，沒有任何氣動彈性不穩(wěn)定性出現(xiàn)。因而，飛機(jī)顫振飛行試驗(yàn)成為驗(yàn)證新機(jī)和型號改型的顫振安全性必不可少、最有說服力的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
國產(chǎn)飛機(jī)在顫振技術(shù)上的探索
ARJ21飛機(jī)是我國首架具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新型渦扇支線客機(jī)，中國商飛已經(jīng)完成了ARJ21飛機(jī)的顫振試飛工作，獲得了適航認(rèn)證，取得了型號合格證，并且即將交付用戶。
這表明中國商飛已經(jīng)形成了系統(tǒng)性的民機(jī)顫振設(shè)計(jì)、分析和試驗(yàn)?zāi)芰�，并且在型號研制中突破了多�?xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。然而每個(gè)型號飛機(jī)都有自身的顫振特性，必須進(jìn)行深入的研究。
北研中心強(qiáng)度分析技術(shù)研究部載荷與動力學(xué)專業(yè)組在上飛院研究員章俊杰的指導(dǎo)下，開展了顫振風(fēng)洞試驗(yàn)相關(guān)技術(shù)研究，主要用于處理顫振風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)域數(shù)據(jù)和預(yù)測顫振邊界。該技術(shù)在C919的顫振風(fēng)洞試驗(yàn)工作中得以應(yīng)用，并取得了良好的效果，進(jìn)一步完善后將有利于保護(hù)風(fēng)洞模型和保障試驗(yàn)進(jìn)度。
然而每個(gè)型號飛機(jī)都有自身的顫振特性，必須進(jìn)行深入的而研究隨著未來民機(jī)對性能要求的不斷提高，復(fù)合材料應(yīng)用比例越來越高，結(jié)構(gòu)越來越輕，柔性也越來越大，氣動彈性問題越發(fā)突出。北研中心處于民機(jī)預(yù)先研究的前端，需要根據(jù)C919飛機(jī)和未來機(jī)型特點(diǎn)開展針對性的顫振技術(shù)研究，探索C919飛機(jī)和未來型號飛機(jī)的顫振特性，摸清其顫振規(guī)律，夯實(shí)預(yù)研功底，革新設(shè)計(jì)觀念，提高設(shè)計(jì)技術(shù)，使氣動彈性力學(xué)作為一種設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、規(guī)范和指導(dǎo)思想在整個(gè)飛機(jī)設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮關(guān)鍵性作用；同時(shí)北研中心需要研發(fā)具有高水準(zhǔn)的顫振技術(shù)，為型號單位提供高質(zhì)量的“武器”和“彈藥”，助力型號研制，為中國民機(jī)事業(yè)發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
日常生活中的顫振
蜻蜓的翅膀：
作為昆蟲王國中出色的飛行家，蜻蜓在高速飛行時(shí)，每秒種要揮動翅膀30～50次，可是，蜻蜓的翅膀看上去柔薄，卻能在這種高頻振動之下安然無恙。
在億萬年前，大自然就為蜻蜓配備好了奇妙的消除顫振裝置，那就是它翅膀上加厚的翼眼。實(shí)驗(yàn)證明正是翼眼的角質(zhì)組織幫助蜻蜓消除了顫振的危害。
口琴演奏：
在日常生活中，音樂總是能夠帶給人愉悅的心情。人們在演奏口琴時(shí)，口部吹出穩(wěn)定氣流后，簧片進(jìn)入顫振狀態(tài)。簧片顫振引起的擾動氣流進(jìn)一步在樂器空腔共鳴，從而產(chǎn)生悅耳的音樂。
橋梁倒塌：
1940年11月7日的美國塔科馬海峽吊橋的坍塌事件。由于吊橋設(shè)計(jì)師輕視了橋梁桁架剛度的重要性，只看到了風(fēng)產(chǎn)生的靜態(tài)水平力，并沒有考慮到動態(tài)影響的可能性，導(dǎo)致大橋橋面發(fā)生扭轉(zhuǎn)。
