A380通過(guò)全機地面共振試驗，驗證和考察飛機動(dòng)態(tài)特性，為完善顫振分析提供可靠的結構數據。資料圖
7月15日，美國聯(lián)邦航空管理局（FAA）稱(chēng)，數據分析顯示波音747-8飛機在高過(guò)載飛行狀態(tài)下且某些系統發(fā)生故障時(shí)可能會(huì )出現顫振現象。FAA要求波音在未來(lái)五年內對飛機的機翼進(jìn)行改進(jìn)，以規避顫振風(fēng)險。
縱觀(guān)人類(lèi)航空發(fā)展百余年歷程，氣動(dòng)彈性問(wèn)題幾乎伴隨飛機發(fā)展的全過(guò)程。其中，顫振無(wú)疑是最引人關(guān)注的現象，不僅是因為它的復雜性，更重要是顫振會(huì )造成災難性的后果。
什么是顫振
五百多年前，意大利人利奧那多·達·芬奇模仿鳥(niǎo)類(lèi)飛行造出了一架撲翼機，之后人們經(jīng)過(guò)長(cháng)期反復的實(shí)踐，終于在1903年發(fā)明了飛機，實(shí)現了飛上天空的夢(mèng)想。此后30年，飛機不論在速度、高度和飛行距離上都超過(guò)了鳥(niǎo)類(lèi)。
但當飛機飛行變得更快更高時(shí)，設計師又碰到了一個(gè)難題，就是顫振現象。顫振曾多次造成飛機墜落，許多飛行員因而喪生，飛機設計師們?yōu)榇嘶ㄙM了巨大的精力研究顫振現象。當今，顫振仍然是飛機設計必須要考慮的問(wèn)題，對飛機設計至關(guān)重要。
氣動(dòng)彈性力學(xué)中，顫振是彈性體在氣流中發(fā)生的不穩定振動(dòng)現象。飛機顫振是作用在機翼、尾翼等結構上的非定�？諝鈩�(dòng)力、慣性力以及彈性力耦合引起的振幅不衰減的自激振動(dòng)。顫振屬于氣動(dòng)彈性穩定性問(wèn)題，具有多種現象形態(tài)，就其空氣動(dòng)力方面發(fā)生的原因而言，顫振問(wèn)題可分為兩大類(lèi)。第一類(lèi)是發(fā)生在勢流中，流動(dòng)分離和邊界層效應對顫振過(guò)程沒(méi)有重要影響，通常稱(chēng)為經(jīng)典顫振。第二類(lèi)是與流動(dòng)分離和漩渦形成有直接關(guān)系，可稱(chēng)為失速顫振。
20世紀70年代起，寬頻帶伺服控制系統開(kāi)始應用于飛機。隨著(zhù)現代飛機柔性的增大，飛機系統與飛行控制系統之間耦合變得不可忽略，飛機結構彈性振動(dòng)信號與剛體運動(dòng)信號一起被傳感器接收，經(jīng)飛行控制系統處理后驅動(dòng)舵面偏轉，偏轉產(chǎn)生的氣動(dòng)力變化激勵機體產(chǎn)生振動(dòng)，也會(huì )影響飛機的顫振特性，這類(lèi)現象可稱(chēng)為氣動(dòng)伺服彈性。
飛機一旦在空中發(fā)生顫振，會(huì )在極短的時(shí)間內導致結構毀滅性的破壞，飛行員幾乎沒(méi)有處置時(shí)間，因此飛機飛行包線(xiàn)內不容許發(fā)生顫振現象，對于民用飛機來(lái)說(shuō)，對顫振的要求更為苛刻，須通過(guò)大量的理論分析、風(fēng)洞試驗、地面試驗以及顫振試飛來(lái)驗證飛機滿(mǎn)足適航條款的規定。
為什么會(huì )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斗機的原型機YP-38“閃電”在加州的格倫代爾上空試飛時(shí)，試飛員拉爾夫·費登沒(méi)能把飛機從俯沖狀態(tài)拉起，飛機發(fā)生顫振，隨即空中解體。后來(lái)事故調查發(fā)現，顫振分析時(shí)沒(méi)有考慮空氣壓縮性效應。在此之前，飛機的氣動(dòng)理論是建立在空氣不可壓縮的假設基礎上，在飛行速度不大時(shí)，由飛機運動(dòng)引起的空氣密度變化不大，空氣可認為是不可壓縮的。但當飛行速度提高到一定程度時(shí)，空氣壓縮性是必須考慮的。對于現代大型飛機，空氣壓縮性的影響是必須考慮的。
隨著(zhù)飛機的不斷發(fā)展，飛機發(fā)生顫振的機理變得越來(lái)越復雜，氣動(dòng)、結構、氣動(dòng)熱以及控制系統等都會(huì )參與到其中，而且從不同的角度對顫振機理的認識會(huì )有所不同，下面從振動(dòng)和能量角度來(lái)簡(jiǎn)單闡述顫振的發(fā)生。
從振動(dòng)角度來(lái)說(shuō)，在地面上的飛機受到擾動(dòng)后會(huì )引起振動(dòng)，但由于阻尼的緣故，這種振動(dòng)總是不斷衰減直至消失。在飛行中的飛機，由于種種原因，也會(huì )引起振動(dòng)，但由于處于氣流中，情況就有所不同，一旦發(fā)生振動(dòng)，就會(huì )引起附加的氣動(dòng)力。
在這些氣動(dòng)力中，有些起著(zhù)激勵作用，有些起著(zhù)阻尼作用。當飛行速度較小時(shí)，由于氣動(dòng)阻尼作用，振動(dòng)衰減很快。當速度增大到一定程度后，振動(dòng)衰減便逐漸減慢。當達到某一飛行速度后，擾動(dòng)引起的振幅正好保持不變，這個(gè)速度便稱(chēng)為顫振速度，振動(dòng)頻率稱(chēng)為顫振頻率。在超過(guò)臨界值很小的飛行速度下，即使偶然的小擾動(dòng)也會(huì )引起飛機激烈的振動(dòng)，這就發(fā)生了顫振。
從能量的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，以翼段結構為研究對象，分析其能量在振動(dòng)過(guò)程中的變化。翼段的能量包括動(dòng)能和勢能，當不考慮結構阻尼引起的能量耗散，且沒(méi)有外力做功時(shí)，系統是一個(gè)保守系統，其動(dòng)能與勢能之和為常值。若考慮結構阻尼引起的耗散，則翼段能量會(huì )在振動(dòng)過(guò)程中會(huì )逐漸降低為零，因此系統是穩定的。若氣動(dòng)力對翼段結構做正功，且大于阻尼耗損的能量，則翼段能量就會(huì )在振動(dòng)過(guò)程中逐漸累積，導致振動(dòng)響應的無(wú)限擴大，從而引發(fā)失穩，發(fā)生顫振。
如何預防顫振
昆蟲(chóng)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(guò)長(cháng)期的進(jìn)化，昆蟲(chóng)早已成功地獲得了防止顫振的方法。蜻蜓無(wú)疑是昆蟲(chóng)王國中出色的飛行家。它不僅飛得快，飛得高，而且能做到許多現代飛機做不到的高難度動(dòng)作。如果把翼眼去掉，蜻蜓的飛行會(huì )變得搖擺不定。
飛機設計師從蜻蜓的翼眼中受到啟發(fā)，模仿蜻蜓的翅膀，在機翼的前緣末端，增加配重，使機翼重心位置前移，使得某些機型的顫振問(wèn)題得以解決。飛機設計師們大有相識恨晚之感，不然就可以避免許多人員的犧牲。
消除顫振是飛機顫振工程師的最終目標，然而飛機顫振的機理復雜，只有在飛機設計的最后階段，飛機結構、氣動(dòng)構型、控制系統等能夠被合理準確地建立起來(lái)了，這時(shí)才能對新設計的飛機進(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研制的早期階段就要開(kāi)始進(jìn)行，這種研究貫穿于新型號飛機研制的全過(guò)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、全機地面共振試驗以及顫振飛行試驗等。
由于理論分析和試驗模型在對真實(shí)飛機的模擬上存在固有的不足，飛機顫振飛行試驗處于防顫振研究的最終環(huán)節，既以各項計算、風(fēng)洞試驗和地面試驗的結果為基礎，又是這些工作的補充和鑒定。
顫振試飛是每架新機或重大改型飛機必須進(jìn)行的Ⅰ類(lèi)風(fēng)險科目，也是中國民航適航規章（CCAR-25部）中明確規定必須完成的科目，其過(guò)程充滿(mǎn)了未知和風(fēng)險。進(jìn)行顫振試飛時(shí)，試驗機其實(shí)是在“亞臨界”狀態(tài)下進(jìn)行的，試飛員在空中通過(guò)既定的激勵方法和程序，誘發(fā)飛機產(chǎn)生“顫振”，從而達到試驗的目的。顫振試飛必須進(jìn)行直至限制速度的各種速度，以驗證在整個(gè)規定的飛行限制速度包線(xiàn)范圍內，所有的飛機臨界構形都無(wú)任何顫振現象，以及在通過(guò)外推飛行試驗數據得到的1.15倍限制速度之內，沒(méi)有任何氣動(dòng)彈性不穩定性出現。因而，飛機顫振飛行試驗成為驗證新機和型號改型的顫振安全性必不可少、最有說(shuō)服力的關(guān)鍵環(huán)節。
國產(chǎn)飛機在顫振技術(shù)上的探索
ARJ21飛機是我國首架具有自主知識產(chǎn)權的新型渦扇支線(xiàn)客機，中國商飛已經(jīng)完成了ARJ21飛機的顫振試飛工作，獲得了適航認證，取得了型號合格證，并且即將交付用戶(hù)。
這表明中國商飛已經(jīng)形成了系統性的民機顫振設計、分析和試驗能力，并且在型號研制中突破了多項關(guān)鍵技術(shù)。然而每個(gè)型號飛機都有自身的顫振特性，必須進(jìn)行深入的研究。
北研中心強度分析技術(shù)研究部載荷與動(dòng)力學(xué)專(zhuān)業(yè)組在上飛院研究員章俊杰的指導下，開(kāi)展了顫振風(fēng)洞試驗相關(guān)技術(shù)研究，主要用于處理顫振風(fēng)洞試驗時(shí)域數據和預測顫振邊界。該技術(shù)在C919的顫振風(fēng)洞試驗工作中得以應用，并取得了良好的效果，進(jìn)一步完善后將有利于保護風(fēng)洞模型和保障試驗進(jìn)度。
然而每個(gè)型號飛機都有自身的顫振特性，必須進(jìn)行深入的而研究隨著(zhù)未來(lái)民機對性能要求的不斷提高，復合材料應用比例越來(lái)越高，結構越來(lái)越輕，柔性也越來(lái)越大，氣動(dòng)彈性問(wèn)題越發(fā)突出。北研中心處于民機預先研究的前端，需要根據C919飛機和未來(lái)機型特點(diǎn)開(kāi)展針對性的顫振技術(shù)研究，探索C919飛機和未來(lái)型號飛機的顫振特性，摸清其顫振規律，夯實(shí)預研功底，革新設計觀(guān)念，提高設計技術(shù)，使氣動(dòng)彈性力學(xué)作為一種設計準則、規范和指導思想在整個(gè)飛機設計過(guò)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，為中國民機事業(yè)發(fā)展作出貢獻。
日常生活中的顫振
蜻蜓的翅膀：
作為昆蟲(chóng)王國中出色的飛行家，蜻蜓在高速飛行時(shí)，每秒種要揮動(dòng)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(dòng)之下安然無(wú)恙。
在億萬(wàn)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(lè )總是能夠帶給人愉悅的心情。人們在演奏口琴時(shí)，口部吹出穩定氣流后，簧片進(jìn)入顫振狀態(tài)�；善澱褚鸬臄_動(dòng)氣流進(jìn)一步在樂(lè )器空腔共鳴，從而產(chǎn)生悅耳的音樂(lè )。
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。由于吊橋設計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(méi)有考慮到動(dòng)態(tài)影響的可能性，導致大橋橋面發(fā)生扭轉。
