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說到飛行第一人,大多數(shù)小伙伴的心中都會(huì)快速浮想出一個(gè)名字——萊特兄弟。1903年萊特兄弟在美國(guó)駕駛著“飛行者一號(hào)”完成了人類第一次有動(dòng)力飛行,讓飛機(jī)成為了歷史上最偉大的發(fā)明之一,也拉開了人類動(dòng)力航空史的帷幕。然而就在萊特兄弟試飛前九天,美國(guó)Smithsonian學(xué)院的年近古稀的美國(guó)航空先驅(qū)Langley教授在Potomac河畔進(jìn)行了他的“空中旅行者”號(hào)有動(dòng)力的飛行試驗(yàn)。遺憾的是飛機(jī)彈射發(fā)射飛行了1006米后墜落在水面,這次人類史上第一次重于空氣有動(dòng)力的飛行試驗(yàn)失敗了。
然而成王敗寇,這一轟動(dòng)一時(shí)的創(chuàng)舉在歷史車輪的洗刷下已逐漸被人們忘卻。事后多年隨著飛機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)水平的提升,人們才意識(shí)到這是典型的氣動(dòng)彈性扭轉(zhuǎn)發(fā)散問題。美國(guó)Collar教授曾評(píng)論說:“若不是氣動(dòng)彈性問題,Langley可能要取代萊特兄弟的歷史地位?！睘榱吮碚煤图o(jì)念Langley教授為航空史做出的貢獻(xiàn),成立了以他名字命名的美國(guó)國(guó)家航空航天局蘭利中心,該中心一直從事航空航天以及大氣環(huán)境等基礎(chǔ)和創(chuàng)新問題的研究,是NASA最具代表性的研究機(jī)構(gòu)之一。
氣動(dòng)彈性具有決定飛行成敗的作用,甚至差點(diǎn)改寫歷史的地位。氣動(dòng)彈性是專門研究飛行器在流場(chǎng)作用下的彈性變形、振動(dòng)、以及其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的學(xué)科。因?yàn)轱w行器的彈性變形和振動(dòng)會(huì)反過來(lái)進(jìn)一步影響飛行器周圍的流場(chǎng),因此氣動(dòng)彈性是典型的流固耦合交叉學(xué)科。
迎風(fēng)飄揚(yáng)的紅旗、遭遇氣流顛簸的飛機(jī)、在風(fēng)中呼嘯抖動(dòng)的電線、甚至在水里自如游動(dòng)的魚類,以及最近的虎門大橋異常抖動(dòng),這些都是氣動(dòng)彈性在發(fā)揮著作用。
然而由于氣動(dòng)彈性涉及到結(jié)構(gòu)與流場(chǎng)的相互作用和影響,很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)飛行器設(shè)計(jì)師無(wú)法弄清楚其中的耦合機(jī)理和作用形式,曾經(jīng)一度成為飛行器設(shè)計(jì)最為頭疼得的關(guān)鍵問題,也屢次出現(xiàn)了因?yàn)闅鈩?dòng)彈性問題而引發(fā)的飛行事故。第一次世界大戰(zhàn)中,英國(guó)的轟炸機(jī)出現(xiàn)了尾翼的氣動(dòng)彈性顫振而墜毀,德國(guó)多架飛機(jī)高速俯沖時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)發(fā)散而破壞解體。除此之外,民用方面氣動(dòng)彈性的問題也在日益增長(zhǎng)。1940年建成通車才4個(gè)月的美國(guó)Tacoma線索橋在18m/s低風(fēng)速下發(fā)生氣動(dòng)彈性顫振而倒塌。
在早期的飛行器設(shè)計(jì)中,氣動(dòng)彈性問題是設(shè)計(jì)師要極力回避的問題,直到上世紀(jì)50年代,美國(guó)在飛翼飛行器設(shè)計(jì)中遇到的最大瓶頸就是為了提高結(jié)構(gòu)剛度回避氣動(dòng)彈性作用,即使把當(dāng)前最先進(jìn)的材料彈性模量提高一倍也仍舊無(wú)法徹底解決氣動(dòng)彈性問題。一方面面對(duì)新技術(shù)迫切發(fā)展的需求,另一方面是暫時(shí)無(wú)法提升的材料和結(jié)構(gòu)技術(shù)的現(xiàn)狀,催生了飛行器設(shè)計(jì)師們新的靈感——主動(dòng)氣動(dòng)彈性技術(shù)。其本質(zhì)思想就是既然氣動(dòng)彈性效應(yīng)無(wú)法避免,不如放大利用這種效應(yīng),直接正面剛——從被動(dòng)的防御避免轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)利用。
美國(guó)70年代先后發(fā)起了AFW(自適應(yīng)機(jī)翼技術(shù))和AAW(主動(dòng)氣動(dòng)彈性機(jī)翼)技術(shù),通過傳感系統(tǒng)和主動(dòng)控制系統(tǒng),利用飛行器柔性結(jié)構(gòu)(通常是機(jī)翼、舵面等)使飛行器產(chǎn)生期望的彈性變形(通常是該飛行狀態(tài)最佳氣動(dòng)外形)達(dá)到減小振動(dòng),降低油耗,提升飛行性能的目的,在此基礎(chǔ)上飛行器就可以進(jìn)一步減少不必要的結(jié)構(gòu)重量,實(shí)現(xiàn)增加航程,提升性能等目的。美國(guó)經(jīng)5年近60次飛行表明,通過機(jī)翼主動(dòng)自適應(yīng)變形,設(shè)計(jì)巡航點(diǎn)阻力減小7%,非設(shè)計(jì)狀態(tài)阻力減小超過20%。利用主動(dòng)氣動(dòng)彈性技術(shù)實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)亞音速戰(zhàn)斗機(jī)減重7%~10%,先進(jìn)超音速戰(zhàn)斗機(jī)減重18%。歐洲航空局研究表明氣動(dòng)彈性主動(dòng)控制不但能減小誘導(dǎo)阻力,還能增強(qiáng)滾轉(zhuǎn)控制能力,智能結(jié)構(gòu)構(gòu)成的連續(xù)變形控制面,可消除縫隙,使模型升阻比提高15%。
國(guó)內(nèi)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究也正如火如荼,航空航天特色院校和研究場(chǎng)所均開展了相關(guān)研究。航天科工三院立足型號(hào)設(shè)計(jì)需求和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),持續(xù)開展了主動(dòng)氣動(dòng)彈性技術(shù)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。
近期,航天三院設(shè)計(jì)的主動(dòng)氣動(dòng)彈性高速驗(yàn)證機(jī)在河北滄州飛行基地成功首飛。這架驗(yàn)證機(jī)主要是驗(yàn)證主動(dòng)氣動(dòng)彈性技術(shù)在陣風(fēng)減緩方面的應(yīng)用和效果。驗(yàn)證機(jī)采用大展弦比柔性翼設(shè)計(jì),強(qiáng)勁的渦噴式發(fā)動(dòng)機(jī)可實(shí)現(xiàn)飛行速度250km/h以上。
此次飛行平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了陣風(fēng)減緩驗(yàn)證機(jī)尺寸規(guī)模、動(dòng)力模式、飛行速度以及主動(dòng)控制系統(tǒng)質(zhì)的飛躍。第一視角的機(jī)載圖傳系統(tǒng)與地面站進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互,可以準(zhǔn)確直觀獲取飛行參數(shù)。分布式測(cè)量傳感系統(tǒng)在線反饋機(jī)翼振動(dòng)和變形信息,通過陣風(fēng)減緩主動(dòng)控制系統(tǒng)自適應(yīng)的參數(shù)調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)不同飛行狀態(tài)較好的陣風(fēng)減緩效果。
此次飛行試驗(yàn)偶遇5級(jí)強(qiáng)風(fēng),驗(yàn)證機(jī)柔性機(jī)翼變形振動(dòng)顯著,主動(dòng)控制系統(tǒng)開啟后機(jī)翼振動(dòng)明顯減弱。此次試飛驗(yàn)證了驗(yàn)證機(jī)布局、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性,機(jī)載傳感測(cè)量系統(tǒng)的可靠性以及主動(dòng)控制系統(tǒng)與飛行系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性。有了這項(xiàng)技術(shù),以后飛機(jī)遇到氣流顛簸小伙伴們就再也不用害怕的心驚肉跳,空姐也能正常進(jìn)行客艙服務(wù),會(huì)讓害怕坐飛機(jī)的你體會(huì)到飛行的樂趣。(光明網(wǎng) 記者 宋雅娟)
