[科普中國(guó)]-飛機(jī)顫振

簡(jiǎn)介

對(duì)于因氣動(dòng)彈性原因引起的、飛機(jī)部件的不衰減且振幅相當(dāng)大的振動(dòng)稱為顫振。飛機(jī)顫振是一種復(fù)雜的氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定現(xiàn)象，會(huì)對(duì)飛機(jī)飛行安全構(gòu)成極大的威脅。顫振是一種自激振動(dòng)，屬于一種不穩(wěn)定現(xiàn)象。當(dāng)飛機(jī)在氣流中運(yùn)動(dòng)并到達(dá)某一速度時(shí)，在非定?？諝鈩?dòng)力、慣性力和彈性力的相互作用下，剛好使其振動(dòng)持續(xù)下去，就發(fā)生顫振，該飛行速度即為顫振臨界速度1。

對(duì)于飛機(jī)而言，其空氣動(dòng)力將隨著飛機(jī)飛行速度的增加而增加，因此存在一個(gè)臨界速度，在這個(gè)速度下，飛機(jī)結(jié)構(gòu)將變的不穩(wěn)定。當(dāng)飛行速度低于顫振速度時(shí)，振動(dòng)是衰減的；等于顫振速度時(shí)，振動(dòng)保持等幅；高于顫振速度時(shí)，振動(dòng)是發(fā)散的，從而會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)結(jié)構(gòu)的破壞，對(duì)飛機(jī)的飛行安全構(gòu)成極大的威脅。因此，顫振是飛機(jī)動(dòng)氣動(dòng)彈性問題所最引起關(guān)注的現(xiàn)象。

分類顫振作為氣動(dòng)彈性動(dòng)穩(wěn)定性問題，具有多種現(xiàn)象形態(tài)，但就其空氣動(dòng)力方面發(fā)生的原因而言，顫振問題可以分為兩大類：

第一類的特征是發(fā)生于勢(shì)流中，因此流動(dòng)分離和邊界層效應(yīng)對(duì)顫振過程沒有重要影響，這類顫振主要發(fā)生于飛行器結(jié)構(gòu)的流線型剖面升力系統(tǒng)中，如機(jī)翼彎扭耦合顫振、機(jī)翼-副翼等操縱面耦合顫振等通常稱為“經(jīng)典顫振”。

第二類顫振問題與流動(dòng)分離和旋渦形成直接關(guān)系，通常稱為“失速顫振”。失速顫振是一種升力面顫振，如果在全部或一部分振動(dòng)時(shí)間內(nèi)流動(dòng)發(fā)生分離，處于失速狀態(tài)，那么此時(shí)的顫振現(xiàn)象就與經(jīng)典顫振不同，其發(fā)生既不取決于慣性、彈性和氣動(dòng)耦合，也不取決于運(yùn)動(dòng)和運(yùn)動(dòng)引起的氣動(dòng)力之間的相位差。由于大攻角是使氣流和吸力面分離的必要條件，所以失速顫振與飛行攻角有關(guān)。因此失速顫振一般常發(fā)生于旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件，如螺旋槳、渦輪葉片等，因?yàn)檫@些機(jī)械有時(shí)會(huì)在接近漿葉定常失速功角的狀態(tài)下工作。對(duì)于飛機(jī)結(jié)構(gòu)而言，飛機(jī)的翼面如機(jī)翼和尾翼等，很少遇到失速顫振，一般所研究的顫振問題屬于經(jīng)典顫振，事實(shí)上這種顫振在實(shí)際中也是最危險(xiǎn)的，因?yàn)榇祟愖约ふ駝?dòng)能在幾秒鐘甚至更短的時(shí)間內(nèi)使結(jié)構(gòu)發(fā)生振動(dòng)破壞，從而引起飛行器的災(zāi)難性后果。

顫振飛行試驗(yàn)顫振飛行試驗(yàn)是驗(yàn)證飛機(jī)顫振特性的必要部分，新的型號(hào)設(shè)計(jì)和某型號(hào)設(shè)計(jì)的改型（除非已表明這種改型對(duì)氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性無重大影響）都必須進(jìn)行直至設(shè)計(jì)俯沖速度/馬赫數(shù)（VD/MD）速度包線的各種速度下全尺寸顫振飛行試驗(yàn)，以驗(yàn)證在規(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VD/MD所對(duì)應(yīng)的高度包線上，所有點(diǎn)的當(dāng)量空速在定馬赫數(shù)和定高度兩種方式下增加15%后包圍的所有高度和速度組合中，飛機(jī)都是顫振安全的2。