飛機(jī)也是彈性體？答案是肯定的。不僅飛機(jī)有“彈性”，空氣也有“彈性”。想想我們高中物理學(xué)的知識(shí)，空氣是不是能壓縮的？由于飛機(jī)和空氣的“彈性”，引起了航空界對(duì)“氣動(dòng)彈性”問(wèn)題的關(guān)注。
氣動(dòng)彈性是引發(fā)顫振的根本原因。眾所周知，飛機(jī)在空中一旦引發(fā)顫振，后果將是災(zāi)難性的。那么C919飛機(jī)的設(shè)計(jì)師們是如何消除顫振的呢？
今天就跟著小編一起了解一下吧???
“氣動(dòng)彈性”差點(diǎn)兒改寫了航空史
1903年，萊特兄弟首次飛行前9天，蘭利教授進(jìn)行“空中旅行者”有動(dòng)力試飛，可惜以失敗告終。當(dāng)時(shí)大家對(duì)失敗原因莫衷一是，直到時(shí)隔多年，人們發(fā)現(xiàn)氣動(dòng)彈性現(xiàn)象之后，才意識(shí)到當(dāng)時(shí)失敗原因是典型的氣動(dòng)彈性問(wèn)題——機(jī)翼扭轉(zhuǎn)變形發(fā)散。
關(guān)于氣動(dòng)彈性，早期不為人知。直到一戰(zhàn)時(shí)期軍用飛機(jī)接連因顫振事故墜毀，人們才開始研究氣動(dòng)彈性問(wèn)題。30年代初，英國(guó)“蛾”號(hào)飛機(jī)連續(xù)發(fā)生顫振失事，促使航空界對(duì)氣動(dòng)彈性問(wèn)題格外關(guān)注，氣動(dòng)彈性力學(xué)作為一個(gè)分支學(xué)科大體形成在這一時(shí)期，顫振驗(yàn)證也由此時(shí)起成為設(shè)計(jì)飛機(jī)必須考查的項(xiàng)目載入強(qiáng)度規(guī)范。
簡(jiǎn)單說(shuō)，氣動(dòng)彈性產(chǎn)生的原因在于飛行器的非剛性。在高空飛行時(shí)，飛行器在空氣動(dòng)力作用下發(fā)生彈性變形，這種變形反過(guò)來(lái)又使空氣動(dòng)力隨之改變，從而導(dǎo)致進(jìn)一步的彈性變形，這樣就構(gòu)成了一種結(jié)構(gòu)變形與空氣動(dòng)力交互作用的氣動(dòng)彈性現(xiàn)象。
70年代，由于電傳飛行控制系統(tǒng)在飛行器上的廣泛應(yīng)用，又出現(xiàn)了空氣動(dòng)力、彈性機(jī)體和飛行控制系統(tǒng)相互耦合的氣動(dòng)伺服彈性力學(xué)。
首飛前的兩項(xiàng)試驗(yàn)
為了消除顫振等氣動(dòng)彈性發(fā)散現(xiàn)象，一架新研制的飛機(jī)必須通過(guò)計(jì)算分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、地面振動(dòng)試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)等方法，驗(yàn)證飛機(jī)符合設(shè)計(jì)要求。其中，帶電傳飛控系統(tǒng)的飛機(jī)，首飛前必須開展兩項(xiàng)重要的機(jī)上地面試驗(yàn)：全機(jī)地面共振試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合試驗(yàn)。這兩項(xiàng)試驗(yàn)是驗(yàn)證飛機(jī)氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性的重要手段。
“C919飛機(jī)首飛前，我們通過(guò)有限元計(jì)算方法，構(gòu)建C919動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行多輪振動(dòng)特性分析以及氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性計(jì)算，然后通過(guò)全機(jī)地面共振試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合試驗(yàn)對(duì)計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證，得到飛機(jī)是否符合氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性要求的結(jié)論。”上飛院強(qiáng)度部顫振室主任竇忠謙介紹。
小編發(fā)現(xiàn)，這段話有點(diǎn)艱深……簡(jiǎn)單說(shuō)，全機(jī)地面共振試驗(yàn)就是通過(guò)人為激勵(lì)，誘發(fā)飛機(jī)達(dá)到“相位共振”，得到顫振分析需要的飛機(jī)模態(tài)特性。
試驗(yàn)時(shí)，飛機(jī)被空氣彈簧托起，以自由-自由態(tài)懸浮在空中，試驗(yàn)人員給飛機(jī)施加激勵(lì)，找到誘發(fā)飛機(jī)共振的點(diǎn)，此時(shí)飛機(jī)各部位安裝的加速度傳感器將記錄下頻率、阻尼、振型等數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是后期開展飛機(jī)氣動(dòng)彈性分析和試驗(yàn)試飛的重要輸入和依據(jù)。
什么是“帶控顫振”？
全機(jī)地面共振試驗(yàn)是經(jīng)典的氣動(dòng)彈性試驗(yàn)，研究的是彈性飛機(jī)本身受到彈性力與慣性力之間的交互作用，獲取彈性飛機(jī)本身固有的模態(tài)特性。而顫振研究的是空氣動(dòng)力與彈性飛機(jī)之間的交互作用。
隨著全電傳飛控系統(tǒng)的普及，人們發(fā)現(xiàn)，不僅空氣動(dòng)力與彈性飛機(jī)之間會(huì)相互作用，空氣動(dòng)力、彈性飛機(jī)和飛行控制系統(tǒng)之間也會(huì)相互耦合，這就出現(xiàn)了氣動(dòng)伺服彈性問(wèn)題。
氣動(dòng)伺服彈性可以被認(rèn)為是“帶控顫振”，它與顫振同屬飛機(jī)氣動(dòng)彈性穩(wěn)定性研究范疇。驗(yàn)證氣動(dòng)伺服彈性問(wèn)題的重要手段就是結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合試驗(yàn)。
飛行控制系統(tǒng)的核心之一是其中的控制律算法，當(dāng)飛行員操縱飛機(jī)時(shí)，發(fā)出的操縱指令信號(hào)經(jīng)飛控計(jì)算機(jī)（FCM）進(jìn)行控制律運(yùn)算，然后通過(guò)遠(yuǎn)程控制單元（REU）操作飛機(jī)舵面偏轉(zhuǎn)，安裝在飛機(jī)上的慣導(dǎo)感知飛機(jī)姿態(tài)變化，將數(shù)據(jù)反饋給FCM進(jìn)行控制律運(yùn)算，完成一個(gè)閉環(huán)傳遞。FCM會(huì)根據(jù)控制律算法對(duì)舵面偏轉(zhuǎn)進(jìn)行優(yōu)化，在一個(gè)一個(gè)閉環(huán)傳遞過(guò)程中使飛機(jī)達(dá)到最優(yōu)的飛行狀態(tài)。
“如果控制律設(shè)計(jì)基于剛性飛機(jī)的假設(shè)，不考慮由于飛機(jī)彈性給飛行控制系統(tǒng)帶來(lái)的影響，就有可能造成‘舵面期望運(yùn)動(dòng)’與飛機(jī)實(shí)際舵面運(yùn)動(dòng)相悖，導(dǎo)致控制律原本的‘優(yōu)化方案’變成‘發(fā)散方案’，最終引發(fā)飛機(jī)顫振?！?結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合試驗(yàn)負(fù)責(zé)人范石磊說(shuō)。
“氣動(dòng)伺服彈性設(shè)計(jì)的目的是把彈性飛機(jī)給飛控系統(tǒng)帶來(lái)的影響納入控制律設(shè)計(jì)中，得到彈性分析與飛控系統(tǒng)的耦合裕度，并通過(guò)結(jié)構(gòu)模態(tài)耦合試驗(yàn)驗(yàn)證計(jì)算是否準(zhǔn)確。”
消除顫振是飛機(jī)顫振工程師們的終極目標(biāo)，但是飛機(jī)顫振機(jī)理復(fù)雜，只有在飛機(jī)設(shè)計(jì)后期，飛機(jī)結(jié)構(gòu)、氣動(dòng)構(gòu)型、飛控系統(tǒng)等準(zhǔn)確建立起來(lái)了，才能對(duì)所設(shè)計(jì)的飛機(jī)進(jìn)行精確的顫振分析。
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