【趣聊航空】

在飛行過程中，有一種令無數(shù)飛行員“談之色變”的現(xiàn)象，那就是“顫振”。因?yàn)橐坏┰陲w行中發(fā)生顫振并發(fā)散，飛機(jī)就會(huì)在幾秒鐘內(nèi)解體，飛行員幾乎沒有處置的時(shí)間，很容易造成機(jī)毀人亡的災(zāi)難性后果。

本期“趣聊航空”就帶大家一起來了解一下什么是顫振？顫振是如何發(fā)生的？飛機(jī)又是如何預(yù)防顫振發(fā)生的？

(資料圖片僅供參考)

顫振是指彈性體（機(jī)體）在與氣流的相對(duì)運(yùn)動(dòng)中，受到氣動(dòng)力、彈性力和慣性力之間耦合作用而引起的一種振幅不斷擴(kuò)大的振動(dòng)現(xiàn)象，顫振本質(zhì)上是一種自激振動(dòng)。

要理解這樣一個(gè)復(fù)雜的概念，我們首先要抓住“彈性體”和“自激振動(dòng)”這兩個(gè)最核心的概念。

那么，我們平?？雌饋硭坪?strong>很剛硬的飛機(jī)為什么會(huì)是彈性體呢？

實(shí)際上，我們自然界中并不存在絕對(duì)的剛體，飛機(jī)也不例外，看起來似乎很剛硬的機(jī)體結(jié)構(gòu)，在受到力的作用時(shí)，同樣也會(huì)發(fā)生變形，特別是機(jī)翼、尾翼等結(jié)構(gòu)，變形的幅度更大。像波音-787飛機(jī)，在極限載荷的作用下，翼尖的彎曲變形接近8米。

不僅如此，機(jī)翼在力的作用下還會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)。正是由于飛機(jī)是一個(gè)彈性體，在受力時(shí)會(huì)發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形，才會(huì)與其他力產(chǎn)生相互作用并發(fā)生顫振。

那么，什么又是自激振動(dòng)呢？

所謂自激振動(dòng)，就是由于系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的激勵(lì)，不斷對(duì)系統(tǒng)做正功而維持的一種振動(dòng)形式。比如，飛行學(xué)員在日常訓(xùn)練中進(jìn)行的旋梯運(yùn)動(dòng)，如果我們將人和旋梯視為一個(gè)系統(tǒng)，就可以將旋梯運(yùn)動(dòng)視為一種自激振動(dòng)。那么，在做旋梯運(yùn)動(dòng)時(shí)，旋梯怎樣才能越擺越高呢？

我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋梯下落時(shí)人應(yīng)當(dāng)采取蹲下的姿態(tài)，而當(dāng)旋梯上升時(shí)，人應(yīng)當(dāng)采取站立的姿態(tài)，這樣旋梯才會(huì)越擺越高，并最終越過頂點(diǎn)。

這是由于人的重心在取立位時(shí)比取蹲位時(shí)要高，也就是說，處于上升狀態(tài)時(shí)旋梯的重心比要比下降狀態(tài)時(shí)高，這樣，作用于重心的重力在旋梯上升時(shí)對(duì)懸掛點(diǎn)O的力矩就比下降時(shí)為小，所以旋梯由高到低再由低到高這樣一個(gè)循環(huán)過程中，重力對(duì)懸掛點(diǎn)的力矩所做的總功就是正的，由于系統(tǒng)每次循環(huán)都有能量輸入，旋梯就會(huì)越蕩越高。由此可見，在人和旋梯組成的系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)部人的重力在旋梯前后擺動(dòng)的每一個(gè)循環(huán)中持續(xù)作正功，旋梯越擺越高，這樣的運(yùn)動(dòng)就是自激振動(dòng)。

而如果做旋梯運(yùn)動(dòng)時(shí)，外部有人順著旋體運(yùn)動(dòng)的方向推一把或者拉一把，旋梯也會(huì)越擺越高，但這種形式的運(yùn)動(dòng)就不再是自激振動(dòng)，而是一種強(qiáng)迫振動(dòng)。

理解了自激振動(dòng)，接下來，我們就來具體分析一下，機(jī)翼顫振這種自激振動(dòng)究竟是如何產(chǎn)生的。

我們?nèi)C(jī)翼上一個(gè)的典型剖面，剖面上有3個(gè)非常重要點(diǎn)，即剖面的氣動(dòng)力焦點(diǎn)、重心，剛心。其中，焦點(diǎn)是指氣動(dòng)力發(fā)生變化時(shí)，氣動(dòng)力增量的作用點(diǎn)，在亞聲速飛行時(shí)，焦點(diǎn)通常位于剖面弦長(zhǎng)的25%?28%處，剛心是指機(jī)翼發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)圍繞其旋轉(zhuǎn)的那個(gè)點(diǎn)，一般在弦長(zhǎng)的38%?40%處，而重心一般在弦長(zhǎng)的42%?45%處。

飛機(jī)在天上飛，和汽車在地上跑一樣，受不穩(wěn)定氣流的影響必然會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)，使得機(jī)翼偏離原平衡位置，假設(shè)機(jī)翼受氣流的擾動(dòng)，產(chǎn)生向下的彈性變形，變形后機(jī)翼結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會(huì)隨之產(chǎn)生一個(gè)欲使它恢復(fù)平衡位置的彈性力，該力作用在剛心上，而后，機(jī)翼就會(huì)產(chǎn)生向上的加速度運(yùn)動(dòng)，于是機(jī)翼上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)慣性力，該力作用在重心上，其方向與加速度的方向相反，由于重心在剖面剛心之后，那么慣性力將對(duì)剛心產(chǎn)生一個(gè)抬頭力矩，使翼剖曲相對(duì)于彈性軸產(chǎn)生順時(shí)針方向的扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)又會(huì)使得剖面產(chǎn)生附加迎角。于是，在機(jī)翼上產(chǎn)生相應(yīng)的附加氣動(dòng)力，它作用在翼剖面的焦點(diǎn)上，促使機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)一步加大。由于彈性力的作用，機(jī)翼很快回到它的初始位置。

當(dāng)機(jī)翼由下向上加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，積累了足夠大的能量，促使機(jī)翼越過初始位罝繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，使其產(chǎn)生向上的彎曲變形。同時(shí)，向上的附加氣動(dòng)力使得這種彎曲變形加大。越過初始位罝之后，彈性力和慣性力的方向改變，此時(shí)慣性力對(duì)剛心構(gòu)成低頭力矩，使得機(jī)翼逆時(shí)針扭轉(zhuǎn)，翼剖面的迎角逐漸減小，附加氣動(dòng)力也隨之減小。此時(shí)，一方面機(jī)翼繼續(xù)向上彎曲變形，另一方面攻角繼續(xù)減小，最終在彈性力的阻礙作用下，機(jī)翼向上彎曲到最大位置。

機(jī)翼向上彎曲到最大位置后，又會(huì)受到向下的彈性力，產(chǎn)生向下的加速度，進(jìn)而產(chǎn)生作用在重心，方向向上的慣性力，以致慣性力所產(chǎn)生的低頭力矩使翼剖面產(chǎn)生附加的負(fù)迎角。由負(fù)迎角產(chǎn)生的附加氣動(dòng)力繼續(xù)使翼剖面低頭，促使機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)變形加大。由于彈性力的作用，機(jī)翼又將回到初始位置。當(dāng)機(jī)翼繼續(xù)向下彎曲變形時(shí)，與上相同，機(jī)翼抬頭，翼剖面順時(shí)針扭轉(zhuǎn)，使翼剖面的（負(fù)）攻角減小，直至攻角為零。

如果飛行速度足夠大，在彈性力、慣性力和附加氣動(dòng)力三者的相互作用下，機(jī)翼振動(dòng)幅度就會(huì)越振越大，最終發(fā)生顫振。

既然顫振如此危險(xiǎn)，那飛機(jī)是如何避免顫振發(fā)生的呢？

首先，我們知道顫振發(fā)生的根本前提就是，飛機(jī)結(jié)構(gòu)是一個(gè)彈性體，才會(huì)出現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)，如果機(jī)翼剛度很大，受力后發(fā)生的彈性變形很小，就不會(huì)發(fā)生顫振。這種大展弦比的直機(jī)翼，剛度很小，因此飛行中機(jī)翼很容易像面條一樣扭來扭去。

而且在顫振中，機(jī)翼的扭轉(zhuǎn)起主要作用，因此，可以通過提高機(jī)翼抗扭剛度的方式來推遲或者避免顫振的發(fā)生。比如像我們殲-15飛機(jī)采用的后掠翼和殲-10飛機(jī)的三角翼，通過降低機(jī)翼展弦比來提高扭轉(zhuǎn)剛度，此外，還可以采用扭轉(zhuǎn)機(jī)翼的方式來提高機(jī)翼抗扭剛度，比如像F-22。

此外，我們發(fā)現(xiàn)自然界飛行中的王者——蜻蜓擁有輕薄而巨大的翅膀，從理論上講同樣也會(huì)發(fā)生“顫振”，但實(shí)際上，蜻蜓卻絲毫沒有受到“顫振”的影響，這是為什么呢？

研究發(fā)現(xiàn)，蜻蜓翅膀的前緣存在著一個(gè)叫做“翅痣”的加厚區(qū)域，蜻蜓會(huì)通過在不同的飛行狀態(tài)下向“翅痣”中泵入血液來調(diào)整翅膀的重心和剛心位置進(jìn)而避免了顫振的發(fā)生。受蜻蜓的啟發(fā)，很多飛機(jī)在平尾的翼尖處增加配重，其目的就是為了提高平尾的抗扭剛度，進(jìn)而避免顫振的發(fā)生。

實(shí)際上，飛機(jī)在設(shè)計(jì)過程中進(jìn)行了大量預(yù)防顫振的風(fēng)洞試驗(yàn)，并且在飛機(jī)定型前還要由我們英雄的試飛員進(jìn)行嚴(yán)格的試飛，因此，交付使用的飛機(jī)在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，大家大可不必?fù)?dān)心顫振的發(fā)生。

審核：郁大照（海軍航空大學(xué)）

撰稿：宋山松

策劃：吳玉良 周堅(jiān)毅 宋雅娟 肖春芳

監(jiān)制：張　翼 戰(zhàn)　釗

出品：中國(guó)科協(xié)科普部 海軍航空大學(xué) 光明網(wǎng)