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【趣聊航空】飛機(jī)翅膀?yàn)槭裁磿?huì)發(fā)生“顫振”?_每日播報(bào)

時(shí)間:2023-03-29 14:02:56       來源:光明網(wǎng)-科普中國(guó)

【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)

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