航空飛行器在飛行過程中的一大“頑疾”：顫振問題
顫振是彈性體在氣流中發(fā)生的不穩(wěn)定振動現(xiàn)象，它是氣動彈性力學(xué)中最重要的問題之一。彈性結(jié)構(gòu)在均勻氣流中由于受到氣動力、彈性力和慣性力的耦合作用而發(fā)生的振幅不衰減的自激振動。飛行器、高層建筑和橋梁等結(jié)構(gòu)都可能發(fā)生顫振。顫振常導(dǎo)致災(zāi)難性的結(jié)構(gòu)破壞。1940年美國的塔科馬海峽橋因顫振而倒塌就是一個例子。顫振問題在飛行器中尤為突出。
隨著航空技術(shù)的發(fā)展，顫振分析越來越顯示出重要性。早期的飛機(jī)設(shè)計基本上是按強(qiáng)度準(zhǔn)則確定結(jié)構(gòu)，并未考慮到顫振。第一次世界大戰(zhàn)初期，Handley Page轟炸機(jī)因顫振事故而墜毀事件促使英國的F·W·蘭徹斯特等人開始研究氣動彈性顫振問題。顫振研究的進(jìn)展一直取決于非定常氣動力理論的發(fā)展。
上世紀(jì)20年代末，H·G·屈斯納等人雖已建立了機(jī)翼顫振理論，但直到美國的T·西奧多森于1934年得出有舵面的諧和振動折線翼型非定�？諝鈩恿栴}的精確解以后，才有了求解機(jī)翼顫振的解析方法。飛行器在超聲速飛行時，顫振問題就更突出。因此，現(xiàn)代飛機(jī)從設(shè)計一開始就考慮顫振影響，而不是在設(shè)計完成后再以顫振標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗。大型電子計算機(jī)出現(xiàn)后，人們可通過計算和風(fēng)洞實驗進(jìn)行顫振分析。
自1916年發(fā)現(xiàn)當(dāng)飛機(jī)達(dá)到一定速度后飛機(jī)機(jī)翼、尾翼和操縱面會產(chǎn)生顫振以來，迄今還未能從設(shè)計角度完全預(yù)測和排除。據(jù)報道，1997年9月，美國一架F-117A“夜鷹”隱形戰(zhàn)斗機(jī)發(fā)生了機(jī)翼顫振，使一個機(jī)翼的大部分脫落，導(dǎo)致災(zāi)難性事故。由于飛機(jī)機(jī)翼顫振的機(jī)理復(fù)雜，目前還只能在飛機(jī)設(shè)計的最后階段進(jìn)行顫振特性分析，力求通過少量的結(jié)構(gòu)和氣動特性改進(jìn)，加上合理的主動控制技術(shù)來抑制或延遲發(fā)生顫振。通過合理設(shè)計和優(yōu)良的主動控制技術(shù)，既可提供飛行可靠性，還可減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)重量。
X系列：美國防部為應(yīng)對新興威脅而持續(xù)探索的驗證項目
為了探索航空航天眾多的未知領(lǐng)域，自上世紀(jì)40-50年代，美國人就開始了X系列試驗飛行器的研究工作。其中，X-1驗證機(jī)為首架在平飛時突破聲障的試驗機(jī)。此后，X-3、X-4、X-5 等一大批試驗飛行器相繼飛上了藍(lán)天。
除飛機(jī)外，X系列驗證機(jī)計劃還試驗了美國空軍的試驗性超燃沖壓高超聲速導(dǎo)彈。但X系列驗證機(jī)的活動都是處于項目的早期階段，用于試驗航空工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，而非部署作戰(zhàn)平臺，但相比而言，后者似乎更有影響力。然而，40年代、50年代和60年代研制的X系列試驗機(jī)雖沒有變成實際的能力，但在此過程中，卻成就了美國航空航天工業(yè)在世界的領(lǐng)先地位。
去年6月6日，美國防部負(fù)責(zé)研究與工程的助理國防部長阿蘭·夏弗于在美國國防工業(yè)協(xié)會主辦的早餐會上指出，“盡管即將出現(xiàn)財政緊縮，但工程師和科學(xué)家需要繼續(xù)開展科技研究工作，必須始終保持穩(wěn)定的資金流用于技術(shù)開發(fā)，否則美國可能會存在面臨新技術(shù)挑戰(zhàn)時措手不及的風(fēng)險。當(dāng)然，技術(shù)得到驗證后未必需要部署。我們需要持續(xù)開發(fā)技術(shù)驗證機(jī)，但是否部署它們是另外的問題。”
夏弗說，軍方必須繼續(xù)投資科學(xué)和工程工作，即使以犧牲采購項目為代價。為削弱新興的和已有的威脅，需要具有持續(xù)創(chuàng)新和驗證機(jī)開發(fā)能力，另外科學(xué)實驗還能主宰現(xiàn)有和未來平臺的經(jīng)濟(jì)可承受性。夏弗認(rèn)為值得下大力氣研究的新技術(shù)領(lǐng)域是自主性、大數(shù)據(jù)和人類系統(tǒng)。夏弗宣布支持像聯(lián)合能力技術(shù)驗證（JCTD）之類的技術(shù)開發(fā)計劃，這些計劃尋求滿足作戰(zhàn)司令官的需求。JCTD與各軍種合作，投資驗證有可能幾乎馬上就能轉(zhuǎn)化成采辦項目或直接部署的驗證機(jī)。
該計劃起初產(chǎn)生了一些有影響力的技術(shù)，諸如全球鷹和捕食者無人機(jī)。但隨后這些計劃轉(zhuǎn)為投資12-24個月長的小項目，結(jié)果之后就沒有產(chǎn)生類似的能力飛躍。夏弗已指示國防部負(fù)責(zé)快速部署的助理國防部長幫辦厄爾·懷亞特將JCTD的一半資金投入到大型驗證機(jī)上。夏弗說，今年我們沒有足夠的資金啟動新的項目，我將其視為一種重鑄該計劃的機(jī)會。我們將在2014財年啟動更大的項目。我們將繼續(xù)致力于支持作戰(zhàn)司令官，此外我們也在尋求其他主意，尋求工業(yè)界與作戰(zhàn)司令官協(xié)調(diào)后產(chǎn)生的最佳辦法。
被賦予“多用途技術(shù)試驗平臺”任務(wù)的X-56A試驗飛行器
X-56A被授予“多用途技術(shù)試驗平臺”（Multi-Utility Technology Testbed，簡稱MUTT）的稱號，它代表了一種未來的飛行器：采用細(xì)長、柔性機(jī)翼的飛行器，而這在目前看來是不可思議的。雖然尺寸相對較小，且沒有縮放到真實的高空長航時無人機(jī)或者更大的遠(yuǎn)程運輸機(jī)的大小，但X-56A仍能展示相同的氣彈現(xiàn)象。
盡管以目前的水平，這樣一個柔性機(jī)翼飛行器幾乎在它的首飛中勢必會發(fā)生事故，但研究人員還是開發(fā)了一些工具和方法來幫助它安全飛行。X-56A的控制系統(tǒng)不僅能夠預(yù)測和感知顫振發(fā)生的起點，也能夠主動地偏轉(zhuǎn)舵面抑制顫振的發(fā)展。X-56A相比于有人駕駛的X系列驗證機(jī)是更加經(jīng)濟(jì)的，它采用遠(yuǎn)程遙控飛行，因為顫振試驗是非常危險的，尤其是對于這樣的柔性機(jī)翼。由于機(jī)體很可能在試驗中損壞，X-56A從一開始就被設(shè)計為可拆卸機(jī)翼和機(jī)身。這個無人機(jī)系統(tǒng)是由洛馬公司、美國空軍研究試驗室和NASA共同開發(fā)的，在洛馬公司完成飛行試驗后該機(jī)將會移交給NASA。X-56A無人機(jī)系統(tǒng)共包括2個機(jī)身、一套剛性機(jī)翼、3套柔性機(jī)翼，整個系統(tǒng)還包括輕便的地面控制站，它具有模擬和系統(tǒng)集成試驗室能力。
X-56A驗證機(jī)重約218千克，在機(jī)身尾部上方安裝了兩臺36千克推力的JetCat P400噴氣式發(fā)動機(jī)，每個發(fā)動機(jī)前的機(jī)身里各安裝了一個油箱，油箱兩側(cè)安裝了類似西銳SR22通用飛機(jī)采用的整機(jī)降落傘。降落傘和油箱被封裝在中心翼盒結(jié)構(gòu)中，該翼盒由前后梁和機(jī)身側(cè)面對接結(jié)構(gòu)組成。前梁前方的前機(jī)身包括一個航電設(shè)備艙，并支持機(jī)頭安裝的大氣數(shù)據(jù)探針。每副機(jī)翼都有翼梢小翼、4個升降副翼，中心體后部還有襟翼。作動器安裝在臨近每個舵面的干燥的艙內(nèi)，機(jī)翼內(nèi)的其它空間安裝有水壓載艙，用于穩(wěn)定性調(diào)節(jié)。三個外翼水壓載艙每個可裝水12磅，最大的位于翼根的水壓載艙可裝水61磅。3個柔性機(jī)翼被設(shè)計為完全一樣的，但所采用的樹脂并不像最初設(shè)想的那樣柔軟。機(jī)翼被設(shè)計成兩層玻璃纖維結(jié)構(gòu)，兩層的方向為0/90度。
NASA固定翼項目副經(jīng)理Gary Martin說，“這樣做的目的是為了使機(jī)翼在扭轉(zhuǎn)方面足夠柔性，以使得在飛行包線范圍內(nèi)發(fā)生彎扭耦合模式的顫振。”但對于0/90度鋪層方向，樹脂基的力學(xué)特性對于玻璃纖維層合板來說起決定性作用。因此，現(xiàn)在預(yù)計機(jī)翼彎扭耦合模式的顫振將在飛行包線之外發(fā)生。機(jī)身被橫向切為兩段，在機(jī)身尾部中心線上安裝有可裝載第三臺發(fā)動機(jī)或者垂尾的連接點。這是為了方便NASA對X-56A的布局修改而做的準(zhǔn)備，后面可以安裝垂尾和平尾或者安裝小型、更大掠角的機(jī)翼和支柱變成連接翼布局以進(jìn)行更多的試驗。
X-56A飛行試驗：從剛性機(jī)翼向柔性機(jī)翼飛躍的必要途徑
在2013年7月26日至9月20日之間，洛馬共進(jìn)行了8次剛性機(jī)翼的試飛，完成了氣動性能、控制系統(tǒng)、飛行性能和操縱品質(zhì)試驗。試驗數(shù)據(jù)指導(dǎo)了未來柔性機(jī)翼控制律的開發(fā)，同時也幫助改進(jìn)柔性機(jī)翼的定義模型。洛馬公司高級技術(shù)人員、X-56項目技術(shù)經(jīng)理Edward Burnett說：“只有進(jìn)行X-56A的飛行試驗才能真正試驗非定常氣動力。”
Bosworth表示，真正的關(guān)鍵是建立正確的模型。從洛馬公司的飛機(jī)結(jié)構(gòu)有限元模型開始，研究人員開發(fā)了一個非線性N自由度模型來預(yù)測X-56A的復(fù)雜的氣動伺服彈性，最終開發(fā)了采用線性的、降階的N自由度模型的自適應(yīng)控制系統(tǒng)來避免顫振。Burnett說：“借助于X-56A項目的推動，控制系統(tǒng)得到了一定的發(fā)展。但是這樣的方式并不直接，控制系統(tǒng)發(fā)展的速度并不快�！�
Burnett稱：“NASA已經(jīng)接近他們的時間表，所以我們決定當(dāng)我們將工程資源投入到第二架X-56A上時，我們應(yīng)該讓控制律和顫振工程師持續(xù)考慮這些問題�！钡谝患躕-56A被稱為Fido，目前已經(jīng)安裝上柔性機(jī)翼，第二架備份X-56A，原本計劃作為意外發(fā)生時的備份，但現(xiàn)在已經(jīng)安裝上剛性機(jī)翼，正在進(jìn)行交付NASA前的檢查。
Burnett說：“NASA目前正在模擬器上試驗他們的控制律并熟悉這一系統(tǒng)。洛馬給NASA提供了精確的數(shù)據(jù)，所以NASA清楚地了解他們需要關(guān)注什么�！睋�(jù)Burnett表示，洛馬還給NASA提供了剛性機(jī)翼的控制律。但是Burnett強(qiáng)調(diào)：“洛馬提供的只是作為一個目標(biāo)模型，并沒有完全揭示其中的細(xì)節(jié)�！币虼耍琋ASA和洛馬各自開發(fā)的控制律可以進(jìn)行對比。（竇豆/謝武）
