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(dòng)現(xiàn)象，它是氣動(dòng)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(dòng)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(dòng)。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(gè)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(jì)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(dòng)彈性顫振問題。顫振研究的進(jìn)展一直取決于非定常氣動(dòng)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(dòng)折線翼型非定�？諝鈩�(dòng)力問題的精確解以后，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(shí)，顫振問題就更突出。因此，現(xiàn)代飛機(jī)從設(shè)計(jì)一開始就考慮顫振影響，而不是在設(shè)計(jì)完成后再以顫振標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)。大型電子計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后，人們可通過計(jì)算和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(huì)產(chǎn)生顫振以來，迄今還未能從設(shè)計(jì)角度完全預(yù)測(cè)和排除。據(jù)報(bào)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(gè)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(jì)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(dòng)特性改進(jìn)，加上合理的主動(dòng)控制技術(shù)來抑制或延遲發(fā)生顫振。通過合理設(shè)計(jì)和優(yōu)良的主動(dòng)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(duì)新興威脅而持續(xù)探索的驗(yàn)證項(xiàng)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(yàn)飛行器的研究工作。其中，X-1驗(yàn)證機(jī)為首架在平飛時(shí)突破聲障的試驗(yàn)機(jī)。此后，X-3、X-4、X-5 等一大批試驗(yàn)飛行器相繼飛上了藍(lán)天。
除飛機(jī)外，X系列驗(yàn)證機(jī)計(jì)劃還試驗(yàn)了美國空軍的試驗(yàn)性超燃沖壓高超聲速導(dǎo)彈。但X系列驗(yàn)證機(jī)的活動(dòng)都是處于項(xiàng)目的早期階段，用于試驗(yàn)航空工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，而非部署作戰(zhàn)平臺(tái)，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(yàn)機(jī)雖沒有變成實(shí)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(zhǎng)阿蘭·夏弗于在美國國防工業(yè)協(xié)會(huì)主辦的早餐會(huì)上指出，“盡管即將出現(xiàn)財(cái)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(huì)存在面臨新技術(shù)挑戰(zhàn)時(shí)措手不及的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)然，技術(shù)得到驗(yàn)證后未必需要部署。我們需要持續(xù)開發(fā)技術(shù)驗(yàn)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(xiàng)目為代價(jià)。為削弱新興的和已有的威脅，需要具有持續(xù)創(chuàng)新和驗(yàn)證機(jī)開發(fā)能力，另外科學(xué)實(shí)驗(yàn)還能主宰現(xiàn)有和未來平臺(tái)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(yàn)證（JCTD）之類的技術(shù)開發(fā)計(jì)劃，這些計(jì)劃尋求滿足作戰(zhàn)司令官的需求。JCTD與各軍種合作，投資驗(yàn)證有可能幾乎馬上就能轉(zhuǎn)化成采辦項(xiàng)目或直接部署的驗(yàn)證機(jī)。
該計(jì)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(jì)劃轉(zhuǎn)為投資12-24個(gè)月長(zhǎng)的小項(xiàng)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(zhǎng)幫辦厄爾·懷亞特將JCTD的一半資金投入到大型驗(yàn)證機(jī)上。夏弗說，今年我們沒有足夠的資金啟動(dòng)新的項(xiàng)目，我將其視為一種重鑄該計(jì)劃的機(jī)會(huì)。我們將在2014財(cái)年啟動(dòng)更大的項(xiàng)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(yàn)平臺(tái)”任務(wù)的X-56A試驗(yàn)飛行器
X-56A被授予“多用途技術(shù)試驗(yàn)平臺(tái)”（Multi-Utility Technology Testbed，簡(jiǎn)稱MUTT）的稱號(hào)，它代表了一種未來的飛行器：采用細(xì)長(zhǎng)、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(duì)較小，且沒有縮放到真實(shí)的高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)或者更大的遠(yuǎn)程運(yùn)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(gè)柔性機(jī)翼飛行器幾乎在它的首飛中勢(shì)必會(huì)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(cè)和感知顫振發(fā)生的起點(diǎn)，也能夠主動(dòng)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(yàn)證機(jī)是更加經(jīng)濟(jì)的，它采用遠(yuǎn)程遙控飛行，因?yàn)轭澱裨囼?yàn)是非常危險(xiǎn)的，尤其是對(duì)于這樣的柔性機(jī)翼。由于機(jī)體很可能在試驗(yàn)中損壞，X-56A從一開始就被設(shè)計(jì)為可拆卸機(jī)翼和機(jī)身。這個(gè)無人機(jī)系統(tǒng)是由洛馬公司、美國空軍研究試驗(yàn)室和NASA共同開發(fā)的，在洛馬公司完成飛行試驗(yàn)后該機(jī)將會(huì)移交給NASA。X-56A無人機(jī)系統(tǒng)共包括2個(gè)機(jī)身、一套剛性機(jī)翼、3套柔性機(jī)翼，整個(gè)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(yàn)室能力。
X-56A驗(yàn)證機(jī)重約218千克，在機(jī)身尾部上方安裝了兩臺(tái)36千克推力的JetCat P400噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，每個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)前的機(jī)身里各安裝了一個(gè)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(duì)接結(jié)構(gòu)組成。前梁前方的前機(jī)身包括一個(gè)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(gè)升降副翼，中心體后部還有襟翼。作動(dòng)器安裝在臨近每個(gè)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(gè)外翼水壓載艙每個(gè)可裝水12磅，最大的位于翼根的水壓載艙可裝水61磅。3個(gè)柔性機(jī)翼被設(shè)計(jì)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(jì)成兩層玻璃纖維結(jié)構(gòu)，兩層的方向?yàn)?/90度。
NASA固定翼項(xiàng)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�！钡珜�(duì)于0/90度鋪層方向，樹脂基的力學(xué)特性對(duì)于玻璃纖維層合板來說起決定性作用。因此，現(xiàn)在預(yù)計(jì)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)或者垂尾的連接點(diǎn)。這是為了方便NASA對(duì)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(yàn)。
X-56A飛行試驗(yàn)：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(dòng)性能、控制系統(tǒng)、飛行性能和操縱品質(zhì)試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)指導(dǎo)了未來柔性機(jī)翼控制律的開發(fā)，同時(shí)也幫助改進(jìn)柔性機(jī)翼的定義模型。洛馬公司高級(jí)技術(shù)人員、X-56項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)理Edward Burnett說：“只有進(jìn)行X-56A的飛行試驗(yàn)才能真正試驗(yàn)非定常氣動(dòng)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(gè)非線性N自由度模型來預(yù)測(cè)X-56A的復(fù)雜的氣動(dòng)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(xiàng)目的推動(dòng)，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(shí)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(shí)，我們應(yīng)該讓控制律和顫振工程師持續(xù)考慮這些問題。”第一架X-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(jì)劃作為意外發(fā)生時(shí)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(yàn)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(gè)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(duì)比。（竇豆/謝武）
