解放军报|巧用气动弹性:乱云飞渡仍从容

:原题为_解放军报|巧用气动弹性:乱云飞渡仍从容。
解放军报|巧用气动弹性:乱云飞渡仍从容
文章图片
国外一架验证机试飞探索气动弹性问题 。 资料图片
“空气动力学”不少人听说过 , 可提到“气动弹性”这个专业名词 , 估计大多数人都很陌生 。 它看不见、摸不着 , 但生活中处处能捕捉到它的影子 。 迎风飘扬的红旗、风中晃动的电线、遭遇气流颠簸的飞机……这些都是气动弹性现象 。
众所周知 , 飞机是通过发动机产生的推力转换成机翼升力来实现空中飞行 。 战机为了在空中格斗中占据优势 , 需要在高速飞行状态下完成各种眼花缭乱的机动翻滚动作 。 这时 , 气动弹性效应会使机翼发生变形和剧烈抖动 , 如果飞行员操作不当 , 可能会导致飞机失控 , 甚至坠毁 。
因此 , 如何高效控制气动弹性 , 如何让飞机与气流“和平相处” , 同时变不利为有利 , 利用气动弹性提升飞机性能 , 就成了飞行器研究领域一个无法回避、必须应对的课题 。
颤振 , 飞机事故的制造者
说到飞行第一人 , 大多数人脑海中都会浮现出一个名字——莱特兄弟 。 其实 , 在莱特兄弟试飞前9天 , 美国“航空先驱”兰利教授也进行了一次飞行试验 。
遗憾的是 , 他的“空中旅行者”号飞机在起飞没多久 , 因气动弹性效应机翼发生变形折断 , 最终在飞行1006米后坠落水面 , 人类历史上第一次有动力的飞行试验失败了 。
那时 , 兰利教授非常苦恼 , 百思不得其解 。 9天后 , 莱特兄弟的飞机试飞成功 , 报纸广泛报道了这则新闻 , 莱特兄弟一夜红遍美国 , 而兰利教授的这次失败很快淡出人们的视野 。 然而 , 从兰利试飞的角度上看 , 气动弹性伴随着飞行器发展的全过程 , 是不争的事实 。
斗转星移 。 当体验过飞行的快感 , 人类便一发不可收拾 。 一战爆发后 , 军用飞机的投入使用 , 更是加速了这一进程 。 与此同时 , 机翼颤振问题变得更加突出 , 不少新型飞机因此折翅空天 。
颤振是飞机气动弹性力学中最重要也是最难以准确预判的一种现象 。 飞机飞行到一定速度后 , 周遭气流和机体相互作用会引起剧烈振动 , 出现颤振现象 。 如果飞机进入颤振状态后 , 振动幅度不断加大 , 机翼结构就会损坏 。
一战时 , 英军和德军的轰炸机在高速俯冲过程中 , 尾翼时常发生剧烈的颤振现象 , 不少轰炸机失去控制 , 最终坠毁 。
德国曾有两种战斗机因颤振问题发生了致命事故:一种是“信天翁”D.Ⅲ飞机 , 另一种是“福克”D.Ⅷ飞机 。 后者是一种悬臂式单翼机 , 投入战争后接二连三地在高速俯冲时 , 发生颤振坠毁事故 。
为此 , 设计师对“福克”D.Ⅷ的机翼进行了强度试验 , 结论是其强度足以承受6倍设计载荷 。 这时 , 设计师意识到 , 一味地增强飞机机翼在静止状态下的强度 , 而不去考虑飞行振动时的强度 , 是无法解决这个问题的 。
但是 , 囿于当时人类航空工业技术薄弱 , 以至于发现了飞机颤振问题 , 却没有能力搞清机理并彻底解决 , 设计师只能以增加结构重量提高飞机的强度 , 回避颤振问题 。
二战期间 , 出现了第一批超音速飞机 , 人类飞行进入超音速时代 。 一些设计师为了追求速度 , 想方设法降低机翼的重量 。 随之带来的后果是 , 机翼抗变形能力随之减弱 , 飞机颤振现象再次凸显 。
气动弹性力学作为一个分支学科 , 也正是在那个年代初步形成的 。 气动弹性力学工程师要做的是 , 减少颤振现象对飞机的影响 , 提高飞机飞行速度和安全性 。
与其对抗扭转效应 , 不如利用气动弹性
“流动的空气是如何影响飞机的?”德国哥廷根气动弹性研究所是该方向全球领先的机构 , 他们很早就开始了气动弹性力学的研究 , 并取得了不少成果 。