[科普中国]-航空伺服弹性

研究背景

气动伺服弹性在现代飞行器设计中逐渐变得重要起来，因为它将气动力与柔性结构之间的气动弹性耦合扩展为气动力和柔性结构与控制系统之间的耦合。引入伺服控制系统后，可能使原本颤振稳定的系统变为不稳定。这种类型的不稳定就称为气动伺服弹性不稳定。所以，在飞行器设计中，只考虑单独飞行器的气动弹性稳定性是不够的，还必须考虑弹性飞行器与伺服控制系统相互作用下的气动弹性稳定性。

伺服控制系统是指利用伺服系统去操纵舵面偏转运动的飞行控制系统。随着飞行器的发展，伺服控制系统也在不断发展。最初的伺服控制系统只是一种装有助力器的操纵系统，用它来推动舵面偏转，发展至今几乎所有飞行器都会使用不同形式的飞行控制系统来改善整个飞行包线内的操纵稳定特性、飞行性能和乘坐品质以及降低载荷和提高使用寿命。对于民用飞机的飞行控制系统，除了包含满足基本操纵要求的控制系统外，还可能会有阵风和/或机动载荷减缓系统。对于军用飞机，有时为了提高机动能力，可以在降低开环静稳定性或开环静不稳定性情况下飞行，这时只有使用飞行控制系统才能飞行。所有这些使得在分析结构与控制的耦合时，必须包含伺服传动的动力学特点。2

伺服弹性地面试验试验目的飞机气动伺服弹性地面试验用于测试飞机控制系统与柔性飞机机体之间的动力耦合特性，为飞机伺服弹性分析模型验证和飞机气动伺服弹性分析提供依据。飞机气动伺服弹性地面试验包括开环频率响应试验和闭环稳定性试验。

开环频率响应试验测试飞抖机体系统的传递函数，其目的是为飞机气动伺服弹性分析提供准确的数学模型。

闭环稳定性试验测试飞控/机体系统的稳定裕度，以确保飞机具备足够高的伺服弹性稳定性。

试验飞机状态试验的飞机应是结构和各系统装备完整，并经检验合格的产品。航电系统(包括飞行控制系统)功能正常，且已完成舵面的调整。

飞机状态与进行全机地面共振试验时相同。即应包括空机构型及不同的燃油及商载构型，对于带外挂飞机，飞机状态应包括不同外挂组合。

飞机支持伺服弹性地面试验时应用空气弹簧支持模拟空中飞行状态，用起落架支持模拟地面状态。采用空气弹簧支持时，飞机的刚体运动频率应小于飞机最低阶固有频率的1/3。

试验内容在地面滑行和空中飞行的整个包线范围内都有可能发生气动伺服弹性不稳定，所以应该在各种飞行高度，各种飞行马赫数，起落架放下和起落架收起状态，以及飞控系统各种不同的控制律状态下进行试验。上述状态的组合使得每个飞机构型下的测试项目多达几十多个。 3

气动伺服弹性分析气动伺服弹性分析是利用气动伺服弹性系统有限元模型，进行稳定性和伺服颤振计算；检查主动控制飞机的结构、非定常气动力和飞控系统是否产生耦合而发生不稳定现象，是否存在伺服颤振问题；分析飞机在整个飞行包线范围内是否满足气动弹性稳定性要求。其工作主要有：

①完成气动伺服弹性系统建模；

②完成稳定性分析和伺服颤振分析；

③提出飞控系统优化设计方案；

④编写飞机气动伺服弹性分析报告。4