[科普中国]-飞机颤振

简介

对于因气动弹性原因引起的、飞机部件的不衰减且振幅相当大的振动称为颤振。飞机颤振是一种复杂的气动弹性不稳定现象，会对飞机飞行安全构成极大的威胁。颤振是一种自激振动，属于一种不稳定现象。当飞机在气流中运动并到达某一速度时，在非定常空气动力、惯性力和弹性力的相互作用下，刚好使其振动持续下去，就发生颤振，该飞行速度即为颤振临界速度1。

对于飞机而言，其空气动力将随着飞机飞行速度的增加而增加，因此存在一个临界速度，在这个速度下，飞机结构将变的不稳定。当飞行速度低于颤振速度时，振动是衰减的；等于颤振速度时，振动保持等幅；高于颤振速度时，振动是发散的，从而会导致飞机结构的破坏，对飞机的飞行安全构成极大的威胁。因此，颤振是飞机动气动弹性问题所最引起关注的现象。

分类颤振作为气动弹性动稳定性问题，具有多种现象形态，但就其空气动力方面发生的原因而言，颤振问题可以分为两大类：

第一类的特征是发生于势流中，因此流动分离和边界层效应对颤振过程没有重要影响，这类颤振主要发生于飞行器结构的流线型剖面升力系统中，如机翼弯扭耦合颤振、机翼-副翼等操纵面耦合颤振等通常称为“经典颤振”。

第二类颤振问题与流动分离和旋涡形成直接关系，通常称为“失速颤振”。失速颤振是一种升力面颤振，如果在全部或一部分振动时间内流动发生分离，处于失速状态，那么此时的颤振现象就与经典颤振不同，其发生既不取决于惯性、弹性和气动耦合，也不取决于运动和运动引起的气动力之间的相位差。由于大攻角是使气流和吸力面分离的必要条件，所以失速颤振与飞行攻角有关。因此失速颤振一般常发生于旋转机械部件，如螺旋桨、涡轮叶片等，因为这些机械有时会在接近浆叶定常失速功角的状态下工作。对于飞机结构而言，飞机的翼面如机翼和尾翼等，很少遇到失速颤振，一般所研究的颤振问题属于经典颤振，事实上这种颤振在实际中也是最危险的，因为此类自激振动能在几秒钟甚至更短的时间内使结构发生振动破坏，从而引起飞行器的灾难性后果。

颤振飞行试验颤振飞行试验是验证飞机颤振特性的必要部分，新的型号设计和某型号设计的改型（除非已表明这种改型对气动弹性稳定性无重大影响）都必须进行直至设计俯冲速度/马赫数（VD/MD）速度包线的各种速度下全尺寸颤振飞行试验，以验证在规定的飞行限制速度包线范围内，所有的飞机临界构形都无任何颤振现象，以及在VD/MD所对应的高度包线上，所有点的当量空速在定马赫数和定高度两种方式下增加15%后包围的所有高度和速度组合中，飞机都是颤振安全的2。