颤振分析

刘帅

试飞员中心

1、颤振的定义

颤振是一种动气动弹性不稳定现象。它是结构在空气动力、弹性恢复力和惯性力相互作用下而形成的一种自激振动。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；超过颤振速度时，在大多数情况下，振动是发散的并最终导致结构的破坏。

2、颤振试飞的意义

2.1历史教训

1916年HANDLEY PAGE双翼飞机的尾翼发生了剧烈的颤振而坠毁，这是第一次有记录的颤振事故。直到1930年Von Schlippe才提出进行飞行颤振试验的概念。

2.2原因分析

现代飞机结构越轻，越复杂，刚度越弱，随着飞行速度增加，结构阻尼和气动阻尼一般也会增加，直到出现“临界模态”阻尼，或“最小颤振速度对应模态”的阻尼，开始急剧下降，因此，须持续关注飞机的颤振。颤振一旦发生，大概在3-4个循环内损坏结构，一旦开始，就是一种自身持续无需外界力作用的运动。

因此每型飞机新研制出来或改型飞机，都必须在真实大气中飞行来验证。

2.3相关法规

CCAR 25部中要求一般飞机的设计必须满足在V_D/M_D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；在接近V_D/M_D 时，要求在包线的该区域所有速度下足够稳定且阻尼没有显著的降低。

3、颤振试飞设计

3.1试飞目的

通过对试验机飞控系统在正常模式下的颤振飞行试验，证明该架机气动弹性特性是否满足中国民用航空规章第25部（CCAR-25）关于气动弹性有关条款的要求，即通过对设计计算和模型风洞试验结果所作的分析，对于认为是危险的某一个飞机构形进行颤振飞行试验，证实飞机在直至V_MO/M_MO的所有速度下不会出现颤振等气动弹性不稳定现象，并且具有合适的阻尼，以及在接近V_MO/M_MO 时，阻尼没有大幅度的迅速减小，不会发生气动伺服弹性不稳定现象，并且具有合适的稳定裕度。

3.2试飞方法

进行颤振试飞时，飞机要安装激励系统，用以激励出各种颤振危险状态的所有结构振动模态，国内目前主要使用操纵面激励法。用一个专用激振装置向飞控系统或伺服系统输入激振信号，激励飞机的操纵面而实现对飞机结构的激振。根据信号发生器的输出信号类型，可对飞机结构进行正弦激振、脉冲激振或随机激振。当飞机在被激励时出现异常振动或飞控系统出现故障时应有效迅速自动切除激励信号，因此，激励系统需加装安全保护装置。

3.3试飞要求

在每个试验点使飞机保持稳定平飞，对飞机结构进行激励。试验推进应按风险度逐渐提高的顺序进行。

根据颤振试飞大纲确定的几个典型高度面，并在这几个高度面下选取的典型速度，作为试验状态点。采用平飞加速或俯冲加速的方法达到试验状态点。在每个试验点使飞机保持稳定平飞，通过选取的激励方法对飞机进行激励。试飞中一般从高高度到低高度，从小表速到大表速的方法逐步进行，直至飞机V_D/M_D。在试飞过程中，应使用遥测系统把重要的试验数据发射至地面站进行实时监控、分析和记录，在分析前一次得到的试验数据以后，才能决定是否做更高速度的试飞。

4、试飞数据分析

4.1数据分析

图1 杆指令和叠加指令时域图

图1为颤振激励过程中，驾驶杆指令和激励信号叠加之后的数据。

图2 激励信号和激励信号叠加杆位移后信号时域图

图2中，当激励信号开始输入后，同时参入驾驶杆的指令，叠加后的数据曲线。

4.2试飞动作分析

1. 舵面输入：激励过程中要求没有对应的舵面输入，防止因人工输入叠加激励信号，导致数据无法处理；

2. 气流：试验动作要求在整个激励过程中处于稳定气流中，否则一点小的气流颠簸也会影响数据处理；

3. 速度：颤振试飞要从小表速到大表速，直至飞机V_D/M_D，在颤振试飞之前，确保空速的准确性，在完成空速校准之后才可以执行颤振试飞；

4. 重量、重心：在风洞试验和地面计算得出最苛刻的状态下执行颤振试飞，目前动作对飞机两侧机翼油箱重量和重心范围要求严格，需要机上试飞员和地面监控人员密切关注油量变化及重心变化，以确保试飞数据的有效性。

5、总结

在世界航空领域，颤振、失速尾旋和空中停车被公认为“三大一类风险”试飞科目。从飞机研制和飞行试验角度，颤振是对飞机最大的挑战，飞机一旦在空中发生颤振，会在几秒内解体，飞行员几乎没有处置时间。然而颤振并不像失速尾旋和空中停车那么大的机动动作，往往在平稳大气中执行，并且由小到大循序渐进执行，因此颤振试飞就成了试飞员肉眼看不见的一类风险。

参考文献

[1] 陈桂彬，邹丛青，杨超．气动弹性设计基础．北京航空航天大学出版社，2004．

[2] 管德．飞机气动弹性力学手册．航空工业出版社，1994．

[3] 高金源等．飞机飞行品质．北京：国防工业出版社， 2003

[4] CCAR25