飞机设计师是如何解决复杂的颤振难题的？

五百多年前，意大利人利奥那多·达·芬奇模仿鸟类飞行造出了一架扑翼机，之后人们经过长期反复的实践，终于在1903年发明了飞机，实现了飞上天空的梦想。此后30年，飞机不论在速度、高度和飞行距离上都超过了鸟类。

但当飞机飞行变得更快更高时，设计师又碰到了一个难题，就是颤振现象。颤振曾多次造成飞机坠落，许多飞行员因而丧生，飞机设计师们为此花费了巨大的精力研究颤振现象。当今，颤振仍然是飞机设计必须要考虑的问题，对飞机设计至关重要。

气动弹性力学中，颤振是弹性体在气流中发生的不稳定振动现象。飞机颤振是作用在机翼、尾翼等结构上的非定常空气动力、惯性力以及弹性力耦合引起的振幅不衰减的自激振动。颤振属于气动弹性稳定性问题，具有多种现象形态，就其空气动力方面发生的原因而言，颤振问题可分为两大类。第一类是发生在势流中，流动分离和边界层效应对颤振过程没有重要影响，通常称为经典颤振。第二类是与流动分离和漩涡形成有直接关系，可称为失速颤振。

20世纪70年代起，宽频带伺服控制系统开始应用于飞机。随着现代飞机柔性的增大，飞机系统与飞行控制系统之间耦合变得不可忽略，飞机结构弹性振动信号与刚体运动信号一起被传感器接收，经飞行控制系统处理后驱动舵面偏转，偏转产生的气动力变化激励机体产生振动，也会影响飞机的颤振特性，这类现象可称为气动伺服弹性。

飞机一旦在空中发生颤振，会在极短的时间内导致结构毁灭性的破坏，飞行员几乎没有处置时间，因此飞机飞行包线内不容许发生颤振现象，对于民用飞机来说，对颤振的要求更为苛刻，须通过大量的理论分析、风洞试验、地面试验以及颤振试飞来验证飞机满足适航条款的规定。

1941年11月4日，美国洛克希德公司研制的高速战斗机的原型机YP-38"闪电"在加州的格伦代尔上空试飞时，试飞员拉尔夫·费登没能把飞机从俯冲状态拉起，飞机发生颤振，随即空中解体。后来事故调查发现，颤振分析时没有考虑空气压缩性效应。在此之前，飞机的气动理论是建立在空气不可压缩的假设基础上，在飞行速度不大时，由飞机运动引起的空气密度变化不大，空气可认为是不可压缩的。但当飞行速度提高到一定程度时，空气压缩性是必须考虑的。对于现代大型飞机，空气压缩性的影响是必须考虑的。

随着飞机的不断发展，飞机发生颤振的机理变得越来越复杂，气动、结构、气动热以及控制系统等都会参与到其中，而且从不同的角度对颤振机理的认识会有所不同，下面从振动和能量角度来简单阐述颤振的发生。

从振动角度来说，在地面上的飞机受到扰动后会引起振动，但由于阻尼的缘故，这种振动总是不断衰减直至消失。在飞行中的飞机，由于种种原因，也会引起振动，但由于处于气流中，情况就有所不同，一旦发生振动，就会引起附加的气动力。

在这些气动力中，有些起着激励作用，有些起着阻尼作用。当飞行速度较小时，由于气动阻尼作用，振动衰减很快。当速度增大到一定程度后，振动衰减便逐渐减慢。当达到某一飞行速度后，扰动引起的振幅正好保持不变，这个速度便称为颤振速度，振动频率称为颤振频率。在超过临界值很小的飞行速度下，即使偶然的小扰动也会引起飞机激烈的振动，这就发生了颤振。

从能量的观点来看，以翼段结构为研究对象，分析其能量在振动过程中的变化。翼段的能量包括动能和势能，当不考虑结构阻尼引起的能量耗散，且没有外力做功时，系统是一个保守系统，其动能与势能之和为常值。若考虑结构阻尼引起的耗散，则翼段能量会在振动过程中会逐渐降低为零，因此系统是稳定的。若气动力对翼段结构做正功，且大于阻尼耗损的能量，则翼段能量就会在振动过程中逐渐累积，导致振动响应的无限扩大，从而引发失稳，发生颤振。

昆虫早在三亿年前就飞翔在空中了，它们毫不例外地受到了颤振的危害，但经过长期的进化，昆虫早已成功地获得了防止颤振的方法。蜻蜓无疑是昆虫王国中出色的飞行家。它不仅飞得快，飞得高，而且能做到许多现代飞机做不到的高难度动作。如果把翼眼去掉，蜻蜓的飞行会变得摇摆不定。

飞机设计师从蜻蜓的翼眼中受到启发，模仿蜻蜓的翅膀，在机翼的前缘末端，增加配重，使机翼重心位置前移，使得某些机型的颤振问题得以解决。飞机设计师们大有相识恨晚之感，不然就可以避免许多人员的牺牲。

消除颤振是飞机颤振工程师的最终目标，然而飞机颤振的机理复杂，只有在飞机设计的最后阶段，飞机结构、气动构型、控制系统等能够被合理准确地建立起来了，这时才能对新设计的飞机进行精确的颤振特性分析。

然而防止颤振研究在新型号飞机研制的早期阶段就要开始进行，这种研究贯穿于新型号飞机研制的全过程。通常，防止颤振研究包括颤振理论分析、缩比颤振模型的高低速风洞试验、全机地面共振试验以及颤振飞行试验等。

由于理论分析和试验模型在对真实飞机的模拟上存在固有的不足，飞机颤振飞行试验处于防颤振研究的最终环节，既以各项计算、风洞试验和地面试验的结果为基础，又是这些工作的补充和鉴定。

颤振试飞是每架新机或重大改型飞机必须进行的Ⅰ类风险科目，也是中国民航适航规章（CCAR-25部）中明确规定必须完成的科目，其过程充满了未知和风险。进行颤振试飞时，试验机其实是在"亚临界"状态下进行的，试飞员在空中通过既定的激励方法和程序，诱发飞机产生"颤振",从而达到试验的目的。颤振试飞必须进行直至限制速度的各种速度，以验证在整个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，以及在通过外推飞行试验数据得到的1.15倍限制速度之内，没有任何气动弹性不稳定性出现。因而，飞机颤振飞行试验成为验证新机和型号改型的颤振安全性必不可少、最有说服力的关键环节。