颤振这点事

来源：飞机设计与试验（ID：feijishejiyushiyan）

作者：David.D。

但在飞行中的飞机除了自身结构固有的惯性力与弹性力外，同时也持续处于外界气动力的作用之下，一旦发生振动，结构形变就会引起附加的气动力。正常情况下，气动力的作用方向与振动位移方向是同步的（相位差为0°），每次机翼恢复至中立位时气动力与振动方向相反，整个系统能量恒定。一旦两者之间的相位差为90°时，这时候的气动力就像荡秋千一样顺着振动方向施加作用力，且气动力的大小和结构形变也是成正比的，能量迅速累积，导致结构振动一发而不可收拾，转眼间造成毁灭性结果（请脑补好莱坞大片效果）。

而对于复杂的结构就有了“结构模态”的概念，一个复杂结构的振动可以被看作为多个单自由度振动的叠加，即多个结构模态的叠加。每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型。颤振模态和颤振型就是颤振专业所关心的结构模态和相应的模态振型。还是以机翼为例，一个机翼的典型颤振模态包括：

• 机翼一弯（即一个弯折）或机翼一扭（即一个扭转）；

  
  

• 机翼二弯（一个S型的弯折），高于二弯的模态通常不需要考虑；

  
  

• 不仅是机翼本身，还需要考虑吊挂在机翼下的发动机，包括发动机俯仰（发动机的点头运动和机翼耦合）、发动机偏航（发动机摇头的运动和机翼耦合）等等。

除了机翼以外，全机颤振模态分析还需要对垂尾、平尾和机身等结构进行计算，而且每一个模态的固有频率和阻尼比都会随着飞行速度而变化。

在低速情况下，气动力通常提供了额外的阻尼，但随着速度的提高，气动阻尼会越来越小，并且气动力会显著增加，所以每架飞机都有一个理论上的极限颤振速度，高于该速度则会发生颤振。当某两个或两个以上模态在某个飞行速度下频率一致时，模态发生“耦合”，而恰好这时候这些相互耦合的模态中，至少有一个模态的阻尼比接近0，也就是说没有可以抵消能量积累的作用力，这时候振型就会发散，引起颤振。

关于颤振造成的灾难性后果可以百度搜索关键词“塔可马大桥”，这是飞行器设计专业颤振入门必修案例。一般出现颤振现象后振动发散极快，这座桥当时经历的横向侧风为17m/s，而作用在飞机上的“风速”可达150m/s，这座桥发生颤振的过程能够被摄像机记录下来，而飞机发生颤振到解体则是一瞬间的事情，飞行员根本来不及反应。

不过感谢适航当局，适航条款没有要求试飞时要飞到颤振边界。因为颤振试飞的目的是为了获取足够的数据以修正颤振设计模型，所以条款仅要求要证明飞机在直至俯冲速度Vd/Md的所有速度下，都有合适的阻尼余量，以及在接近Vd/Md时，阻尼无大幅度的迅速减小。即直到Vd时阻尼余量不小于0.03，外推至1.15Vd时阻尼余量不小于0。

也就是说飞机只要飞到Vd/Md就可以了，离真正会发生颤振的速度至少还应该有15%的空间，而这15%靠不靠谱就要靠我们飞机的设计人员来保证了。

如果需要进行精确的激励，地面上可以很方便地用激振器对结构施加周期力，但飞行过程中周围都是空气，激振器放哪儿？因此，聪明的前辈们设计了各种各样的，可以在飞行过程中产生周期力的装置。主要包括：

• 惯性激励：在翼盒内布置偏心转子系统，转子旋转产生激励力；

  
  

• 小火箭激励：在飞机翼面安装小火箭，通过火箭发射产生脉冲激励；

  
  

• 操纵面激励：通过在飞控系统注入激励信号，引起飞机操纵面偏转，产生激励力；

  
  

• 振荡小翼激励：在翼尖外侧安装附加小翼，通过小翼绕自身转轴作俯仰振动产生激励力；

  
  

• 开缝圆筒固定小翼激励：振荡小翼激励的升级版，在翼尖外侧安装带开缝圆筒的固定小翼，通过圆筒转动引起小翼上下表面气动力发生变化，进而产生激励力。

如果上述装置都用不了（那你还想搞颤振试飞？），还有最后一个免费终极技能——大气紊流激励，利用飞行过程中气流对结构的随机扰动，通过特殊的方法计算得出结构模态，这种方法通常用于俯冲试验，数据处理方法较为复杂，不建议初学者使用。

在试飞过程中，颤振试飞的安全保障措施可以用一个字来概括——慢，如果非要用四个字概括，那就是“循序渐进”——飞行包线扩展过程所迈出的每一步都要十分谨慎，对数据进行充分分析后再决定是否迈下一步。在进行大表速试飞时，应加强飞机结构检查及高度和速度参数的校准检查，在每次飞行前进行激励系统检查，每次飞行前、后进行飞机结构检查，在每一个试验点完成颤振激励后进行该速度下的操稳检查。飞行过程中如出现异常振动或噪声等情况，停止试验动作，飞行员轻柔带杆，爬升减速，并向地面指挥员报告。