【趣聊航空】

在飛行過程中，有一種令無數(shù)飛行員“談之色變”的現(xiàn)象，那就是“顫振”。因為一旦在飛行中發(fā)生顫振并發(fā)散，飛機就會在幾秒鐘內(nèi)解體，飛行員幾乎沒有處置的時間，很容易造成機毀人亡的災(zāi)難性后果。

本期“趣聊航空”就帶大家一起來了解一下什么是顫振？顫振是如何發(fā)生的？飛機又是如何預(yù)防顫振發(fā)生的？

(資料圖片僅供參考)

顫振是指彈性體（機體）在與氣流的相對運動中，受到氣動力、彈性力和慣性力之間耦合作用而引起的一種振幅不斷擴大的振動現(xiàn)象，顫振本質(zhì)上是一種自激振動。

要理解這樣一個復(fù)雜的概念，我們首先要抓住“彈性體”和“自激振動”這兩個最核心的概念。

那么，我們平?？雌饋硭坪?strong>很剛硬的飛機為什么會是彈性體呢？

實際上，我們自然界中并不存在絕對的剛體，飛機也不例外，看起來似乎很剛硬的機體結(jié)構(gòu)，在受到力的作用時，同樣也會發(fā)生變形，特別是機翼、尾翼等結(jié)構(gòu)，變形的幅度更大。像波音-787飛機，在極限載荷的作用下，翼尖的彎曲變形接近8米。

不僅如此，機翼在力的作用下還會發(fā)生扭轉(zhuǎn)。正是由于飛機是一個彈性體，在受力時會發(fā)生彎曲、扭轉(zhuǎn)變形，才會與其他力產(chǎn)生相互作用并發(fā)生顫振。

那么，什么又是自激振動呢？

所謂自激振動，就是由于系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的激勵，不斷對系統(tǒng)做正功而維持的一種振動形式。比如，飛行學(xué)員在日常訓(xùn)練中進行的旋梯運動，如果我們將人和旋梯視為一個系統(tǒng)，就可以將旋梯運動視為一種自激振動。那么，在做旋梯運動時，旋梯怎樣才能越擺越高呢？

我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)旋梯下落時人應(yīng)當(dāng)采取蹲下的姿態(tài)，而當(dāng)旋梯上升時，人應(yīng)當(dāng)采取站立的姿態(tài)，這樣旋梯才會越擺越高，并最終越過頂點。

這是由于人的重心在取立位時比取蹲位時要高，也就是說，處于上升狀態(tài)時旋梯的重心比要比下降狀態(tài)時高，這樣，作用于重心的重力在旋梯上升時對懸掛點O的力矩就比下降時為小，所以旋梯由高到低再由低到高這樣一個循環(huán)過程中，重力對懸掛點的力矩所做的總功就是正的，由于系統(tǒng)每次循環(huán)都有能量輸入，旋梯就會越蕩越高。由此可見，在人和旋梯組成的系統(tǒng)中，系統(tǒng)內(nèi)部人的重力在旋梯前后擺動的每一個循環(huán)中持續(xù)作正功，旋梯越擺越高，這樣的運動就是自激振動。

而如果做旋梯運動時，外部有人順著旋體運動的方向推一把或者拉一把，旋梯也會越擺越高，但這種形式的運動就不再是自激振動，而是一種強迫振動。

理解了自激振動，接下來，我們就來具體分析一下，機翼顫振這種自激振動究竟是如何產(chǎn)生的。

我們?nèi)C翼上一個的典型剖面，剖面上有3個非常重要點，即剖面的氣動力焦點、重心，剛心。其中，焦點是指氣動力發(fā)生變化時，氣動力增量的作用點，在亞聲速飛行時，焦點通常位于剖面弦長的25%?28%處，剛心是指機翼發(fā)生扭轉(zhuǎn)時圍繞其旋轉(zhuǎn)的那個點，一般在弦長的38%?40%處，而重心一般在弦長的42%?45%處。

飛機在天上飛，和汽車在地上跑一樣，受不穩(wěn)定氣流的影響必然會產(chǎn)生振動，使得機翼偏離原平衡位置，假設(shè)機翼受氣流的擾動，產(chǎn)生向下的彈性變形，變形后機翼結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會隨之產(chǎn)生一個欲使它恢復(fù)平衡位置的彈性力，該力作用在剛心上，而后，機翼就會產(chǎn)生向上的加速度運動，于是機翼上就會產(chǎn)生一個慣性力，該力作用在重心上，其方向與加速度的方向相反，由于重心在剖面剛心之后，那么慣性力將對剛心產(chǎn)生一個抬頭力矩，使翼剖曲相對于彈性軸產(chǎn)生順時針方向的扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)又會使得剖面產(chǎn)生附加迎角。于是，在機翼上產(chǎn)生相應(yīng)的附加氣動力，它作用在翼剖面的焦點上，促使機翼的扭轉(zhuǎn)變形進一步加大。由于彈性力的作用，機翼很快回到它的初始位置。

當(dāng)機翼由下向上加速運動時，積累了足夠大的能量，促使機翼越過初始位罝繼續(xù)向上運動，使其產(chǎn)生向上的彎曲變形。同時，向上的附加氣動力使得這種彎曲變形加大。越過初始位罝之后，彈性力和慣性力的方向改變，此時慣性力對剛心構(gòu)成低頭力矩，使得機翼逆時針扭轉(zhuǎn)，翼剖面的迎角逐漸減小，附加氣動力也隨之減小。此時，一方面機翼繼續(xù)向上彎曲變形，另一方面攻角繼續(xù)減小，最終在彈性力的阻礙作用下，機翼向上彎曲到最大位置。

機翼向上彎曲到最大位置后，又會受到向下的彈性力，產(chǎn)生向下的加速度，進而產(chǎn)生作用在重心，方向向上的慣性力，以致慣性力所產(chǎn)生的低頭力矩使翼剖面產(chǎn)生附加的負迎角。由負迎角產(chǎn)生的附加氣動力繼續(xù)使翼剖面低頭，促使機翼的扭轉(zhuǎn)變形加大。由于彈性力的作用，機翼又將回到初始位置。當(dāng)機翼繼續(xù)向下彎曲變形時，與上相同，機翼抬頭，翼剖面順時針扭轉(zhuǎn)，使翼剖面的（負）攻角減小，直至攻角為零。

如果飛行速度足夠大，在彈性力、慣性力和附加氣動力三者的相互作用下，機翼振動幅度就會越振越大，最終發(fā)生顫振。

既然顫振如此危險，那飛機是如何避免顫振發(fā)生的呢？

首先，我們知道顫振發(fā)生的根本前提就是，飛機結(jié)構(gòu)是一個彈性體，才會出現(xiàn)彎曲和扭轉(zhuǎn)，如果機翼剛度很大，受力后發(fā)生的彈性變形很小，就不會發(fā)生顫振。這種大展弦比的直機翼，剛度很小，因此飛行中機翼很容易像面條一樣扭來扭去。

而且在顫振中，機翼的扭轉(zhuǎn)起主要作用，因此，可以通過提高機翼抗扭剛度的方式來推遲或者避免顫振的發(fā)生。比如像我們殲-15飛機采用的后掠翼和殲-10飛機的三角翼，通過降低機翼展弦比來提高扭轉(zhuǎn)剛度，此外，還可以采用扭轉(zhuǎn)機翼的方式來提高機翼抗扭剛度，比如像F-22。

此外，我們發(fā)現(xiàn)自然界飛行中的王者——蜻蜓擁有輕薄而巨大的翅膀，從理論上講同樣也會發(fā)生“顫振”，但實際上，蜻蜓卻絲毫沒有受到“顫振”的影響，這是為什么呢？

研究發(fā)現(xiàn)，蜻蜓翅膀的前緣存在著一個叫做“翅痣”的加厚區(qū)域，蜻蜓會通過在不同的飛行狀態(tài)下向“翅痣”中泵入血液來調(diào)整翅膀的重心和剛心位置進而避免了顫振的發(fā)生。受蜻蜓的啟發(fā)，很多飛機在平尾的翼尖處增加配重，其目的就是為了提高平尾的抗扭剛度，進而避免顫振的發(fā)生。

實際上，飛機在設(shè)計過程中進行了大量預(yù)防顫振的風(fēng)洞試驗，并且在飛機定型前還要由我們英雄的試飛員進行嚴格的試飛，因此，交付使用的飛機在設(shè)計范圍內(nèi)，大家大可不必擔(dān)心顫振的發(fā)生。

審核：郁大照（海軍航空大學(xué)）

撰稿：宋山松

策劃：吳玉良 周堅毅 宋雅娟 肖春芳

監(jiān)制：張　翼 戰(zhàn)　釗

出品：中國科協(xié)科普部 海軍航空大學(xué) 光明網(wǎng)