飞机也是弹性体？

飞机也是弹性体？答案是肯定的。不仅飞机有“弹性”，空气也有“弹性”。想想我们高中物理学的知识，空气是不是能压缩的？由于飞机和空气的“弹性”，引起了航空界对“气动弹性”问题的关注。

气动弹性是引发颤振的根本原因。众所周知，飞机在空中一旦引发颤振，后果将是灾难性的。那么C919飞机的设计师们是如何消除颤振的呢？

今天就跟着小编一起了解一下吧???

“气动弹性”差点儿改写了航空史

1903年，莱特兄弟首次飞行前9天，兰利教授进行“空中旅行者”有动力试飞，可惜以失败告终。当时大家对失败原因莫衷一是，直到时隔多年，人们发现气动弹性现象之后，才意识到当时失败原因是典型的气动弹性问题——机翼扭转变形发散。

关于气动弹性，早期不为人知。直到一战时期军用飞机接连因颤振事故坠毁，人们才开始研究气动弹性问题。30年代初，英国“蛾”号飞机连续发生颤振失事，促使航空界对气动弹性问题格外关注，气动弹性力学作为一个分支学科大体形成在这一时期，颤振验证也由此时起成为设计飞机必须考查的项目载入强度规范。

简单说，气动弹性产生的原因在于飞行器的非刚性。在高空飞行时，飞行器在空气动力作用下发生弹性变形，这种变形反过来又使空气动力随之改变，从而导致进一步的弹性变形，这样就构成了一种结构变形与空气动力交互作用的气动弹性现象。

70年代，由于电传飞行控制系统在飞行器上的广泛应用，又出现了空气动力、弹性机体和飞行控制系统相互耦合的气动伺服弹性力学。

首飞前的两项试验

为了消除颤振等气动弹性发散现象，一架新研制的飞机必须通过计算分析、风洞试验、地面振动试验、飞行试验等方法，验证飞机符合设计要求。其中，带电传飞控系统的飞机，首飞前必须开展两项重要的机上地面试验：全机地面共振试验和结构模态耦合试验。这两项试验是验证飞机气动弹性稳定性的重要手段。

“C919飞机首飞前，我们通过有限元计算方法，构建C919动力学模型，进行多轮振动特性分析以及气动弹性稳定性计算，然后通过全机地面共振试验和结构模态耦合试验对计算进行验证，得到飞机是否符合气动弹性稳定性要求的结论。”上飞院强度部颤振室主任窦忠谦介绍。

小编发现，这段话有点艰深……简单说，全机地面共振试验就是通过人为激励，诱发飞机达到“相位共振”，得到颤振分析需要的飞机模态特性。

试验时，飞机被空气弹簧托起，以自由-自由态悬浮在空中，试验人员给飞机施加激励，找到诱发飞机共振的点，此时飞机各部位安装的加速度传感器将记录下频率、阻尼、振型等数据。这些数据是后期开展飞机气动弹性分析和试验试飞的重要输入和依据。

什么是“带控颤振”？

全机地面共振试验是经典的气动弹性试验，研究的是弹性飞机本身受到弹性力与惯性力之间的交互作用，获取弹性飞机本身固有的模态特性。而颤振研究的是空气动力与弹性飞机之间的交互作用。

随着全电传飞控系统的普及，人们发现，不仅空气动力与弹性飞机之间会相互作用，空气动力、弹性飞机和飞行控制系统之间也会相互耦合，这就出现了气动伺服弹性问题。

气动伺服弹性可以被认为是“带控颤振”，它与颤振同属飞机气动弹性稳定性研究范畴。验证气动伺服弹性问题的重要手段就是结构模态耦合试验。

飞行控制系统的核心之一是其中的控制律算法，当飞行员操纵飞机时，发出的操纵指令信号经飞控计算机（FCM）进行控制律运算，然后通过远程控制单元（REU）操作飞机舵面偏转，安装在飞机上的惯导感知飞机姿态变化，将数据反馈给FCM进行控制律运算，完成一个闭环传递。FCM会根据控制律算法对舵面偏转进行优化，在一个一个闭环传递过程中使飞机达到最优的飞行状态。

“如果控制律设计基于刚性飞机的假设，不考虑由于飞机弹性给飞行控制系统带来的影响，就有可能造成‘舵面期望运动’与飞机实际舵面运动相悖，导致控制律原本的‘优化方案’变成‘发散方案’，最终引发飞机颤振。” 结构模态耦合试验负责人范石磊说。

“气动伺服弹性设计的目的是把弹性飞机给飞控系统带来的影响纳入控制律设计中，得到弹性分析与飞控系统的耦合裕度，并通过结构模态耦合试验验证计算是否准确。”

消除颤振是飞机颤振工程师们的终极目标，但是飞机颤振机理复杂，只有在飞机设计后期，飞机结构、气动构型、飞控系统等准确建立起来了，才能对所设计的飞机进行精确的颤振分析。