某型飛機顫振試飛中多種激勵技術的綜合應用與研究

俱利鋒， 劉　鈺， 梁海州

(1. 中國飛行試驗研究院，西安　710089； 2.中航工業第一飛機設計研究院，西安　710089)

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某型飛機顫振試飛中多種激勵技術的綜合應用與研究

俱利鋒1， 劉鈺2， 梁海州1

(1. 中國飛行試驗研究院，西安710089； 2.中航工業第一飛機設計研究院，西安710089)

摘要：首先對顫振試飛所用激勵技術進行了簡單介紹。進而對某型飛機顫振試飛所選激勵技術的原理進行了詳細分析，并通過對該型飛機顫振試飛不同激勵技術激勵效果的分析討論，給出針對該型飛機，多種激勵技術補充使用所得激勵效果明顯的結論。最后對其它飛機顫振試飛激勵方法的選用給出有益建議。

關鍵詞：顫振；試飛；激勵；操縱面掃頻

某型飛機是在原型機基礎上改進研制的新型飛機，顫振/氣動伺服彈性(簡稱ASE)試飛是該型飛機定型試飛的重要科目之一。

顫振試飛的激勵方法分為“自然”激勵和“人工”激勵兩種類型[1]，自然激勵意味著響應是在大氣紊流激勵下得到的，不需要安裝專門的激勵裝置，但通常情況下使用大氣紊流激勵較難獲得理想的激勵效果。人工激勵則需要借助某種特定激勵裝置進行激勵，目前人工激勵方法主要有以下幾種[2-3]：

1) 借助空氣動力的激勵法：操縱面激勵和小翼激勵等；

2) 借助慣性力的激勵法：帶不平衡轉子的慣性激勵和電磁激勵等；

3) 借助火藥噴發反作用力的激勵法：小火箭激勵。

現在的顫振飛行試驗中，已較少采用單一激勵法的方案，往往同時組合使用幾種不同的激勵法取長補短，綜合驗證。對于不同型號飛機的試飛來說，使用哪種或哪幾種激勵技術成為顫振試飛能否順利實施的關鍵。

1激勵技術介紹和選擇

1.1操縱面掃頻激勵技術

操縱面掃頻激勵有兩種方式，① 飛行員控制操縱面產生突然的運動，直接產生脈沖激勵；② 通過電信號驅動操縱面，通常是用專門的信號發生器產生激勵信號，輸入飛行控制系統實施激勵。這種激勵方法不僅可以實施脈沖激勵，也可以實施掃頻激勵。用電信號驅動控制面進行激勵，可通過測量電信號得到輸入的激勵信號。

應用操縱面進行顫振試驗不需安裝專門激勵裝置，不會帶來附加質量，所以這種激勵方法很方便。同時操縱面和作動器本身就是飛機結構系統一部分，應用操縱面激勵不會改變飛機顫振速度。此外該方法省去了安裝激勵系統所需的繁重結構加工及設備改裝工作。

操縱面激勵方法最大的缺點是激勵頻率受飛機操縱系統及舵面傳動頻率帶寬的限制——該通帶往往比結構彈性振動模態的典型頻帶窄得多。對某型飛機來說，大多數舵面的通頻帶在10 Hz左右(如翼面1)，而翼面2的通頻帶僅5 Hz左右。

1.2小火箭激勵技術

小火箭是很小的爆炸裝置，它可以安裝在主要結構或操縱面上[4-5]，并通過點火產生脈沖激勵。脈沖持續時間很短(持續時間為ms級)，能夠有效地激勵高頻模態。

小火箭由一個密封的空腔構成，空腔內部充滿多層火藥，充填火藥的質量控制脈沖力的大小。空腔的一端通過電信號點火。小火箭的另一端是一個擴散噴管，產生的氣體通過噴管產生推力。圖1給出固體小火箭典型的推力-時間曲線。擴散噴管的大小可以控制脈沖信號的持續時間。

圖1　小火箭產生脈沖激勵力形式Fig.1 Pulse excitation of bonkers

小火箭非常輕，可以直接安裝，激發只需要很小的電流。它只需要自給性能源(火藥)，不需要復雜的能量傳輸管道。因為在小型飛機上裝置復雜的系統比較困難，所以小火箭激勵方式特別適用小型飛機或飛機上的小型結構部件，如該型飛機的翼面2。

1.3激勵方法的選擇

ASE是隨著飛機控制系統的發展而產生的，它與顫振現象所不同的是維持振動的能量一部分來自控制系統。所以對于該型飛機來說，要進行ASE試飛，必須通過操縱面掃頻激勵向飛控系統施加信號，形成飛控系統、飛機結構、飛機響應的閉環環節，才能進行有關裕度的計算與分析。因此，該型飛機顫振/ASE試飛必須使用操縱面掃頻激勵技術。

表1給出某型飛機地面共振試驗(GVT)所得主要結構模態。翼面1最高的結構模態頻率為24 Hz，適用于使用操縱面掃頻激勵技術。翼面2顫振危險結構模態頻率在45 Hz左右，后來的試飛結果表明，隨著飛行速度的增加該模態頻率逐漸增大到50 Hz左右，不適合使用操縱面掃頻激勵技術，對該部位結構的顫振激勵必須選用高頻特性好的激勵方法。

表1某型飛機GVT所得主要結構模態

Tab.1 The primary mode of the airplane

目前，國內高頻激勵效果好的激勵方法有三種：帶開縫旋轉圓筒的固定小翼激勵法、帶不平衡轉子的慣性激勵方法和小火箭激勵法。使用固定小翼法會改變安裝部位的氣動外形，使用帶不平衡轉子的慣性激勵法要求待激勵部位有很大的安裝激勵設備的安裝空間。對于翼面2來說，本身的面積相對較小，從結構本身來說，又是全封閉結構，因此，上述兩種方法都不適用。而小火箭激勵法高頻特性好，附加重量輕，不影響飛機模態特性，激勵時產生的脈沖短，一個試驗點可進行多次。在多個型號顫振試飛中均有成功應用。

因此，經仔細分析，該型飛機翼面1使用操縱面掃頻激勵，翼面2采用小火箭激勵方法進行激勵。圖2給出翼面2主要模態節線對比及小火箭在翼面2上的分布圖。

圖2　翼面2主要模態節線及小火箭在翼面上的分布圖Fig.2 The node of the primary mode and the distribution graph of the bonkers on the wing 2

2不同激勵技術的試飛應用

2.1操縱面掃頻激勵技術

2.1.1翼面1掃頻激勵

對于該型飛機，除過翼面2以外，全部使用操縱面掃頻激勵技術。圖3給出某飛行狀態，使用掃頻范圍1～32 Hz，幅值系數0.3°的掃頻信號，對翼面1進行操縱面掃頻激勵，翼面1上某傳感器振動響應V1及其功率譜圖。

圖3從上到下共三幅圖，上面一幅和中間一幅是傳感器振動響應的時間歷程和時間歷程的部分放大圖，最下面一幅是上面振動響應功率譜圖。

從圖3(b)可知，時域信號的信噪比遠大于5，說明結構激勵很充分。從圖3(c)可知，對于該翼面，使用操縱面掃頻激勵技術成功激勵出了模態1(8.982 Hz)、模態2(24.85 Hz)和模態3(11.74 Hz)這三支關鍵結構模態。

圖3　掃頻激勵翼面1振動響應及功率譜Fig.3 The vibration and power spectrum of wing 1 by frequency sweeps

2.1.2翼面2掃頻激勵

試飛初期，對翼面2嘗試使用操縱面掃頻激勵技術進行結構激勵。

圖4給出某飛行狀態，使用掃頻范圍1～55 Hz，幅值系數0.9°的掃頻信號，對翼面2進行掃頻激勵，翼面2上某傳感器振動響應QV2及功率譜圖。各個圖的含義同圖3。

圖4　掃頻激勵翼面2振動響應及功率譜Fig.4 The vibration and power spectrum of wing 2 by frequency sweeps

由圖4可知，對于該翼面，使用操縱面掃頻激勵技術似乎激勵出了模態1(17.00 Hz)，但該模態既使在3倍于翼面1的幅值系數下進行激勵，響應信號信噪比<1.5，且功率譜圖所得譜線的毛刺很多，譜圖的質量很不高。所以，對于翼面2，使用操縱面掃頻激勵技術，根本沒有激勵出該翼面的模態2。

2.2小火箭激勵技術

由以上分析可以看出，翼面2使用掃頻激勵方法根本沒有激勵出模態2，模態1的激勵效果也不理想。最關鍵的是，該型飛機在跨音速和超音速狀態飛行時，翼面2舵面偏度會一直處于滿偏狀態，在這些飛行狀態激勵信號根本就施加不到飛機控制系統中去。因此，對于翼面2來說，操縱面掃頻激勵技術難以有效應用。為了充分激勵出翼面2的關鍵結構模態，試飛過程中，對翼面2使用了小火箭進行激勵。

2.2.1針對一彎模態的小火箭激勵

圖5是某飛行狀態使用翼面2尖部小火箭激勵，翼面2上振動傳感器的時間歷程和頻譜圖[6-8]。

由圖5(a)可知，使用所選規格小火箭激勵，所得時域響應信號的信噪比?5，從由圖5(b)可知，模態1被充分地激勵出來。

圖5　翼面2尖部小火箭激勵傳感器響應及其頻譜Fig.5 The vibration and frequency spectrum of wing 2 by excitation of bonkers on wing tip

2.2.2針對旋轉模態的小火箭激勵

圖6是某飛行狀態翼面2中部小火箭激勵，翼面2上振動傳感器的時間歷程和頻譜圖。

由圖6(a)可知，使用所選規格小火箭激勵，所得時域響應信號的信噪比>5。從圖6(b)可知，不僅模態2(45.2 Hz)被充分地激勵出來，而且模態1也被激勵出來。同時還可以看出，針對模態2進行激勵時，模態1在頻域的能量遠小于模態2，即模態2的激勵效果更好一些，模態2正是該位置小火箭激勵目標模態。由圖2可知，尖部小火箭距離模態1的節線較遠，所以針對模態1的激勵效果就相對好一些；而中部小火箭距離模態2節線相對較遠，所以針對模態2的激勵效果相對就好一些。

圖6　翼面2中部小火箭激勵傳感器響應及其頻譜Fig.6 The vibration and frequency spectrum of wing 2 by excitation of bonkers on wing middle

3結論

在該型飛機的顫振/ASE試飛過程，針對不同翼面的特點選用不同的激勵方法：對翼面1采用操縱面掃頻激勵技術；對翼面2采用小火箭激勵技術，并對不同模態使用不同部位的小火箭來進行激勵，即模態1使用翼面尖部的小火箭進行激勵，模態2使用翼面中部的小火箭進行激勵。數據分析結果表明，不同翼面采用不同的激勵方法均取得了理想的激勵效果，所關心的結構模態激勵充分，數據處理結果可靠，保證了顫振/ASE試飛課題的順利開展。

這種同一型號飛機上不同激勵方法的綜合應用，對后續顫振/ASE試飛激勵方法的選用可以作為有益的參考，即對舵面頻帶較寬且結構模態頻率較低的翼面可以使用操縱面激勵技術，舵面頻帶較窄且結構模態頻率較高的翼面可以使用小火箭激勵技術。

在以后的飛機顫振試飛中，需根據不同飛機的結構特點，統籌規劃，綜合考慮，不能局限于某一種顫振激勵技術，而應使用不同激勵技術相互取長補短，綜合應用，確保顫振/ASE試飛的順利推進。

參 考 文 獻

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Compositive application and investigation of many excitation techniques in flutter flight tests of X-type airplane

JULi-feng1,LIUYu2,LIANGHai-zhou1(1.Chinese Flight Test Establishment ,Xi’an 710089,China; 2. AVIC The First Aircraft Institute,Xi’an 710089,China)

Abstract:Here, the excitation techniques for airplane’s flutter fight tests were introduced briefly. Then, the principle of the excitation techniques selected for X-type plane were analyzed in detail, and the conclusion that the excitation effect of compositive application of many excitation techniques in flutter flight tests of X-type plane is obvious was drawn through analyzing and discussing. At last, the useful suggestions were given for the choice of excitation techniques of other airplanes’ flutter flight tests.

Key words:flutter; flight test; excitation; control surface sweeping-frequency

中圖分類號:V215.3

文獻標志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.07.023

收稿日期：2014-12-10修改稿收到日期：2015-10-14

第一作者 俱利鋒 女，碩士，研究員，1973年生