美國(guó)宇航局X-56演示柔性機(jī)翼顫振抑制技術(shù)

格拉漢姆·瓦里克

顫振是空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)兩者間潛在的破壞性耦合。在顫振速度以下，這些振動(dòng)會(huì)逐漸減弱，但是在顫振速度以上，這些振動(dòng)會(huì)被放大，變得不穩(wěn)定，振幅突然增加而快速導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。為避免發(fā)生顫振，通常通過采用硬質(zhì)機(jī)翼，使得速度超出飛機(jī)的飛行包線，這將導(dǎo)致重量增加。顫振主動(dòng)抑制技術(shù)成為研究的重點(diǎn)。目前，美國(guó)宇航局利用洛克希德·馬丁公司研制的X-56A無(wú)人機(jī)完成了主動(dòng)抑制柔性機(jī)翼在飛行中顫振的演示。X-56在其正常飛行包線內(nèi)設(shè)計(jì)有一種顫振模式，可以利用飛機(jī)的數(shù)字飛行控制系統(tǒng)主動(dòng)抑制。顫振抑制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)翼變得纖細(xì)、具有彈性、低阻力和高展弦比，從而減少阻力，提高燃油效率。

美國(guó)宇航局完成了主動(dòng)抑制柔性機(jī)翼在飛行中顫振的演示，這可能為將來(lái)使用質(zhì)量更輕、阻力更小的機(jī)翼鋪平道路,飛機(jī)的油效將會(huì)更高。洛克希德·馬丁公司研制的X-56A在位于加州愛德華茲空軍基地的國(guó)家宇航局阿姆斯特朗飛行研究中心的飛行中演示了這一技術(shù)。

顫振是一種氣動(dòng)彈性不穩(wěn)定性，可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。按照常規(guī)，機(jī)翼的設(shè)計(jì)需要足夠堅(jiān)硬，使得發(fā)生顫振的空速和動(dòng)壓力邊界遠(yuǎn)超出飛機(jī)正常飛行包線，但是這種安全邊際增加了結(jié)構(gòu)重量。

X-56在其正常飛行包線內(nèi)設(shè)計(jì)至少有一種顫振模式，可以利用飛機(jī)的數(shù)字飛行控制系統(tǒng)主動(dòng)抑制。到目前為止，美國(guó)宇航局已經(jīng)證明，這種顫振模式可以抑制在110kn，這完全在無(wú)人飛機(jī)的速度范圍內(nèi)。

顫振抑制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)翼變得纖細(xì)、具有彈性和低阻力

美國(guó)宇航局正使用X-56A測(cè)試不同的飛行控制器方法。美國(guó)宇航局X-56A的總工程師克里斯·米勒稱，“我們的最終目標(biāo)是找到一種控制架構(gòu)，使我們能夠飛越開環(huán)顫振不穩(wěn)定性。20世紀(jì)80年代和90年代，空中客車公司和波音公司采用線控降低對(duì)靜態(tài)穩(wěn)定性的要求。關(guān)于顫振，我們想做些類似的事情，因此我們需要更低的結(jié)構(gòu)邊際?！?/p>

目前，目的并不是實(shí)現(xiàn)未來(lái)的商用飛機(jī)在顫振不穩(wěn)定情況下飛行，而是為了讓設(shè)計(jì)師利用主動(dòng)抑制技術(shù)，安全地飛近顫振邊界，降低現(xiàn)在內(nèi)置機(jī)翼里的結(jié)構(gòu)邊際，促成更纖細(xì)更輕、具有彈性高展弦比的機(jī)翼，從而減少阻力，提高燃油效率。

X-56A采用噴氣動(dòng)力，飛翼布局，最初由洛克希德·馬丁公司的臭鼬工廠為美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室建造，目的是演示顫振主動(dòng)抑制技術(shù)。該機(jī)于2013年7月首飛，采用硬質(zhì)碳纖維機(jī)翼進(jìn)行了16次飛行，但在2015年11月進(jìn)行首次顫振抑制飛行時(shí)，在起飛過程中墜毀，當(dāng)時(shí)采用的是柔性玻璃纖維機(jī)翼。

第二架X-56A，名為“buckeye”，目前已轉(zhuǎn)移到國(guó)家宇航局阿姆斯特朗飛行研究中心，采用硬質(zhì)機(jī)翼完成了8次飛行，然后采用柔性機(jī)翼和不同的飛行控制器開始測(cè)試。最初的飛行用于改進(jìn)空氣動(dòng)力學(xué)模型，以便預(yù)測(cè)顫振臨界值，現(xiàn)在的重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)向演示高速條件下顫振抑制。

采用高度柔性機(jī)翼，至少有一種不穩(wěn)定模式——機(jī)體自由顫振——處于飛機(jī)飛行包線內(nèi)。“我們不能百分百確定第一種模式之外的情況。我們走得還不夠快，克里斯·米勒說。但我們已經(jīng)證明，我們可以在飛行包線內(nèi)魯棒地抑制這種模式，并在稍微越過這個(gè)不穩(wěn)定狀態(tài)下飛行。”

機(jī)體自由顫振可以通過外形構(gòu)造表現(xiàn)出來(lái)，如具有低間距慣性的飛翼設(shè)計(jì)，高度柔性機(jī)翼設(shè)計(jì)，這種機(jī)翼具有短周期高振動(dòng)頻率，如結(jié)合低頻翼彎曲頻率將產(chǎn)生不穩(wěn)定。諾斯羅普·格魯門公司的B-2轟炸機(jī)、洛克希德·馬丁公司的SR-71和20世紀(jì)60年代和70年代設(shè)計(jì)的窄體超聲速運(yùn)輸機(jī)中都發(fā)現(xiàn)了機(jī)體自由顫振。

由于顫振具有破壞性，因此將以逐步增量的方式進(jìn)行飛行測(cè)試。在地面上進(jìn)行廣泛的振動(dòng)和載荷測(cè)試可在飛行前預(yù)判顫振發(fā)生的時(shí)機(jī)。然后，將在飛行中逐漸增加空速，對(duì)比模型在每次連續(xù)高速飛行中對(duì)邊際和衰減率的預(yù)測(cè)效果。團(tuán)隊(duì)隨后依此更新下次飛行的模型和控制律。

克里斯·米勒說，這種“飛行-修正-飛行”的范式雖然比正常開發(fā)控制律節(jié)奏快，但卻能讓團(tuán)隊(duì)逐漸增加對(duì)顫振的了解。美國(guó)宇航局首先使用一種傳統(tǒng)飛行控制器展示了主動(dòng)顫振抑制技術(shù)，現(xiàn)正在測(cè)試一種現(xiàn)代化的控制器?！八谠O(shè)計(jì)有些反傳統(tǒng)，在數(shù)學(xué)運(yùn)算上更復(fù)雜，但在理想的情況下更有力，”他說。

首飛時(shí)，由于該現(xiàn)代化控制器使用的模型不夠準(zhǔn)確，其表現(xiàn)沒有達(dá)到預(yù)期水平。因此，為改進(jìn)模型，美國(guó)宇航局增加了飛行次數(shù)。團(tuán)隊(duì)目前在再次測(cè)試這個(gè)現(xiàn)代化控制器，從70kn開始，逐漸建立信心，以10kn的增速向抑制顫振的目標(biāo)邁進(jìn)。

美國(guó)宇航局繼續(xù)與提供資金和研究人員的空軍研究實(shí)驗(yàn)室和臭鼬工廠合作，因此顫振抑制技術(shù)能夠應(yīng)用于未來(lái)的有人和無(wú)人軍用飛機(jī)上。但是，美國(guó)宇航局的興趣在于將其應(yīng)用于未來(lái)客機(jī)上，包括混合機(jī)翼等非常規(guī)設(shè)計(jì)。

克里斯·米勒稱，“我們可以讓X-56A超出開環(huán)顫振飛行，這比傳統(tǒng)飛機(jī)走得更遠(yuǎn)。我們永遠(yuǎn)不會(huì)想到商用飛機(jī)會(huì)在飛行包線內(nèi)出現(xiàn)開環(huán)顫振，但是（有了主動(dòng)顫振抑制技術(shù)），就不需要附加結(jié)構(gòu)包裹邊緣?！?/p>

空中客車公司在客機(jī)上首先使用了數(shù)字線控飛行系統(tǒng)，這并不是使飛機(jī)不穩(wěn)定，而是為更接近中性穩(wěn)定性飛行，從而減輕重量，節(jié)約燃油?！拔覀円呀?jīng)證明，可以接近和稍微超出顫振臨界值，我們只需要在飛行中能夠接近顫振臨近值，就可以顯著減輕重量?！彼f。

美國(guó)宇航局力求抑制顫振，實(shí)現(xiàn)使用柔性機(jī)翼

例如波音公司787客機(jī)，客機(jī)機(jī)翼比過去更加纖細(xì)。但隨著機(jī)翼變得更薄，追求更小阻力和更輕重量，顫振成為一個(gè)巨大擔(dān)憂。

美國(guó)宇航局終于準(zhǔn)備好利用X-56A無(wú)人試驗(yàn)機(jī)柔性機(jī)翼上演示主動(dòng)顫振抑制技術(shù)。

顫振是空氣動(dòng)力學(xué)和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)兩者間潛在的破壞性耦合。為避免發(fā)生顫振，通常通過采用硬質(zhì)機(jī)翼，使得速度超出飛機(jī)的飛行包線。在這些速度下，陣風(fēng)或控制輸入激發(fā)機(jī)翼進(jìn)入彎曲和扭曲模式。但是，隨著展弦比（弦長(zhǎng)平方除以面積）增加，升力引起的阻力降低，使得機(jī)翼為避免顫振必須更加堅(jiān)硬，導(dǎo)致重量增加。這可以通過利用機(jī)翼的控制面主動(dòng)抑制顫振加以克服，但在飛行中幾乎沒有測(cè)試過。

8月份進(jìn)行的一次低風(fēng)險(xiǎn)飛行表明，X-56A改進(jìn)的起落架可以在使用柔性機(jī)翼下實(shí)現(xiàn)安全起降

X-56A飛機(jī)經(jīng)歷頗多。該機(jī)由洛克希德·馬丁公司臭鼬工廠為美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室生產(chǎn)。臭鼬工廠制造了兩架飛機(jī)，綽號(hào)分別為“fido”和“buckeye”，和四套機(jī)翼——1套用于初始測(cè)試的硬質(zhì)碳纖維機(jī)翼和3套玻璃纖維柔性機(jī)翼，用于計(jì)劃中的顫振主動(dòng)抑制技術(shù)演示。

建造3套機(jī)翼是因?yàn)槿嵝詸C(jī)翼有可能在飛行試驗(yàn)中失敗。但是，在為空軍研究實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試中，采用柔性機(jī)翼的X-56A甚至沒有能夠升空。在采用剛性機(jī)翼成功飛行后，2015年，“fido”首次采用柔性機(jī)翼飛行時(shí)在起飛過程中墜毀。

與此同時(shí)，另一架X-56A按計(jì)劃轉(zhuǎn)移到美國(guó)宇航局阿姆斯特朗飛行研究中心，為未來(lái)客機(jī)開發(fā)柔性、低阻力、高展弦比機(jī)翼。

美國(guó)宇航局在2015年進(jìn)行了剛性機(jī)翼飛行，但一次不成功的著陸毀壞了飛機(jī)，飛行提前結(jié)束。此后，美國(guó)宇航局一直在分析和改進(jìn)X-56A飛機(jī)，以便克服導(dǎo)致第一架飛機(jī)墜毀的問題——柔性機(jī)翼和起落架之間的耦合。

X-56A項(xiàng)目經(jīng)理程穆亞說：“過去兩年，我們一直在對(duì)飛機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，以便飛機(jī)能夠安全起降?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，剛性中機(jī)身和機(jī)翼之間有很多耦合。通常情況下，由于我們采用剛性結(jié)構(gòu)和堅(jiān)固起落架，我們不會(huì)碰到這個(gè)問題。但是如果機(jī)翼拍打，必須消散能量。因此，我們必須重新設(shè)計(jì)機(jī)鼻和主起落架，使其更加兼容，在起降時(shí)吸收能量?！?/p>

X-56A重218kg，翼展長(zhǎng)8.5m，使用兩臺(tái)36kg推力JetCat公司的渦輪噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，安裝在中機(jī)身上方。除了改裝起落架外，美國(guó)航天局還在飛機(jī)上安裝了飛行控制器和光纖傳感系統(tǒng)，測(cè)量飛行中的機(jī)翼變形。

美國(guó)宇航局進(jìn)行的顫振主動(dòng)抑制試飛將有助于空軍實(shí)驗(yàn)室完成X-56A項(xiàng)目的最初目標(biāo)

穆亞說，8月31日，在阿姆斯特朗中心采用柔性機(jī)翼遂行了一次低風(fēng)險(xiǎn)飛行。此次飛行表明，問題已經(jīng)得到解決。這次使用了基本的剛性機(jī)翼飛行控制器，飛機(jī)現(xiàn)在將安裝一種更魯棒的控制器，用于主動(dòng)抑制顫振飛行。

采用柔性機(jī)翼的X-56A計(jì)劃于11月中旬再次飛行，在飛機(jī)飛行包線內(nèi)演示主動(dòng)抑制顫振技術(shù)的最初目標(biāo)，確認(rèn)控制器對(duì)顫振的魯棒性，收集數(shù)據(jù)，驗(yàn)證氣動(dòng)力彈性建模的正確性。

穆亞說：“氣動(dòng)力彈性的重要性在于控制器好壞取決于模型。改進(jìn)后的X-56A在阿姆斯特朗進(jìn)行了廣泛的地面振動(dòng)測(cè)試，以更新結(jié)構(gòu)模型。我們正在最后驗(yàn)證控制器的有效性?！?/p>

按照計(jì)劃，將進(jìn)行一系列20～25次飛行，目的是證明控制系統(tǒng)可以抑制飛機(jī)的第一個(gè)對(duì)稱機(jī)翼彎曲-扭轉(zhuǎn)顫振模式。X-56A的設(shè)計(jì)表明，多種顫振模式可以同時(shí)被抑制，但是柔性機(jī)翼仍舊過于堅(jiān)硬。

第一種模式的啟動(dòng)預(yù)計(jì)將在120Kn左右，接近X-56A的最高速度。穆亞說：“想要飛得更快抑制第二種模式，是很困難的。一個(gè)辦法是增加第三臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，提高速度。

但美國(guó)宇航局的飛行研究重點(diǎn)已經(jīng)轉(zhuǎn)移到大型實(shí)驗(yàn)飛機(jī)上，即將進(jìn)行的一系列飛行明年春天結(jié)束后，X-56A將沒有后續(xù)計(jì)劃?！白皂?xiàng)目啟動(dòng)以來(lái)，美國(guó)宇航局已經(jīng)從較小的研究機(jī)轉(zhuǎn)向了X系列大飛機(jī)，”他說。

然而，如果“buckeye”試飛成功，主動(dòng)顫振抑制技術(shù)有望使未來(lái)客機(jī)繼續(xù)增加機(jī)翼展弦比，降低阻力，機(jī)翼將變得更加纖細(xì)和具有彈性。