飛機為什么要做全機地面振動試驗

王軍朋

18世紀中葉，一隊士兵在指揮官的口令下，邁著威武雄壯、整齊劃一的步伐，通過法國昂熱市一座大橋，快走到橋中間時，橋梁突然發生強烈的顫動并且最終斷裂坍塌，造成許多官兵和市民落入水中喪生。后經調查，造成這次慘劇的罪魁禍首，正是共振！

在我們的生活中，共振現象并不少見，并且通常具有一定的危害性，因此需要采取科學方法避免共振現象的發生。

飛機在飛行過程中會受到來自于發動機的振動以及氣動力的脈動等各種形式的振動載荷，如果結構設計不合理，飛機在這些載荷作用下就會產生明顯的振動（共振），當外載荷激勵頻率與結構固有頻率接近時，結構響應會顯著增大，除了降低乘員的舒適性，還會惡化機載設備的工作環境，甚至造成結構破壞， 嚴重時會影響飛機的飛行安全。所以，飛機設計師在設計中一般會遵循頻率分離原則，盡量避免飛機的主要頻率與主要載荷頻率發生耦合。

如何讓設計的結構更加合理，避免上述問題呢？飛機設計師在多年工作經驗的基礎上，總結了一套完整的分析和試驗標準：一方面通過分析，確定各種工作條件下飛機的響應，并通過修改結構設計，使得響應控制在安全范圍內;另一方面通過試驗對分析結果進行驗證，確保分析結果合理可信，這里的試驗主要是地面振動試驗，也稱為地面共振試驗。

對于飛機地面振動試驗而言，激勵方法和模態分析方法是試驗的重要內容。試驗中通常采用激振器（可以理解為電機，只不過將電機的圓周運動轉換為直線往復運動）對結構進行激勵，使飛機發生微幅振動，同時使用各種傳感器測試振動信號，并對振動信號進行分析，從而獲得飛機的固有振動特性。飛機結構在不同激勵頻率下響應不同，通過記錄結構響應，利用參數識別的方法即可獲得結構的振動特性。

在試驗中，飛機支持方式具有重要意義，其合理與否直接關系到試驗數據的可靠性，甚至試驗的成敗。因此支持系統設計是全機地面共振試驗的基礎性工作，一般情況下包括支持剛度條件、靜力平衡條件、穩定性條件、飛機姿態和支持部位等五個方面的因素。在支持系統設計過程中，還需要對飛機在特定支持狀態下的剛體運動頻率進行估算。大、中型飛機試驗時，可采用起落架支持或空氣彈簧支持的方式，也可以兩種方式結合使用，而對于小型飛機，除以上兩種外，也可以使用彈簧繩吊掛的方式。

軍機強度規范和民機適航標準要求，地面振動試驗是各型號飛機首飛前必須完成的大型地面試驗之一，試驗數據主要用于對飛機結構力學模型的確認，并通過修正后的分析模型，預計飛機的顫振特性和各種動態的相應，并用于飛機的減震設計和飛行安全性評估等。

在中國，航空工業強度所擁有國內一流的全機地面振動試驗系統和試驗團隊，自主設計了系列齊全的空氣彈簧支持裝置，研發了一套自主知識產權的專業數據分析軟件，已完成了百余架次飛機的地面振動試驗。

多年來，航空工業強度所通過試驗測試飛機結構的特性，并對分析模型進行驗證，給飛機設計人員提供有效數據參考， 有效地保障了國產飛機的安全。