美國宇航局X-56演示柔性機翼顫振抑制技術(shù)

格拉漢姆·瓦里克

顫振是空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(xué)兩者間潛在的破壞性耦合。在顫振速度以下，這些振動會逐漸減弱，但是在顫振速度以上，這些振動會被放大，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)機翼，使得速度超出飛機的飛行包線，這將導(dǎo)致重量增加。顫振主動抑制技術(shù)成為研究的重點。目前，美國宇航局利用洛克希德·馬丁公司研制的X-56A無人機完成了主動抑制柔性機翼在飛行中顫振的演示。X-56在其正常飛行包線內(nèi)設(shè)計有一種顫振模式，可以利用飛機的數(shù)字飛行控制系統(tǒng)主動抑制。顫振抑制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機翼變得纖細、具有彈性、低阻力和高展弦比，從而減少阻力，提高燃油效率。

美國宇航局完成了主動抑制柔性機翼在飛行中顫振的演示，這可能為將來使用質(zhì)量更輕、阻力更小的機翼鋪平道路,飛機的油效將會更高。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)。

顫振是一種氣動彈性不穩(wěn)定性，可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。按照常規(guī)，機翼的設(shè)計需要足夠堅硬，使得發(fā)生顫振的空速和動壓力邊界遠超出飛機正常飛行包線，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)計至少有一種顫振模式，可以利用飛機的數(shù)字飛行控制系統(tǒng)主動抑制。到目前為止，美國宇航局已經(jīng)證明，這種顫振模式可以抑制在110kn，這完全在無人飛機的速度范圍內(nèi)。

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

美國宇航局正使用X-56A測試不同的飛行控制器方法。美國宇航局X-56A的總工程師克里斯·米勒稱，“我們的最終目標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。”

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

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

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

采用高度柔性機翼，至少有一種不穩(wěn)定模式——機體自由顫振——處于飛機飛行包線內(nèi)?！拔覀儾荒馨俜职俅_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，并在稍微越過這個不穩(wěn)定狀態(tài)下飛行?！?/p>

機體自由顫振可以通過外形構(gòu)造表現(xiàn)出來，如具有低間距慣性的飛翼設(shè)計，高度柔性機翼設(shè)計，這種機翼具有短周期高振動頻率，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、洛克希德·馬丁公司的SR-71和20世紀60年代和70年代設(shè)計的窄體超聲速運輸機中都發(fā)現(xiàn)了機體自由顫振。

由于顫振具有破壞性，因此將以逐步增量的方式進行飛行測試。在地面上進行廣泛的振動和載荷測試可在飛行前預(yù)判顫振發(fā)生的時機。然后，將在飛行中逐漸增加空速，對比模型在每次連續(xù)高速飛行中對邊際和衰減率的預(yù)測效果。團隊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，但卻能讓團隊逐漸增加對顫振的了解。美國宇航局首先使用一種傳統(tǒng)飛行控制器展示了主動顫振抑制技術(shù)，現(xiàn)正在測試一種現(xiàn)代化的控制器?！八谠O(shè)計有些反傳統(tǒng)，在數(shù)學(xué)運算上更復(fù)雜，但在理想的情況下更有力，”他說。

首飛時，由于該現(xiàn)代化控制器使用的模型不夠準確，其表現(xiàn)沒有達到預(yù)期水平。因此，為改進模型，美國宇航局增加了飛行次數(shù)。團隊目前在再次測試這個現(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邁進。

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

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)飛機走得更遠。我們永遠不會想到商用飛機會在飛行包線內(nèi)出現(xiàn)開環(huán)顫振，但是（有了主動顫振抑制技術(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上首先使用了數(shù)字線控飛行系統(tǒng)，這并不是使飛機不穩(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。“我們已經(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。”他說。

美國宇航局力求抑制顫振，實現(xiàn)使用柔性機翼

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

美國宇航局終于準備好利用X-56A無人試驗機柔性機翼上演示主動顫振抑制技術(shù)。

顫振是空氣動力學(xué)和結(jié)構(gòu)動力學(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)機翼，使得速度超出飛機的飛行包線。在這些速度下，陣風(fēng)或控制輸入激發(fā)機翼進入彎曲和扭曲模式。但是，隨著展弦比（弦長平方除以面積）增加，升力引起的阻力降低，使得機翼為避免顫振必須更加堅硬，導(dǎo)致重量增加。這可以通過利用機翼的控制面主動抑制顫振加以克服，但在飛行中幾乎沒有測試過。

8月份進行的一次低風(fēng)險飛行表明，X-56A改進的起落架可以在使用柔性機翼下實現(xiàn)安全起降

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

建造3套機翼是因為柔性機翼有可能在飛行試驗中失敗。但是，在為空軍研究實驗室的測試中，采用柔性機翼的X-56A甚至沒有能夠升空。在采用剛性機翼成功飛行后，2015年，“fido”首次采用柔性機翼飛行時在起飛過程中墜毀。

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

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

X-56A項目經(jīng)理程穆亞說：“過去兩年，我們一直在對飛機進行改進，以便飛機能夠安全起降?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，剛性中機身和機翼之間有很多耦合。通常情況下，由于我們采用剛性結(jié)構(gòu)和堅固起落架，我們不會碰到這個問題。但是如果機翼拍打，必須消散能量。因此，我們必須重新設(shè)計機鼻和主起落架，使其更加兼容，在起降時吸收能量。”

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

美國宇航局進行的顫振主動抑制試飛將有助于空軍實驗室完成X-56A項目的最初目標

穆亞說，8月31日，在阿姆斯特朗中心采用柔性機翼遂行了一次低風(fēng)險飛行。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翼飛行控制器，飛機現(xiàn)在將安裝一種更魯棒的控制器，用于主動抑制顫振飛行。

采用柔性機翼的X-56A計劃于11月中旬再次飛行，在飛機飛行包線內(nèi)演示主動抑制顫振技術(shù)的最初目標，確認控制器對顫振的魯棒性，收集數(shù)據(jù)，驗證氣動力彈性建模的正確性。

穆亞說：“氣動力彈性的重要性在于控制器好壞取決于模型。改進后的X-56A在阿姆斯特朗進行了廣泛的地面振動測試，以更新結(jié)構(gòu)模型。我們正在最后驗證控制器的有效性。”

按照計劃，將進行一系列20～25次飛行，目的是證明控制系統(tǒng)可以抑制飛機的第一個對稱機翼彎曲-扭轉(zhuǎn)顫振模式。X-56A的設(shè)計表明，多種顫振模式可以同時被抑制，但是柔性機翼仍舊過于堅硬。

第一種模式的啟動預(yù)計將在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。一個辦法是增加第三臺發(fā)動機，提高速度。

但美國宇航局的飛行研究重點已經(jīng)轉(zhuǎn)移到大型實驗飛機上，即將進行的一系列飛行明年春天結(jié)束后，X-56A將沒有后續(xù)計劃?！白皂椖繂右詠?，美國宇航局已經(jīng)從較小的研究機轉(zhuǎn)向了X系列大飛機，”他說。

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