【趣聊航空】

在飛行過程中，有一種令無數飛行員“談之色變”的現象，那就是“顫振”。因為一旦在飛行中發生顫振并發散，飛機就會在幾秒鐘內解體，飛行員幾乎沒有處置的時間，很容易造成機毀人亡的災難性后果。

(相關資料圖)

本期“趣聊航空”就帶大家一起來了解一下什么是顫振？顫振是如何發生的？飛機又是如何預防顫振發生的？

顫振是指彈性體（機體）在與氣流的相對運動中，受到氣動力、彈性力和慣性力之間耦合作用而引起的一種振幅不斷擴大的振動現象，顫振本質上是一種自激振動。

要理解這樣一個復雜的概念，我們首先要抓住“彈性體”和“自激振動”這兩個最核心的概念。

那么，我們平常看起來似乎很剛硬的飛機為什么會是彈性體呢？

實際上，我們自然界中并不存在絕對的剛體，飛機也不例外，看起來似乎很剛硬的機體結構，在受到力的作用時，同樣也會發生變形，特別是機翼、尾翼等結構，變形的幅度更大。像波音-787飛機，在極限載荷的作用下，翼尖的彎曲變形接近8米。

不僅如此，機翼在力的作用下還會發生扭轉。正是由于飛機是一個彈性體，在受力時會發生彎曲、扭轉變形，才會與其他力產生相互作用并發生顫振。

那么，什么又是自激振動呢？

所謂自激振動，就是由于系統內部產生的激勵，不斷對系統做正功而維持的一種振動形式。比如，飛行學員在日常訓練中進行的旋梯運動，如果我們將人和旋梯視為一個系統，就可以將旋梯運動視為一種自激振動。那么，在做旋梯運動時，旋梯怎樣才能越擺越高呢？

我們發現，當旋梯下落時人應當采取蹲下的姿態，而當旋梯上升時，人應當采取站立的姿態，這樣旋梯才會越擺越高，并最終越過頂點。

這是由于人的重心在取立位時比取蹲位時要高，也就是說，處于上升狀態時旋梯的重心比要比下降狀態時高，這樣，作用于重心的重力在旋梯上升時對懸掛點O的力矩就比下降時為小，所以旋梯由高到低再由低到高這樣一個循環過程中，重力對懸掛點的力矩所做的總功就是正的，由于系統每次循環都有能量輸入，旋梯就會越蕩越高。由此可見，在人和旋梯組成的系統中，系統內部人的重力在旋梯前后擺動的每一個循環中持續作正功，旋梯越擺越高，這樣的運動就是自激振動。

而如果做旋梯運動時，外部有人順著旋體運動的方向推一把或者拉一把，旋梯也會越擺越高，但這種形式的運動就不再是自激振動，而是一種強迫振動。

理解了自激振動，接下來，我們就來具體分析一下，機翼顫振這種自激振動究竟是如何產生的。

我們取機翼上一個的典型剖面，剖面上有3個非常重要點，即剖面的氣動力焦點、重心，剛心。其中，焦點是指氣動力發生變化時，氣動力增量的作用點，在亞聲速飛行時，焦點通常位于剖面弦長的25%?28%處，剛心是指機翼發生扭轉時圍繞其旋轉的那個點，一般在弦長的38%?40%處，而重心一般在弦長的42%?45%處。

飛機在天上飛，和汽車在地上跑一樣，受不穩定氣流的影響必然會產生振動，使得機翼偏離原平衡位置，假設機翼受氣流的擾動，產生向下的彈性變形，變形后機翼結構內部就會隨之產生一個欲使它恢復平衡位置的彈性力，該力作用在剛心上，而后，機翼就會產生向上的加速度運動，于是機翼上就會產生一個慣性力，該力作用在重心上，其方向與加速度的方向相反，由于重心在剖面剛心之后，那么慣性力將對剛心產生一個抬頭力矩，使翼剖曲相對于彈性軸產生順時針方向的扭轉，扭轉又會使得剖面產生附加迎角。于是，在機翼上產生相應的附加氣動力，它作用在翼剖面的焦點上，促使機翼的扭轉變形進一步加大。由于彈性力的作用，機翼很快回到它的初始位置。

當機翼由下向上加速運動時，積累了足夠大的能量，促使機翼越過初始位罝繼續向上運動，使其產生向上的彎曲變形。同時，向上的附加氣動力使得這種彎曲變形加大。越過初始位罝之后，彈性力和慣性力的方向改變，此時慣性力對剛心構成低頭力矩，使得機翼逆時針扭轉，翼剖面的迎角逐漸減小，附加氣動力也隨之減小。此時，一方面機翼繼續向上彎曲變形，另一方面攻角繼續減小，最終在彈性力的阻礙作用下，機翼向上彎曲到最大位置。

機翼向上彎曲到最大位置后，又會受到向下的彈性力，產生向下的加速度，進而產生作用在重心，方向向上的慣性力，以致慣性力所產生的低頭力矩使翼剖面產生附加的負迎角。由負迎角產生的附加氣動力繼續使翼剖面低頭，促使機翼的扭轉變形加大。由于彈性力的作用，機翼又將回到初始位置。當機翼繼續向下彎曲變形時，與上相同，機翼抬頭，翼剖面順時針扭轉，使翼剖面的（負）攻角減小，直至攻角為零。

如果飛行速度足夠大，在彈性力、慣性力和附加氣動力三者的相互作用下，機翼振動幅度就會越振越大，最終發生顫振。

既然顫振如此危險，那飛機是如何避免顫振發生的呢？

首先，我們知道顫振發生的根本前提就是，飛機結構是一個彈性體，才會出現彎曲和扭轉，如果機翼剛度很大，受力后發生的彈性變形很小，就不會發生顫振。這種大展弦比的直機翼，剛度很小，因此飛行中機翼很容易像面條一樣扭來扭去。

而且在顫振中，機翼的扭轉起主要作用，因此，可以通過提高機翼抗扭剛度的方式來推遲或者避免顫振的發生。比如像我們殲-15飛機采用的后掠翼和殲-10飛機的三角翼，通過降低機翼展弦比來提高扭轉剛度，此外，還可以采用扭轉機翼的方式來提高機翼抗扭剛度，比如像F-22。

此外，我們發現自然界飛行中的王者——蜻蜓擁有輕薄而巨大的翅膀，從理論上講同樣也會發生“顫振”，但實際上，蜻蜓卻絲毫沒有受到“顫振”的影響，這是為什么呢？

研究發現，蜻蜓翅膀的前緣存在著一個叫做“翅痣”的加厚區域，蜻蜓會通過在不同的飛行狀態下向“翅痣”中泵入血液來調整翅膀的重心和剛心位置進而避免了顫振的發生。受蜻蜓的啟發，很多飛機在平尾的翼尖處增加配重，其目的就是為了提高平尾的抗扭剛度，進而避免顫振的發生。

實際上，飛機在設計過程中進行了大量預防顫振的風洞試驗，并且在飛機定型前還要由我們英雄的試飛員進行嚴格的試飛，因此，交付使用的飛機在設計范圍內，大家大可不必擔心顫振的發生。

審核：郁大照（海軍航空大學）

撰稿：宋山松

策劃：吳玉良 周堅毅 宋雅娟 肖春芳

監制：張　翼 戰　釗

出品：中國科協科普部 海軍航空大學 光明網