【趣聊航空】

在飞行过程中，有一种令无数飞行员“谈之色变”的现象，那就是“颤振”。因为一旦在飞行中发生颤振并发散，飞机就会在几秒钟内解体，飞行员几乎没有处置的时间，很容易造成机毁人亡的灾难性后果。

本期“趣聊航空”就带大家一起来了解一下什么是颤振？颤振是如何发生的？飞机又是如何预防颤振发生的？

(资料图片仅供参考)

颤振是指弹性体（机体）在与气流的相对运动中，受到气动力、弹性力和惯性力之间耦合作用而引起的一种振幅不断扩大的振动现象，颤振本质上是一种自激振动。

要理解这样一个复杂的概念，我们首先要抓住“弹性体”和“自激振动”这两个最核心的概念。

那么，我们平常看起来似乎很刚硬的飞机为什么会是弹性体呢？

实际上，我们自然界中并不存在绝对的刚体，飞机也不例外，看起来似乎很刚硬的机体结构，在受到力的作用时，同样也会发生变形，特别是机翼、尾翼等结构，变形的幅度更大。像波音-787飞机，在极限载荷的作用下，翼尖的弯曲变形接近8米。

不仅如此，机翼在力的作用下还会发生扭转。正是由于飞机是一个弹性体，在受力时会发生弯曲、扭转变形，才会与其他力产生相互作用并发生颤振。

那么，什么又是自激振动呢？

所谓自激振动，就是由于系统内部产生的激励，不断对系统做正功而维持的一种振动形式。比如，飞行学员在日常训练中进行的旋梯运动，如果我们将人和旋梯视为一个系统，就可以将旋梯运动视为一种自激振动。那么，在做旋梯运动时，旋梯怎样才能越摆越高呢？

我们发现，当旋梯下落时人应当采取蹲下的姿态，而当旋梯上升时，人应当采取站立的姿态，这样旋梯才会越摆越高，并最终越过顶点。

这是由于人的重心在取立位时比取蹲位时要高，也就是说，处于上升状态时旋梯的重心比要比下降状态时高，这样，作用于重心的重力在旋梯上升时对悬挂点O的力矩就比下降时为小，所以旋梯由高到低再由低到高这样一个循环过程中，重力对悬挂点的力矩所做的总功就是正的，由于系统每次循环都有能量输入，旋梯就会越荡越高。由此可见，在人和旋梯组成的系统中，系统内部人的重力在旋梯前后摆动的每一个循环中持续作正功，旋梯越摆越高，这样的运动就是自激振动。

而如果做旋梯运动时，外部有人顺着旋体运动的方向推一把或者拉一把，旋梯也会越摆越高，但这种形式的运动就不再是自激振动，而是一种强迫振动。

理解了自激振动，接下来，我们就来具体分析一下，机翼颤振这种自激振动究竟是如何产生的。

我们取机翼上一个的典型剖面，剖面上有3个非常重要点，即剖面的气动力焦点、重心，刚心。其中，焦点是指气动力发生变化时，气动力增量的作用点，在亚声速飞行时，焦点通常位于剖面弦长的25%〜28%处，刚心是指机翼发生扭转时围绕其旋转的那个点，一般在弦长的38%〜40%处，而重心一般在弦长的42%〜45%处。

飞机在天上飞，和汽车在地上跑一样，受不稳定气流的影响必然会产生振动，使得机翼偏离原平衡位置，假设机翼受气流的扰动，产生向下的弹性变形，变形后机翼结构内部就会随之产生一个欲使它恢复平衡位置的弹性力，该力作用在刚心上，而后，机翼就会产生向上的加速度运动，于是机翼上就会产生一个惯性力，该力作用在重心上，其方向与加速度的方向相反，由于重心在剖面刚心之后，那么惯性力将对刚心产生一个抬头力矩，使翼剖曲相对于弹性轴产生顺时针方向的扭转，扭转又会使得剖面产生附加迎角。于是，在机翼上产生相应的附加气动力，它作用在翼剖面的焦点上，促使机翼的扭转变形进一步加大。由于弹性力的作用，机翼很快回到它的初始位置。

当机翼由下向上加速运动时，积累了足够大的能量，促使机翼越过初始位罝继续向上运动，使其产生向上的弯曲变形。同时，向上的附加气动力使得这种弯曲变形加大。越过初始位罝之后，弹性力和惯性力的方向改变，此时惯性力对刚心构成低头力矩，使得机翼逆时针扭转，翼剖面的迎角逐渐减小，附加气动力也随之减小。此时，一方面机翼继续向上弯曲变形，另一方面攻角继续减小，最终在弹性力的阻碍作用下，机翼向上弯曲到最大位置。

机翼向上弯曲到最大位置后，又会受到向下的弹性力，产生向下的加速度，进而产生作用在重心，方向向上的惯性力，以致惯性力所产生的低头力矩使翼剖面产生附加的负迎角。由负迎角产生的附加气动力继续使翼剖面低头，促使机翼的扭转变形加大。由于弹性力的作用，机翼又将回到初始位置。当机翼继续向下弯曲变形时，与上相同，机翼抬头，翼剖面顺时针扭转，使翼剖面的（负）攻角减小，直至攻角为零。

如果飞行速度足够大，在弹性力、惯性力和附加气动力三者的相互作用下，机翼振动幅度就会越振越大，最终发生颤振。

既然颤振如此危险，那飞机是如何避免颤振发生的呢？

首先，我们知道颤振发生的根本前提就是，飞机结构是一个弹性体，才会出现弯曲和扭转，如果机翼刚度很大，受力后发生的弹性变形很小，就不会发生颤振。这种大展弦比的直机翼，刚度很小，因此飞行中机翼很容易像面条一样扭来扭去。

而且在颤振中，机翼的扭转起主要作用，因此，可以通过提高机翼抗扭刚度的方式来推迟或者避免颤振的发生。比如像我们歼-15飞机采用的后掠翼和歼-10飞机的三角翼，通过降低机翼展弦比来提高扭转刚度，此外，还可以采用扭转机翼的方式来提高机翼抗扭刚度，比如像F-22。

此外，我们发现自然界飞行中的王者——蜻蜓拥有轻薄而巨大的翅膀，从理论上讲同样也会发生“颤振”，但实际上，蜻蜓却丝毫没有受到“颤振”的影响，这是为什么呢？

研究发现，蜻蜓翅膀的前缘存在着一个叫做“翅痣”的加厚区域，蜻蜓会通过在不同的飞行状态下向“翅痣”中泵入血液来调整翅膀的重心和刚心位置进而避免了颤振的发生。受蜻蜓的启发，很多飞机在平尾的翼尖处增加配重，其目的就是为了提高平尾的抗扭刚度，进而避免颤振的发生。

实际上，飞机在设计过程中进行了大量预防颤振的风洞试验，并且在飞机定型前还要由我们英雄的试飞员进行严格的试飞，因此，交付使用的飞机在设计范围内，大家大可不必担心颤振的发生。

审核：郁大照（海军航空大学）

撰稿：宋山松

策划：吴玉良 周坚毅 宋雅娟 肖春芳

监制：张　翼 战　钊

出品：中国科协科普部 海军航空大学 光明网