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X-56A将集成飞行控制和颤振抑制技术
2014-05-28

    [据美国航空周刊和空间技术网站2014年5月26日报道]追求更高效率的思想不断推动着飞机设计技术——从侦察平台到商用飞机和高速飞行器——朝着突破传统边界的方向发展。柔性结构主动控制技术的出现对于未来轻质、低阻布局的使用发挥着关键的作用。

    长航时无人机和燃油高效飞机通常都采用细长、大展弦比机翼,并且低阻、低音爆飞机通常还采用细长、大长细比机身,但是如果要这样的设计足够轻能够实用,它们的结构相比今天的设计要更加柔性化。在通航美国空军试验室和NASA的合作下,洛马公司臭鼬工厂正在加州爱德华兹空军基地进行X-56A的飞行测试,目的是验证对柔性机翼的集成飞行控制和颤振抑制技术,最终使这样的飞机概念变成现实。

    无人驾驶X-56A飞机起源于美国空军试验室传感器飞机项目,该项目是为能够留空40个小时,在细长、轻薄的机翼内搭载雷达天线阵列的大型高空长航时无人机识别关键技术。美国空军试验室X-56A项目经理Peter Flick说:“传感器飞机项目确定了对主动气动弹性控制技术的需求。”传感器项目的设计展弦比为11-14,B-2轰炸机的展弦比为6,但B-2为了解决颤振问题被动增加了3500磅重量(1588千克)。

    颤振是指机体气动力和弹性力相互耦合发生的自激振动。在颤振速度以下,这些振动会逐渐减弱;但是在颤振速度以上,这些振动会被放大,变得不稳定,振幅突然增加而快速导致结构破坏。传统上,解决动态不稳定振动的方法是增加结构刚度将颤振速度提高到飞机正常飞行包线以外。但是这个安全裕度——军用飞机典型的是1.15倍,商用飞机典型的是1.5倍——往往带来重量增加,而这对于设计目标是高空长航时或者降低巡航燃油消耗的飞行器是不能接受的。

    未来高效飞行器设计的关键问题是一个被称为机身自由度颤振(BFF)的现象。这发生在飞行器短周期俯仰振动同机翼弯曲模式耦合的时候,对于低尾容量、大展弦比设计(比如飞翼布局)尤其重要。BFF还会发生在当短周期俯仰振动同机身弯曲模式耦合的时候,这种情况对于大长细比超声速布局比较常见。

    同X-56A一样,1996年首飞的暗星,2005年首飞的臭鼬和臭鼬工厂的传感器飞机以及斜掠翼飞机都是低尾容量、大展弦比设计,而安静超声速运输和远程打击概念拥有细长的机身。并且最近3个机密的项目,仅仅被提及的P-XXX,P-YYY和P-ZZZ,也是刚性/柔性耦合设计。

    主动结构控制不是一个新概念,但是先前的努力都主要关注于延长飞机寿命而不是新布局。洛马的经验包括在20世纪70年代对C-5A进行的主动分布式升力系统的升级翻新,这增加了机翼的疲劳寿命,并且在20世纪70年代晚期,在L-1011-500客机上引入了主动阵风载荷减缓功能,使得增加翼展成为可能而不用进行重大的结构重设计。

    在20世纪70年代早期,NASA跨声速风洞进行了波音2707-300超声速运输机的试验,结果证明采用主动抑制手段可以增加颤振发生的动压达11-30%。在同一时期,美国空军B-52随控布局项目研究了骑行颤振模式(ride, flutter-mode)和机动载荷控制以及增强的稳定性。1973年,在载荷减轻和模式稳定性项目下,B-52随控布局在飞行中验证了它的主动颤振抑制技术,飞行速度达到了颤振速度高出10节(18.5公里/小时)。

    在20世纪70年代后期,X-56的先驱——NASA的DAST(无人靶机气动结构测试项目)旨在验证主动气动弹性控制技术。该项目目标是通过飞行特来达因-瑞安火蜂II无人机(该机安装了气动弹性研究机翼,代表了先进亚声速运输机布局)验证在跨声速飞行时增加颤振速度20%以上。

    ARW-1测试机翼评估了2个主动颤振抑制系统,而ARW-2机翼验证主动颤振抑制、阵风载荷减缓和机动载荷减轻3项技术。在1977至1983年间共飞行了少数几次,其中ARW-1由于颤振抑制系统的程序设计错误在1980年坠毁。后来重新制造后又由于回收降落伞故障在1983年坠毁,而ARW-2从没有进行过飞行试验。

    传统上,飞行控制和气动弹性是分开处理的。Beranek表示,“现在我们需要将两个不同的文化——飞行控制和气动弹性综合起来考虑。”飞控工程师使用非线性、定常气动力,并且假设刚体,而颤振工程师通常将机体看做柔性的、线性的和受到非定常气动力。(中国航空工业发展研究中心 王元元)

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