气动弹性|巧用气动弹性：乱云飞渡仍从容
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国外一架验证机试飞探索气动弹性问题 。资料图片
“空气动力学”不少人听说过 ， 可提到“气动弹性”这个专业名词 ， 估计大多数人都很陌生 。它看不见、摸不着 ， 但生活中处处能捕捉到它的影子 。迎风飘扬的红旗、风中晃动的电线、遭遇气流颠簸的飞机……这些都是气动弹性现象 。
众所周知 ， 飞机是通过发动机产生的推力转换成机翼升力来实现空中飞行 。战机为了在空中格斗中占据优势 ， 需要在高速飞行状态下完成各种眼花缭乱的机动翻滚动作 。这时 ， 气动弹性效应会使机翼发生变形和剧烈抖动 ， 如果飞行员操作不当 ， 可能会导致飞机失控 ， 甚至坠毁 。
因此 ， 如何高效控制气动弹性 ， 如何让飞机与气流“和平相处” ， 同时变不利为有利 ， 利用气动弹性提升飞机性能 ， 就成了飞行器研究领域一个无法回避、必须应对的课题 。
颤振 ， 飞机事故的制造者
说到飞行第一人 ， 大多数人脑海中都会浮现出一个名字——莱特兄弟 。其实 ， 在莱特兄弟试飞前9天 ， 美国“航空先驱”兰利教授也进行了一次飞行试验 。
遗憾的是 ， 他的“空中旅行者”号飞机在起飞没多久 ， 因气动弹性效应机翼发生变形折断 ， 最终在飞行1006米后坠落水面 ， 人类历史上第一次有动力的飞行试验失败了 。
【气动弹性|巧用气动弹性：乱云飞渡仍从容】那时 ， 兰利教授非常苦恼 ， 百思不得其解 。9天后 ， 莱特兄弟的飞机试飞成功 ， 报纸广泛报道了这则新闻 ， 莱特兄弟一夜红遍美国 ， 而兰利教授的这次失败很快淡出人们的视野 。然而 ， 从兰利试飞的角度上看 ， 气动弹性伴随着飞行器发展的全过程 ， 是不争的事实 。
斗转星移 。当体验过飞行的快感 ， 人类便一发不可收拾 。一战爆发后 ， 军用飞机的投入使用 ， 更是加速了这一进程 。与此同时 ， 机翼颤振问题变得更加突出 ， 不少新型飞机因此折翅空天 。
颤振是飞机气动弹性力学中最重要也是最难以准确预判的一种现象 。飞机飞行到一定速度后 ， 周遭气流和机体相互作用会引起剧烈振动 ， 出现颤振现象 。如果飞机进入颤振状态后 ， 振动幅度不断加大 ， 机翼结构就会损坏 。
一战时 ， 英军和德军的轰炸机在高速俯冲过程中 ， 尾翼时常发生剧烈的颤振现象 ， 不少轰炸机失去控制 ， 最终坠毁 。
德国曾有两种战斗机因颤振问题发生了致命事故：一种是“信天翁”D.Ⅲ飞机 ， 另一种是“福克”D.Ⅷ飞机 。后者是一种悬臂式单翼机 ， 投入战争后接二连三地在高速俯冲时 ， 发生颤振坠毁事故 。
为此 ， 设计师对“福克”D.Ⅷ的机翼进行了强度试验 ， 结论是其强度足以承受6倍设计载荷 。这时 ， 设计师意识到 ， 一味地增强飞机机翼在静止状态下的强度 ， 而不去考虑飞行振动时的强度 ， 是无法解决这个问题的 。
但是 ， 囿于当时人类航空工业技术薄弱 ， 以至于发现了飞机颤振问题 ， 却没有能力搞清机理并彻底解决 ， 设计师只能以增加结构重量提高飞机的强度 ， 回避颤振问题 。
二战期间 ， 出现了第一批超音速飞机 ， 人类飞行进入超音速时代 。一些设计师为了追求速度 ， 想方设法降低机翼的重量 。随之带来的后果是 ， 机翼抗变形能力随之减弱 ， 飞机颤振现象再次凸显 。
气动弹性力学作为一个分支学科 ， 也正是在那个年代初步形成的 。气动弹性力学工程师要做的是 ， 减少颤振现象对飞机的影响 ， 提高飞机飞行速度和安全性 。
与其对抗扭转效应 ， 不如利用气动弹性
“流动的空气是如何影响飞机的？”德国哥廷根气动弹性研究所是该方向全球领先的机构 ， 他们很早就开始了气动弹性力学的研究 ， 并取得了不少成果 。
