飞行颤振试验技术研究

技 术 威 果 展 矛
汪辩技 术 协 作 信 息
２ ０行颤振试验技术研究
阎 明， 哈尔滨飞机工业集团
摘 要： 新型号飞机进行使 用前 ， 必须进行 飞机 飞行颤振试验 ， 证 实飞机在飞行 包线 内确无颤振发生。 通过颤振试验 ， 可 以掌握 飞机的颤振 特性 ， 增加飞机的安全性 ， 确认 飞机颤振特性 满足有 关适航或规 范要 求。本 文概 述 了飞行颤振试验技 术。
关键词 ： 颤振 ； 响应 ； 模 态； 激 励
新型号 飞机进行飞行 试验前 ， 通过 详 颤振理论分析 和计算。通过这些试验和计 掌握 飞 行各部 件 的 固有 频率 ， 模态 和 尽的气动 弹性分析 ， 各种气动 弹性模 型的 算 ，
试验着重 了解各模态 的频率和 阻尼值 ， 并 不要 求测量颤振形 态 ， 故与 地面振 动试验 频率 、 耦合 相 比较 ， 测试 点的数量 可大量减 少 。传感 风洞试验研 究以及 飞机的地面共 振试验 ， 阻尼 以 及包括 颤振 临界 速度 、 对飞 机 的 固有 振 动特性 和颤 振特 性 已有 形式及速度 一 阻尼变化规律在 内的飞机颤 器 的布 置应位于 响应量较大 的部位 ， 而 不 生。 应放置在振动节线附近 。 传感器应对称 分 理论 上 的认识 ，了解 了包 括 颤振 临界 模 振特 ｝ ２ 根 据理 论分 析结 果 ， 确 定试飞 状态 布 ， 以进行对称 、 反对称形态的区分 。 态、 临界速 度 、 临界频 率在 内的基 本特 性 速度 、 马 赫数 和典 ２ 传感器 。振动测量采 用Ｉ ｊ 勺 传感器 要 以及 飞机在备种 飞行高度 、飞行马赫数 、 下 的飞 机的 飞行 高度 、 在 飞行包线 中确定 试 求体积小 、 重量轻 ， 便于安 装 ， 并能在 飞行 装载条件组合下的颤振速度变化规律 。 然 型 的飞机负载状 态 ， 而这 些分 析结 果和 备种 地面 试验 结 果还 验点 。 一般颤振试验 点总是在某一高度上 环 境下 正常 工作 ，由于 工 作范 围频 率较 必须进一 步求得验 证 ， 这 是因为理 论分析 逐 步增 速到 达包 线某 限制线 后 再该 变 飞 低 ， 还要 求具有 良好 的低频 响应特性 。最 较 常用 的传感 器有 压 电式加 速度 计和 应 变 和试 验 模型在 研 究方 法上 存在 固有 的不 行高 度 。所选 的高 度常常 是由高到 低 ， 电桥两种。 足， 例如气 动 、 结 构分 析模 型不 可能 对 真 大 的当量 空速 飞行 通常安排 在低空进行 。 实 飞机进行 完全 模拟 ； 分析 所用集 合 、 惯 ３ 根据 飞机布 局特 点 ， 选 择适 当 的激 ３ 测 量信号的记录 。所有测量 信号经 并完 成激 励设 备 的研制 、 调 试 和 过放大后记录在多通道记录器上 。 记录器 性 、刚度 和 气动 等原 始数 据总 会存 在误 励方法 ， 差； 理论 分析方法 因受各种条件 限制不 能 地面试 验 以及 飞机 局部 改造 以安 装激 振 分为模拟式和数字式两类 。常用模拟记录 Ｍ（ 调频） 方式， 具有 足够 的完整性和精 确性等等。另一方 设备。在飞机舱 内安装激励各类测量信号 方式 有直 接记 录方 式和 Ｆ 完成 飞机备部 位信 具有 精度 高且 能直 接与 计算 机接 口相连 面， 新型号飞机上采 用的新技 术 、 新 材料 、 的记录仪 或遥测装置 ， 新工艺 以及飞机外形布 局 、 结 构形式 和操 号传感器的布置和安装 。同时进行与激励 的 优点 。 纵形式不 断发展 ， 新类型 的颤 振问题 亦不 方法相协调的数据处理软硬件开发工作 。 三、 颤振余量估计 断产生 。这些问题都给理论研究带来了新 ４ 机 组人员除 了能熟练操 纵有关设备 飞行 颤振 试验 通过 某确 定 飞行 速 度 的挑 战 ，所 以必 须进 行 飞机 飞行 颤振 试 外 ， 还 应全 面 了解试 验方 案 ， 并且 对 飞机 下 飞机 各模态频率 和阻尼的测 量 ， 判断 该 根据颤振 余量 与 验 ，证 实 飞机在 飞行 包线 内确 无 颤振 发 在感性上要有认识 。遇到异常 陌况应具有 状态 下飞机的颤振 余量 ， 生。 快速应变 能力 ， 立即切断激 励信 号的传递 速度 的关系 ，推断 飞机的 临界颤振 速度 。 飞行进行颤振试验的意义在于 ： 通道 ， 并采取必 要的其他 安全 保障措施 。 颤 振余 量 的估计 通常 采用 以下 两种 方 法 （ １ ） 全 面了解 飞机备 主要模 态 阻尼特 Ｓ 选择适 当气 候和空域 进行试验 。若 来进行 ： 性变化规律 ， 掌握 飞机 的颤 振特 『 生。 不采 用大气紊流 激振方法 ， 最好 选择紊流 ｌ 阻尼 一 速度 方法。 在 同一图上绘出不 （ ２ ） 对 可能 产 生的 小 阻尼 、 极 限环等 较小的 晴朗天气进行颤振试验 。 同速度下 临界 模态阻尼值 得变化 曲线 ， 采 不安全 模态进行 及时处理和 解决 ， 增加飞 ６ 试验 中机 组人员与地 面指挥要 密切 用外插的方法即可求得临界颤振速度。从 机 的安全 ＿ 生。 配合 ， 严 格保 证在 规定 的高 度 、 速度 下 进 曲线形式 来看 ， 颤 振形式可分 为平稳 型和 （ ３ ） 确认 飞机颤振特 性满足有 关适航 行试验 。重要的响应信号在实验组记录或 突发型两类。突发型颤振在临界点附近阻 或规 范要 求。 由遥测设备传输 到地面 站后 ， 尽快得 到该 尼随速度 的变化斜率 突然增大 ， 在 颤振 点 严格来说 ， 飞机 飞行颤振 试验应该称 试 验 条件 下飞 机重 要模 态的频 率 和 阻尼 较近 的范围 内试飞 时危险的 ， 不宜 采用根 根 据这些结果 来确定试 验是否继 续进 据阻尼的变化来判断颤振临界速度 。 为飞行振 动试 验 ， 这 是因为在一 般情况 下 值 ， 空 中 飞行试 验不 可能 将飞 机飞 入 颤振状 行 。若试验继 续进行 ， 则飞行 参数 的改变 ２ 颤 振余量 函数 。根 据不 同速度下测 态， 而是 在颤 振亚 临界 条件 下 ， 通 过对 飞 量需 嗅重确 定 ， 并 确保精确 实现 。对 于 民 得 的两个 颤振 相关 模态 的频 率和 阻 尼值 机 的激励 、 飞机重要 部位响应 信号的测 量 用飞机 ， 通 常每 次速度 增量为 ｌ ５ ～ ２ ０ 公里 可构造颤振余量函数 Ｆ 。 当Ｆ ） ０ 时， 系统稳 和分析 获得 飞机 各个模 态的 重要 参量 一 ／ 小时左右（ Ｅ ＡＳ ） ， 马赫数增 量在马赫数较 定 ， Ｆ ： ０为 中Ｊ Ｉ 生稳定 ， 是颤振 的开始点 。对 ｌ ，在马赫数为 Ｑ ８以上的跨音速 颤 振余 量函 数进行 外插 即 可得 到颤 振 临 频率和阻 尼 ， 从 而判断飞机 的稳定性 能和 小时取 Ｑ 颤振余量 ， 再通 过外插方法确 定飞机 颤振 范 围内， 取０ Ｏ ｌ 或０ ０ ２ 。 界速度 。 临界速度 。总体上 ， 飞行颤振 试验分 成飞 二、 飞机试 验参数的测量和传输 采用颤振 余量函数 的优点是 ， 函 数随 行颤 振试 验方 法 、试验参 数 的测 量和 传 飞机 颤振 试验 所涉 及 的测 量信 号从 速度的变化通 常总是平稳 下降 的 ， 与 阻尼 输、 颤振余量估计三大部分 。 被测参 数种类来 分 ， 可 分为飞行 参数和 振 随速度 变化 特性 是否 具有 突发 型 关系 不 飞行颤振试 验方法 动 参数 两大 类 ； 从信 号特 性分 ， 可分 为 确 大 。但是 函数判 断只 适用 于 两 自由度 系 飞行颤 振 试验必 须 在地 面 理论 分析 定信号和随机量信号 。 统， 在多 模态 情 况下 ， 颤 振模 态通 常是 由 和试 验的基础上 ， 进行 充分准备和 周密安 飞机 飞行 参数 是 飞行 试验 常规 的 测 两个 或两个以上的模态耦合而成 。 只有对 量 参数 ， 本节仅论及 飞行颤振 试验参数 测 典型两 自由度 耦合颤振 ， 采用 本法 较为准 排， 严 格按 预定 的实施 步骤操 作。 ｌ 飞行 试验前 必须进行 全机振 动试验 量 问题 。 确 。另外 ， 数据离散 度和外推 范 围大 小也 以 及考 虑到 这一 试验结 果 的全机 备 部件 １ 响应测量 点的布 置 。由于飞行颤 振 影响本方法判断精度 。