A380通過全機地面共振試驗，驗證和考察飛機動態(tài)特性，為完善顫振分析提供可靠的結構數據。資料圖
7月15日，美國聯邦航空管理局（FAA）稱，數據分析顯示波音747-8飛機在高過載飛行狀態(tài)下且某些系統(tǒng)發(fā)生故障時可能會出現顫振現象。FAA要求波音在未來五年內對飛機的機翼進行改進，以規(guī)避顫振風險。
縱觀人類航空發(fā)展百余年歷程，氣動彈性問題幾乎伴隨飛機發(fā)展的全過程。其中，顫振無疑是最引人關注的現象，不僅是因為它的復雜性，更重要是顫振會造成災難性的后果。
什么是顫振
五百多年前，意大利人利奧那多·達·芬奇模仿鳥類飛行造出了一架撲翼機，之后人們經過長期反復的實踐，終于在1903年發(fā)明了飛機，實現了飛上天空的夢想。此后30年，飛機不論在速度、高度和飛行距離上都超過了鳥類。
但當飛機飛行變得更快更高時，設計師又碰到了一個難題，就是顫振現象。顫振曾多次造成飛機墜落，許多飛行員因而喪生，飛機設計師們?yōu)榇嘶ㄙM了巨大的精力研究顫振現象。當今，顫振仍然是飛機設計必須要考慮的問題，對飛機設計至關重要。
氣動彈性力學中，顫振是彈性體在氣流中發(fā)生的不穩(wěn)定振動現象。飛機顫振是作用在機翼、尾翼等結構上的非定�？諝鈩恿ΑT性力以及彈性力耦合引起的振幅不衰減的自激振動。顫振屬于氣動彈性穩(wěn)定性問題，具有多種現象形態(tài)，就其空氣動力方面發(fā)生的原因而言，顫振問題可分為兩大類。第一類是發(fā)生在勢流中，流動分離和邊界層效應對顫振過程沒有重要影響，通常稱為經典顫振。第二類是與流動分離和漩渦形成有直接關系，可稱為失速顫振。
20世紀70年代起，寬頻帶伺服控制系統(tǒng)開始應用于飛機。隨著現代飛機柔性的增大，飛機系統(tǒng)與飛行控制系統(tǒng)之間耦合變得不可忽略，飛機結構彈性振動信號與剛體運動信號一起被傳感器接收，經飛行控制系統(tǒng)處理后驅動舵面偏轉，偏轉產生的氣動力變化激勵機體產生振動，也會影響飛機的顫振特性，這類現象可稱為氣動伺服彈性。
飛機一旦在空中發(fā)生顫振，會在極短的時間內導致結構毀滅性的破壞，飛行員幾乎沒有處置時間，因此飛機飛行包線內不容許發(fā)生顫振現象，對于民用飛機來說，對顫振的要求更為苛刻，須通過大量的理論分析、風洞試驗、地面試驗以及顫振試飛來驗證飛機滿足適航條款的規(guī)定。
為什么會發(fā)生顫振
1941年11月4日，美國洛克希德公司研制的高速戰(zhàn)斗機的原型機YP-38“閃電”在加州的格倫代爾上空試飛時，試飛員拉爾夫·費登沒能把飛機從俯沖狀態(tài)拉起，飛機發(fā)生顫振，隨即空中解體。后來事故調查發(fā)現，顫振分析時沒有考慮空氣壓縮性效應。在此之前，飛機的氣動理論是建立在空氣不可壓縮的假設基礎上，在飛行速度不大時，由飛機運動引起的空氣密度變化不大，空氣可認為是不可壓縮的。但當飛行速度提高到一定程度時，空氣壓縮性是必須考慮的。對于現代大型飛機，空氣壓縮性的影響是必須考慮的。
隨著飛機的不斷發(fā)展，飛機發(fā)生顫振的機理變得越來越復雜，氣動、結構、氣動熱以及控制系統(tǒng)等都會參與到其中，而且從不同的角度對顫振機理的認識會有所不同，下面從振動和能量角度來簡單闡述顫振的發(fā)生。
從振動角度來說，在地面上的飛機受到擾動后會引起振動，但由于阻尼的緣故，這種振動總是不斷衰減直至消失。在飛行中的飛機，由于種種原因，也會引起振動，但由于處于氣流中，情況就有所不同，一旦發(fā)生振動，就會引起附加的氣動力。
在這些氣動力中，有些起著激勵作用，有些起著阻尼作用。當飛行速度較小時，由于氣動阻尼作用，振動衰減很快。當速度增大到一定程度后，振動衰減便逐漸減慢。當達到某一飛行速度后，擾動引起的振幅正好保持不變，這個速度便稱為顫振速度，振動頻率稱為顫振頻率。在超過臨界值很小的飛行速度下，即使偶然的小擾動也會引起飛機激烈的振動，這就發(fā)生了顫振。
從能量的觀點來看，以翼段結構為研究對象，分析其能量在振動過程中的變化。翼段的能量包括動能和勢能，當不考慮結構阻尼引起的能量耗散，且沒有外力做功時，系統(tǒng)是一個保守系統(tǒng)，其動能與勢能之和為常值。若考慮結構阻尼引起的耗散，則翼段能量會在振動過程中會逐漸降低為零，因此系統(tǒng)是穩(wěn)定的。若氣動力對翼段結構做正功，且大于阻尼耗損的能量，則翼段能量就會在振動過程中逐漸累積，導致振動響應的無限擴大，從而引發(fā)失穩(wěn)，發(fā)生顫振。
如何預防顫振
昆蟲早在三億年前就飛翔在空中了，它們毫不例外地受到了顫振的危害，但經過長期的進化，昆蟲早已成功地獲得了防止顫振的方法。蜻蜓無疑是昆蟲王國中出色的飛行家。它不僅飛得快，飛得高，而且能做到許多現代飛機做不到的高難度動作。如果把翼眼去掉，蜻蜓的飛行會變得搖擺不定。
飛機設計師從蜻蜓的翼眼中受到啟發(fā)，模仿蜻蜓的翅膀，在機翼的前緣末端，增加配重，使機翼重心位置前移，使得某些機型的顫振問題得以解決。飛機設計師們大有相識恨晚之感，不然就可以避免許多人員的犧牲。
消除顫振是飛機顫振工程師的最終目標，然而飛機顫振的機理復雜，只有在飛機設計的最后階段，飛機結構、氣動構型、控制系統(tǒng)等能夠被合理準確地建立起來了，這時才能對新設計的飛機進行精確的顫振特性分析。
然而防止顫振研究在新型號飛機研制的早期階段就要開始進行，這種研究貫穿于新型號飛機研制的全過程。通常，防止顫振研究包括顫振理論分析、縮比顫振模型的高低速風洞試驗、全機地面共振試驗以及顫振飛行試驗等。
由于理論分析和試驗模型在對真實飛機的模擬上存在固有的不足，飛機顫振飛行試驗處于防顫振研究的最終環(huán)節(jié)，既以各項計算、風洞試驗和地面試驗的結果為基礎，又是這些工作的補充和鑒定。
顫振試飛是每架新機或重大改型飛機必須進行的Ⅰ類風險科目，也是中國民航適航規(guī)章（CCAR-25部）中明確規(guī)定必須完成的科目，其過程充滿了未知和風險。進行顫振試飛時，試驗機其實是在“亞臨界”狀態(tài)下進行的，試飛員在空中通過既定的激勵方法和程序，誘發(fā)飛機產生“顫振”，從而達到試驗的目的。顫振試飛必須進行直至限制速度的各種速度，以驗證在整個規(guī)定的飛行限制速度包線范圍內，所有的飛機臨界構形都無任何顫振現象，以及在通過外推飛行試驗數據得到的1.15倍限制速度之內，沒有任何氣動彈性不穩(wěn)定性出現。因而，飛機顫振飛行試驗成為驗證新機和型號改型的顫振安全性必不可少、最有說服力的關鍵環(huán)節(jié)。
國產飛機在顫振技術上的探索
ARJ21飛機是我國首架具有自主知識產權的新型渦扇支線客機，中國商飛已經完成了ARJ21飛機的顫振試飛工作，獲得了適航認證，取得了型號合格證，并且即將交付用戶。
這表明中國商飛已經形成了系統(tǒng)性的民機顫振設計、分析和試驗能力，并且在型號研制中突破了多項關鍵技術。然而每個型號飛機都有自身的顫振特性，必須進行深入的研究。
北研中心強度分析技術研究部載荷與動力學專業(yè)組在上飛院研究員章俊杰的指導下，開展了顫振風洞試驗相關技術研究，主要用于處理顫振風洞試驗時域數據和預測顫振邊界。該技術在C919的顫振風洞試驗工作中得以應用，并取得了良好的效果，進一步完善后將有利于保護風洞模型和保障試驗進度。
然而每個型號飛機都有自身的顫振特性，必須進行深入的而研究隨著未來民機對性能要求的不斷提高，復合材料應用比例越來越高，結構越來越輕，柔性也越來越大，氣動彈性問題越發(fā)突出。北研中心處于民機預先研究的前端，需要根據C919飛機和未來機型特點開展針對性的顫振技術研究，探索C919飛機和未來型號飛機的顫振特性，摸清其顫振規(guī)律，夯實預研功底，革新設計觀念，提高設計技術，使氣動彈性力學作為一種設計準則、規(guī)范和指導思想在整個飛機設計過程中發(fā)揮關鍵性作用；同時北研中心需要研發(fā)具有高水準的顫振技術，為型號單位提供高質量的“武器”和“彈藥”，助力型號研制，為中國民機事業(yè)發(fā)展作出貢獻。
日常生活中的顫振
蜻蜓的翅膀：
作為昆蟲王國中出色的飛行家，蜻蜓在高速飛行時，每秒種要揮動翅膀30～50次，可是，蜻蜓的翅膀看上去柔薄，卻能在這種高頻振動之下安然無恙。
在億萬年前，大自然就為蜻蜓配備好了奇妙的消除顫振裝置，那就是它翅膀上加厚的翼眼。實驗證明正是翼眼的角質組織幫助蜻蜓消除了顫振的危害。
口琴演奏：
在日常生活中，音樂總是能夠帶給人愉悅的心情。人們在演奏口琴時，口部吹出穩(wěn)定氣流后，簧片進入顫振狀態(tài)�；善澱褚鸬臄_動氣流進一步在樂器空腔共鳴，從而產生悅耳的音樂。
橋梁倒塌：
1940年11月7日的美國塔科馬海峽吊橋的坍塌事件。由于吊橋設計師輕視了橋梁桁架剛度的重要性，只看到了風產生的靜態(tài)水平力，并沒有考慮到動態(tài)影響的可能性，導致大橋橋面發(fā)生扭轉。
