航天三院主动气动弹性验证机成功首飞

　　说到飞行第一人，大多数小伙伴的心中都会快速浮想出一个名字——莱特兄弟。1903年莱特兄弟在美国驾驶着“飞行者一号”完成了人类第一次有动力飞行，让飞机成为了历史上最伟大的发明之一，也拉开了人类动力航空史的帷幕。然而就在莱特兄弟试飞前九天，美国Smithsonian学院的年近古稀的美国航空先驱Langley教授在Potomac河畔进行了他的“空中旅行者”号有动力的飞行试验。遗憾的是飞机弹射发射飞行了1006米后坠落在水面，这次人类史上第一次重于空气有动力的飞行试验失败了。

　　然而成王败寇，这一轰动一时的创举在历史车轮的洗刷下已逐渐被人们忘却。事后多年随着飞机设计经验和知识水平的提升，人们才意识到这是典型的气动弹性扭转发散问题。美国Collar教授曾评论说：“若不是气动弹性问题，Langley可能要取代莱特兄弟的历史地位。”为了表彰和纪念Langley教授为航空史做出的贡献，成立了以他名字命名的美国国家航空航天局兰利中心，该中心一直从事航空航天以及大气环境等基础和创新问题的研究，是NASA最具代表性的研究机构之一。

　　气动弹性具有决定飞行成败的作用，甚至差点改写历史的地位。气动弹性是专门研究飞行器在流场作用下的弹性变形、振动、以及其动态响应特性的学科。因为飞行器的弹性变形和振动会反过来进一步影响飞行器周围的流场，因此气动弹性是典型的流固耦合交叉学科。

　　迎风飘扬的红旗、遭遇气流颠簸的飞机、在风中呼啸抖动的电线、甚至在水里自如游动的鱼类，以及最近的虎门大桥异常抖动，这些都是气动弹性在发挥着作用。

　　然而由于气动弹性涉及到结构与流场的相互作用和影响，很长一段时间内飞行器设计师无法弄清楚其中的耦合机理和作用形式，曾经一度成为飞行器设计最为头疼得的关键问题，也屡次出现了因为气动弹性问题而引发的飞行事故。第一次世界大战中，英国的轰炸机出现了尾翼的气动弹性颤振而坠毁，德国多架飞机高速俯冲时发生扭转发散而破坏解体。除此之外，民用方面气动弹性的问题也在日益增长。1940年建成通车才4个月的美国Tacoma线索桥在18m/s低风速下发生气动弹性颤振而倒塌。

　　在早期的飞行器设计中，气动弹性问题是设计师要极力回避的问题，直到上世纪50年代，美国在飞翼飞行器设计中遇到的最大瓶颈就是为了提高结构刚度回避气动弹性作用，即使把当前最先进的材料弹性模量提高一倍也仍旧无法彻底解决气动弹性问题。一方面面对新技术迫切发展的需求，另一方面是暂时无法提升的材料和结构技术的现状，催生了飞行器设计师们新的灵感——主动气动弹性技术。其本质思想就是既然气动弹性效应无法避免，不如放大利用这种效应，直接正面刚——从被动的防御避免转变为主动利用。

　　美国70年代先后发起了AFW(自适应机翼技术)和AAW(主动气动弹性机翼)技术，通过传感系统和主动控制系统，利用飞行器柔性结构(通常是机翼、舵面等)使飞行器产生期望的弹性变形(通常是该飞行状态最佳气动外形)达到减小振动，降低油耗，提升飞行性能的目的，在此基础上飞行器就可以进一步减少不必要的结构重量，实现增加航程，提升性能等目的。美国经5年近60次飞行表明，通过机翼主动自适应变形，设计巡航点阻力减小7%，非设计状态阻力减小超过20%。利用主动气动弹性技术实现了先进亚音速战斗机减重7%~10%，先进超音速战斗机减重18%。欧洲航空局研究表明气动弹性主动控制不但能减小诱导阻力，还能增强滚转控制能力，智能结构构成的连续变形控制面，可消除缝隙，使模型升阻比提高15%。

　　国内对该项技术的研究也正如火如荼，航空航天特色院校和研究场所均开展了相关研究。航天科工三院立足型号设计需求和关键技术攻关，持续开展了主动气动弹性技术研究和试验验证。

　　近期，航天三院设计的主动气动弹性高速验证机在河北沧州飞行基地成功首飞。这架验证机主要是验证主动气动弹性技术在阵风减缓方面的应用和效果。验证机采用大展弦比柔性翼设计，强劲的涡喷式发动机可实现飞行速度250km/h以上。

　　此次飞行平台实现了阵风减缓验证机尺寸规模、动力模式、飞行速度以及主动控制系统质的飞跃。第一视角的机载图传系统与地面站进行实时信息交互，可以准确直观获取飞行参数。分布式测量传感系统在线反馈机翼振动和变形信息，通过阵风减缓主动控制系统自适应的参数调节，实现不同飞行状态较好的阵风减缓效果。

　　此次飞行试验偶遇5级强风，验证机柔性机翼变形振动显著，主动控制系统开启后机翼振动明显减弱。此次试飞验证了验证机布局、结构设计的合理性，机载传感测量系统的可靠性以及主动控制系统与飞行系统的协调性。有了这项技术，以后飞机遇到气流颠簸小伙伴们就再也不用害怕的心惊肉跳，空姐也能正常进行客舱服务，会让害怕坐飞机的你体会到飞行的乐趣。(刘燚 李丹)[责编：赵宇豪]