长期以来,飞翼布局因升阻比高、隐身潜力大、结构效率优等特点,被视为新一代战略轰炸机、高空长航时无人机等平台的重要气动构型。
然而,与优势相伴的,是困扰世界航空界的一道“门槛”——刚体运动与弹性变形在气流作用下相互耦合引发的颤振风险。
一旦颤振发生,结构振动可能迅速放大,带来重大安全隐患,直接限制飞行速度包线与任务强度提升。
问题在于,飞翼布局机体结构与传统布局差异显著:其俯仰转动惯量相对较小,机翼展向尺度大、弯曲刚度相对弱,低阶弯曲频率偏低。
在一定速度与气动载荷条件下,飞行力学中的短周期俯仰等刚体模态,可能与机翼弯曲、扭转等弹性模态“撞频”,形成刚-弹耦合颤振。
过去工程上常以降低速度、缩小机动范围、增加结构重量与刚度等方式规避风险,但这往往以牺牲性能、载荷与航程为代价,难以满足高性能、长航时、宽包线的发展需求。
如何在不显著增加重量的前提下突破“颤振屏障”,成为制约飞翼布局走向工程化应用的关键难题之一。
此次团队的突破,聚焦“在结构强度极限内实现更高安全速度”的核心目标。
据介绍,科研人员在飞翼布局刚-弹耦合颤振抑制技术方面取得进展,开展高风险飞行试验验证,最终将刚-弹耦合颤振临界速度显著提高,实现安全飞行速度提升62.5%,并在该方向取得具有标志性的试验结果。
这一进展意味着,在不简单依赖“加固增重”的路径下,飞翼布局飞行器有望获得更大的飞行速度与任务包线,为后续工程型号的气动弹性安全评估与设计优化提供了可复用的技术路线。
从原因分析看,飞翼布局的颤振难题并非单一学科问题,而是飞行力学、结构动力学与非定常气动力共同作用的系统性挑战:一方面,柔性结构在高展弦比条件下更易发生显著弹性响应;另一方面,飞行状态变化会导致气动力分布与模态耦合关系动态演化,使颤振边界具有高度敏感性与不确定性。
尤其在接近临界条件时,传统经验裕度与静态设计手段难以提供充足保障,需要更精细的耦合建模与更高实时性的抑制策略。
围绕这一“耦合难、预测难、验证难”的行业痛点,团队在理论与工具链上同步推进。
一是提出更具解释力的刚-弹耦合动力学简化模型,以较少自由度刻画关键模态之间的耦合机理,进一步识别影响颤振特性的敏感参数,增强了对临界条件与变化规律的可解释性和可计算性。
二是面向国内专用软件不足的现实需求,探索自主研发道路,形成融合飞行力学与气动弹性分析的方法体系,研制具备自主知识产权的建模软件,为后续设计迭代、试验方案制定与风险评估提供基础平台。
这种“模型—算法—软件—试验”闭环的形成,使得复杂耦合问题从“难以把握”走向“可计算、可验证、可控制”。
在技术对策层面,团队提出的抑制思路强调“轻量化、低侵入、可实时”。
其核心做法是依托飞行器自身传感与控制能力,对关键状态进行实时监测与快速响应,通过调整气动力分布等方式抑制颤振的发展趋势,在不大幅改动原有结构设计、不过度增加重量与刚度的前提下,提升飞行速度包线的安全裕度。
对飞翼布局这类对重量极为敏感的平台而言,这种以控制与信息为抓手的路径具有明显工程价值。
成果的意义不仅体现在速度指标提升上,更体现在对未来型号研制的带动作用:一方面,颤振抑制与耦合建模能力的提升,有助于降低高风险试飞的不确定性,提升试验效率与安全性;另一方面,自主软件与方法体系的建立,将为多类型飞翼布局平台提供通用化分析工具,增强关键技术自主可控能力。
相关研究成果已发表于力学领域重要期刊《ASME Applied Mechanics Reviews》,从学术层面验证了其创新性与影响力。
展望未来,随着高空长航时无人系统、远程航空平台与新型布局不断涌现,气动弹性安全将成为更广泛的共同课题。
下一步的关键在于:将颤振抑制策略与结构设计、飞控系统更深度协同,进一步在更复杂飞行包线、不同载荷与不同环境条件下完成充分验证;同时推动模型与软件平台标准化、工程化,形成面向型号研制的可交付能力。
可以预期,围绕刚-弹耦合机理、试验验证与主动抑制的持续突破,将为我国高端航空装备研制提供更坚实的技术底座。
十年寒窗,一朝成就。
这支科研团队的成功,不仅仅是一项技术突破,更是中国航空工业自主创新精神的生动写照。
他们用实际行动证明,只要坚持自主创新、敢于攻坚克难,即使面对国际技术垄断和极端困难,中国科研工作者也能够突破瓶颈、创造奇迹。
这一成就激励着更多航空工作者投身于国家航空事业,为建设航空强国贡献力量。
可以预见,随着这一技术的进一步完善和推广应用,我国航空装备的性能和可靠性将迈上新的台阶,为国家战略安全和经济发展提供更加坚实的支撑。