问题——飞翼布局因效率优势被视为未来航空器的重要发展方向,但其结构与飞行力学特性决定了一个突出短板:在气流作用下,机体刚体运动与机翼弹性变形容易相互耦合,诱发刚-弹耦合颤振。
颤振一旦发生,轻则导致飞行品质下降、速度与任务包线受限,重则引发结构失稳甚至解体风险。
长期以来,为规避该风险,工程上往往采取保守策略,通过降低飞行速度、压缩机动范围等方式“绕开问题”,这与飞翼布局追求的高效、高速和更大任务能力形成矛盾。
原因——业内将该问题视为“硬骨头”,关键在于飞翼布局构型俯仰转动惯量相对较小、机翼弯曲频率偏低,使得短周期俯仰等刚体模态更容易与机翼低阶弯曲、扭转等弹性模态在气动力驱动下发生强耦合。
耦合一旦进入自激振动区间,系统能量不断累积,颤振临界速度成为制约飞行器速度上限与安全边界的核心指标。
与此同时,耦合机理复杂、参数敏感度高,试验验证风险大、成本高,且建模与控制设计对工具链依赖强。
在部分关键软件与技术受限的背景下,如何实现自主可控的建模、分析与验证,成为必须跨越的门槛。
影响——南航团队持续十年攻关,在理论与工程验证两端形成合力:一方面,研究提出仅含四个自由度的刚-弹耦合动力学模型,以更清晰的框架刻画刚体模态与结构模态的相互作用关系,进一步揭示敏感参数对颤振特性的影响规律,为控制设计、结构方案论证和包线扩展提供了可操作的分析依据。
另一方面,团队在缺乏专用工具支撑的条件下,探索融合飞行力学与气动弹性的建模路径,研制形成具有自主知识产权的刚-弹耦合飞行力学建模软件,提升了相关研究与工程应用的独立性与可复制性。
更重要的是,团队研制展弦比超过10的柔性飞翼布局无人机验证机,并开展高风险飞行试验,将刚-弹耦合颤振临界速度提升62.5%,在结构强度极限内实现国际上首次突破,刷新该领域纪录。
相关成果发表于国际期刊《应用力学评论》,并获得国家自然科学基金相关项目支持。
对策——从工程方法看,本次突破体现出“机理—模型—软件—试验”一体化的路径选择:先以可解释、可推导的简化模型抓住耦合本质,再用自主软件工具固化方法链条,最终以飞行试验对关键指标做实证验证。
其颤振抑制思路强调通过传感器获取状态信息并对气动力分布进行实时调节,在不大幅改变原有结构设计、不额外显著增加重量与刚度的前提下增强稳定裕度,等于在飞行中引入“动态稳定支撑”,从源头压制颤振形成条件。
相比单纯依赖结构加固或保守限速,这一方向更符合飞翼布局向高效、轻量、长航时演进的需求,也更贴近先进航空器对综合性能的系统性平衡。
前景——随着低空经济、无人系统以及新一代航空装备需求增长,飞翼与高展弦比柔性机翼等构型在长航时、低阻力、载荷效率方面的潜力将进一步释放,但其安全可靠性仍取决于对气动弹性问题的掌控程度。
此次临界速度大幅提升,意味着飞翼布局在速度包线、任务包线拓展方面具备更现实的工程空间。
下一阶段,相关技术若要走向更广泛应用,仍需在多任务工况下的鲁棒性、极端气象与阵风环境的适应性、复杂构型与大尺度结构的工程可实施性等方面持续验证,同时推动标准化的建模分析流程与试验评估体系建设。
随着自主工具链成熟与试验数据积累,飞翼布局的颤振风险有望从“经验规避”转向“可计算、可预测、可控制”,为更高安全等级与更大规模应用奠定基础。
这一突破充分体现了我国航空科技工作者在关键领域的自主创新能力和执着精神。
从理论创新到软件开发,从试验验证到飞行突破,南航团队用十年磨剑的坚持,打破了国外技术垄断,为新一代飞翼布局飞行器的研制提供了重要支撑。
这不仅是一项技术成就,更是我国航空工业自主自强、创新驱动发展的生动缩影。
面向未来,这一关键技术的突破将为我国航空航天事业的发展注入新的动力,也为更多科研工作者树立了扎根基础研究、勇攀科技高峰的典范。