长期以来,飞翼布局因气动效率高、隐身潜力大、航程与载荷综合优势突出,被认为是新一代战略轰炸机、高空长航时无人侦察平台等的重要构型选择。
但在工程实践中,飞翼布局也面临一个公认的“硬约束”——刚体运动与结构弹性在气流作用下相互耦合,可能引发刚-弹耦合颤振。
一旦进入颤振状态,机体振动会迅速放大,严重时导致结构失效,成为限制飞翼进一步提升速度、拓展任务包线的关键风险源。
问题在于,飞翼布局天然存在“俯仰转动惯量偏小、机翼柔性更强”的特点:一方面,机体短周期俯仰等飞行力学模态对气动扰动敏感;另一方面,机翼低阶弯曲、扭转等弹性模态频率较低。
当飞行速度提升、气动载荷增强时,这些模态可能在特定条件下发生强耦合,形成能量在气动、结构与运动之间的自激循环,从而触发颤振。
过去,为规避风险,工程上往往通过降低飞行速度、收缩任务包线或采取增加重量与刚度等保守设计手段“留余量”,但这也直接制约了飞翼布局的性能潜力释放,成为全球航空科技共同攻关的难点。
针对这一瓶颈,由北京理工大学胡海岩院士、南京航空航天大学黄锐教授带领的科研团队在刚-弹耦合颤振机理解析与主动抑制技术上实现关键突破。
团队通过飞行试验验证,在不突破结构强度极限的前提下实现刚-弹耦合颤振屏障突破,将安全飞行速度提升62.5%,在该方向上取得具有标志性的试验结果。
业内人士指出,这类成果的价值不仅在“速度数字”的提升,更在于为飞翼平台的包线扩展提供了可验证的工程路径。
从原因分析看,刚-弹耦合颤振之所以难以攻克,核心在于“强耦合、强不确定、强风险”。
一方面,飞行器在真实大气环境中存在阵风扰动、参数漂移与执行机构非线性等因素,模型误差不可避免;另一方面,临界速度附近试飞风险高、窗口窄,需要在安全边界内逐步逼近验证,这对理论预测精度、控制策略鲁棒性与试验组织能力提出系统性要求。
团队用十年持续攻关,通过反复试验与迭代验证,在严苛环境下积累关键数据与工程经验,为最终突破奠定基础。
在对策路径上,团队强调以“机理清晰—模型可用—软件自主—试验闭环”形成系统方案。
理论层面,研究团队提出仅含四个自由度的刚-弹耦合动力学模型,用更凝练的形式刻画短周期、沉浮等飞行力学模态与弯曲、扭转等结构模态之间的耦合关系,并进一步识别对颤振特性更敏感的关键参数,为设计选型与控制律设计提供可操作的依据。
工程化层面,在国内缺乏专用建模软件、相关工具受外部限制的背景下,团队走自主研制路线,融合飞行力学与气动弹性建模方法,研发形成具备自主知识产权的刚-弹耦合飞行力学建模软件,提升了复杂耦合问题的分析效率与可控性。
更受关注的是其抑制方案的工程适配性。
团队采用基于飞行器自身传感体系的实时监测与控制方法,通过在线感知关键飞行状态与结构响应,对气动力分布进行快速调节,相当于在不额外增加结构重量与刚度、尽量不改变原有构型设计的情况下,为飞行器提供“动态的等效支撑与阻尼”,从源头抑制颤振发展。
这一思路契合航空装备“轻量化、智能化、可维护”的发展方向,有助于在性能提升与安全裕度之间取得更优平衡。
从影响看,刚-弹耦合颤振屏障的突破意味着飞翼布局飞行器有望在更高速度区间保持安全稳定,从而扩大可用任务包线,提升远航时、高空高速与复杂气象条件下的执行能力。
同时,自主建模软件与试验验证体系的形成,有利于带动相关学科交叉融合,提升我国在气动弹性与飞行控制交汇领域的工程能力与自主保障水平。
相关成果以“Breaking Through Flutter Barrier of Rigid-Elastic Coupling Aircraft”为题发表在力学领域期刊《ASME Applied Mechanics Reviews》。
展望未来,业内认为,随着飞翼布局平台向更大展弦比、更高升阻比与更高任务效率发展,气动弹性与飞行控制的耦合问题将更加突出。
下一步工作重点或将包括:在更宽气象与任务条件下验证鲁棒性、推动从试验平台向工程型号转化、完善全生命周期安全评估与健康监测体系,并在标准化建模与数据闭环方面形成可复用的技术框架。
随着相关关键技术持续成熟,飞翼布局有望在更广泛的航空装备谱系中实现规模化应用。
从实验室的千万次数据推演到戈壁滩上的极限试飞,这项历时十年的科研长跑印证了"关键核心技术是要不来、买不来、讨不来"的深刻道理。
当国产飞行器在蓝天划出更稳健的航迹,其背后不仅凝结着科研工作者"板凳甘坐十年冷"的坚守,更彰显出新型举国体制下自主创新的中国智慧。
这项成果犹如一把钥匙,为我国航空装备迈向"自由王国"开启了新的技术维度。