我国科研团队突破飞翼布局飞行器颤振难题 临界速度提升幅度创世界纪录

面向未来航空装备的发展方向,飞翼布局因气动效率高、结构紧凑、航程与载荷潜力突出,被视为新一代飞行器的重要形态之一。

然而,与优势相伴的,是其在高速飞行与机动条件下更易触发的刚—弹耦合颤振风险。

颤振一旦发生,轻则引发飞行品质下降与任务受限,重则造成结构失稳甚至解体,是制约飞翼布局走向更高速度、更大航程与更复杂任务的核心门槛之一。

问题在于:飞翼布局飞行器与传统“机身+机翼”构型相比,俯仰转动惯量较小、机翼柔性特征更显著,结构弯曲频率偏低。

在气流激励下,飞行器的刚体短周期俯仰模态容易与机翼低阶弹性模态相互“牵引”,形成能量在气动力、结构弹性与飞行姿态之间循环放大的耦合通道,从而诱发颤振。

这种颤振并非简单的结构振动问题,而是典型的飞行力学与气动弹性深度交织的系统性难题,传统依靠增加刚度、加固结构或降低速度的做法,往往意味着重量增加、性能打折,甚至与飞翼布局“高效率、轻量化”的设计初衷相矛盾。

造成这一难题长期难以突破的重要原因之一,是耦合机理复杂、敏感参数众多。

不同飞行状态、气动布局、结构柔度与控制律之间相互影响,容易使工程设计陷入“保守留量大、性能释放不足”的困境。

为避免颤振风险,工程上常采取降低飞行速度、减少高机动动作或压缩任务包线等方式,导致飞行器“飞得稳但飞不快、飞得安全但飞不满”。

从更宏观的角度看,若无法在结构强度极限内有效提升颤振临界速度,飞翼布局在高速化、远程化、智能化等方向的优势就难以充分兑现。

针对这一瓶颈,南京航空航天大学团队开展持续攻关,提出仅包含四个自由度的刚—弹耦合动力学模型,在保证关键物理机制完整表达的同时,显著降低了系统分析与工程迭代的复杂度。

该模型为解释耦合颤振的形成路径提供了更清晰的框架,并进一步揭示关键敏感参数对颤振特性的影响规律,为“找准病灶、精准施策”提供理论依据。

在此基础上,团队将飞行力学与气动弹性建模方法进行融合,研发形成具有完全自主知识产权的刚—弹耦合飞行力学建模软件,实现关键环节的自主可控,也为工程应用提供了可直接落地的工具链支撑。

在对策层面,团队提出的抑振思路突出“轻量化、低侵入、可实时”的工程特征:通过机载传感器对飞行状态与结构响应进行监测,结合模型与控制策略实时调节气动力分布,在不改变原有结构方案、不额外增加重量与刚度的情况下,为飞行器提供相当于“隐形支撑与缓冲”的效果,从源头抑制颤振产生与发展。

相比单纯依赖结构加固的传统路径,这一方法更契合飞翼布局对低阻、低重和高效率的综合要求,也为提升飞行包线提供了新的技术路线。

成果的工程验证同样关键。

团队研制了展弦比超过10的柔性飞翼布局无人机验证机并开展飞行试验。

试验结果显示,验证机的刚—弹耦合颤振临界速度可提升62.5%,实现国际上首次在结构强度极限内突破刚—弹耦合颤振屏障,并刷新该领域纪录。

相关研究成果近日发表于国际学术期刊《应用力学评论》,为学界与工业界进一步开展飞翼布局的设计、评估与试验提供了重要参考。

从影响看,这一突破不仅意味着单一指标的提升,更反映出我国在飞翼布局关键基础理论、工程建模工具和试验验证能力上的协同进步。

颤振临界速度的提升,直接关系到飞行器可用速度范围、任务包线与安全裕度;建模软件与方法体系的自主化,则有助于缩短设计迭代周期、降低试验风险与成本,并推动相关能力在无人机、大型运输平台以及其他新构型飞行器上的迁移应用。

展望未来,随着飞翼布局向更大尺度、更高马赫数、更复杂任务场景发展,刚—弹耦合问题仍将以不同形态出现。

下一步的关键在于:在更宽飞行包线下验证方法的鲁棒性与适应性;将模型与控制策略与数字化设计、试验数据闭环标定深度结合;同时进一步完善安全评估与适航相关的验证体系,使“提升速度极限”与“确保结构安全”形成可重复、可认证的工程流程。

可以预期,围绕耦合颤振的机理揭示、工具链构建与系统级验证,将成为飞翼布局迈向规模化应用的重要支撑。

这项源自中国高校的原创性突破,展现了我国在航空基础研究领域的深厚积累。

从理论模型构建到工程实践验证的全链条创新,不仅解决了具体技术难题,更探索出一条航空核心技术自主可控的发展路径。

在全球航空科技竞争日趋激烈的背景下,此类基础研究的突破将持续为我国航空装备的跨越式进步注入强劲动能。