某型飞机颤振试飞中多种激励技术的综合应用与研究

俱利锋， 刘　钰， 梁海州

(1. 中国飞行试验研究院，西安　710089； 2.中航工业第一飞机设计研究院，西安　710089)



某型飞机颤振试飞中多种激励技术的综合应用与研究

俱利锋1， 刘钰2， 梁海州1

(1. 中国飞行试验研究院，西安710089； 2.中航工业第一飞机设计研究院，西安710089)

摘要：首先对颤振试飞所用激励技术进行了简单介绍。进而对某型飞机颤振试飞所选激励技术的原理进行了详细分析，并通过对该型飞机颤振试飞不同激励技术激励效果的分析讨论，给出针对该型飞机，多种激励技术补充使用所得激励效果明显的结论。最后对其它飞机颤振试飞激励方法的选用给出有益建议。

关键词：颤振；试飞；激励；操纵面扫频

某型飞机是在原型机基础上改进研制的新型飞机，颤振/气动伺服弹性(简称ASE)试飞是该型飞机定型试飞的重要科目之一。

颤振试飞的激励方法分为“自然”激励和“人工”激励两种类型[1]，自然激励意味着响应是在大气紊流激励下得到的，不需要安装专门的激励装置，但通常情况下使用大气紊流激励较难获得理想的激励效果。人工激励则需要借助某种特定激励装置进行激励，目前人工激励方法主要有以下几种[2-3]：

1) 借助空气动力的激励法：操纵面激励和小翼激励等；

2) 借助惯性力的激励法：带不平衡转子的惯性激励和电磁激励等；

3) 借助火药喷发反作用力的激励法：小火箭激励。

现在的颤振飞行试验中，已较少采用单一激励法的方案，往往同时组合使用几种不同的激励法取长补短，综合验证。对于不同型号飞机的试飞来说，使用哪种或哪几种激励技术成为颤振试飞能否顺利实施的关键。

1激励技术介绍和选择

1.1操纵面扫频激励技术

操纵面扫频激励有两种方式，① 飞行员控制操纵面产生突然的运动，直接产生脉冲激励；② 通过电信号驱动操纵面，通常是用专门的信号发生器产生激励信号，输入飞行控制系统实施激励。这种激励方法不仅可以实施脉冲激励，也可以实施扫频激励。用电信号驱动控制面进行激励，可通过测量电信号得到输入的激励信号。

应用操纵面进行颤振试验不需安装专门激励装置，不会带来附加质量，所以这种激励方法很方便。同时操纵面和作动器本身就是飞机结构系统一部分，应用操纵面激励不会改变飞机颤振速度。此外该方法省去了安装激励系统所需的繁重结构加工及设备改装工作。

操纵面激励方法最大的缺点是激励频率受飞机操纵系统及舵面传动频率带宽的限制——该通带往往比结构弹性振动模态的典型频带窄得多。对某型飞机来说，大多数舵面的通频带在10 Hz左右(如翼面1)，而翼面2的通频带仅5 Hz左右。

1.2小火箭激励技术

小火箭是很小的爆炸装置，它可以安装在主要结构或操纵面上[4-5]，并通过点火产生脉冲激励。脉冲持续时间很短(持续时间为ms级)，能够有效地激励高频模态。

小火箭由一个密封的空腔构成，空腔内部充满多层火药，充填火药的质量控制脉冲力的大小。空腔的一端通过电信号点火。小火箭的另一端是一个扩散喷管，产生的气体通过喷管产生推力。图1给出固体小火箭典型的推力-时间曲线。扩散喷管的大小可以控制脉冲信号的持续时间。

图1　小火箭产生脉冲激励力形式Fig.1 Pulse excitation of bonkers

小火箭非常轻，可以直接安装，激发只需要很小的电流。它只需要自给性能源(火药)，不需要复杂的能量传输管道。因为在小型飞机上装置复杂的系统比较困难，所以小火箭激励方式特别适用小型飞机或飞机上的小型结构部件，如该型飞机的翼面2。

1.3激励方法的选择

ASE是随着飞机控制系统的发展而产生的，它与颤振现象所不同的是维持振动的能量一部分来自控制系统。所以对于该型飞机来说，要进行ASE试飞，必须通过操纵面扫频激励向飞控系统施加信号，形成飞控系统、飞机结构、飞机响应的闭环环节，才能进行有关裕度的计算与分析。因此，该型飞机颤振/ASE试飞必须使用操纵面扫频激励技术。

表1给出某型飞机地面共振试验(GVT)所得主要结构模态。翼面1最高的结构模态频率为24 Hz，适用于使用操纵面扫频激励技术。翼面2颤振危险结构模态频率在45 Hz左右，后来的试飞结果表明，随着飞行速度的增加该模态频率逐渐增大到50 Hz左右，不适合使用操纵面扫频激励技术，对该部位结构的颤振激励必须选用高频特性好的激励方法。

表1某型飞机GVT所得主要结构模态

Tab.1 The primary mode of the airplane

目前，国内高频激励效果好的激励方法有三种：带开缝旋转圆筒的固定小翼激励法、带不平衡转子的惯性激励方法和小火箭激励法。使用固定小翼法会改变安装部位的气动外形，使用带不平衡转子的惯性激励法要求待激励部位有很大的安装激励设备的安装空间。对于翼面2来说，本身的面积相对较小，从结构本身来说，又是全封闭结构，因此，上述两种方法都不适用。而小火箭激励法高频特性好，附加重量轻，不影响飞机模态特性，激励时产生的脉冲短，一个试验点可进行多次。在多个型号颤振试飞中均有成功应用。

因此，经仔细分析，该型飞机翼面1使用操纵面扫频激励，翼面2采用小火箭激励方法进行激励。图2给出翼面2主要模态节线对比及小火箭在翼面2上的分布图。

图2　翼面2主要模态节线及小火箭在翼面上的分布图Fig.2 The node of the primary mode and the distribution graph of the bonkers on the wing 2

2不同激励技术的试飞应用

2.1操纵面扫频激励技术

2.1.1翼面1扫频激励

对于该型飞机，除过翼面2以外，全部使用操纵面扫频激励技术。图3给出某飞行状态，使用扫频范围1～32 Hz，幅值系数0.3°的扫频信号，对翼面1进行操纵面扫频激励，翼面1上某传感器振动响应V1及其功率谱图。

图3从上到下共三幅图，上面一幅和中间一幅是传感器振动响应的时间历程和时间历程的部分放大图，最下面一幅是上面振动响应功率谱图。

从图3(b)可知，时域信号的信噪比远大于5，说明结构激励很充分。从图3(c)可知，对于该翼面，使用操纵面扫频激励技术成功激励出了模态1(8.982 Hz)、模态2(24.85 Hz)和模态3(11.74 Hz)这三支关键结构模态。

图3　扫频激励翼面1振动响应及功率谱Fig.3 The vibration and power spectrum of wing 1 by frequency sweeps

2.1.2翼面2扫频激励

试飞初期，对翼面2尝试使用操纵面扫频激励技术进行结构激励。

图4给出某飞行状态，使用扫频范围1～55 Hz，幅值系数0.9°的扫频信号，对翼面2进行扫频激励，翼面2上某传感器振动响应QV2及功率谱图。各个图的含义同图3。

图4　扫频激励翼面2振动响应及功率谱Fig.4 The vibration and power spectrum of wing 2 by frequency sweeps

由图4可知，对于该翼面，使用操纵面扫频激励技术似乎激励出了模态1(17.00 Hz)，但该模态既使在3倍于翼面1的幅值系数下进行激励，响应信号信噪比<1.5，且功率谱图所得谱线的毛刺很多，谱图的质量很不高。所以，对于翼面2，使用操纵面扫频激励技术，根本没有激励出该翼面的模态2。

2.2小火箭激励技术

由以上分析可以看出，翼面2使用扫频激励方法根本没有激励出模态2，模态1的激励效果也不理想。最关键的是，该型飞机在跨音速和超音速状态飞行时，翼面2舵面偏度会一直处于满偏状态，在这些飞行状态激励信号根本就施加不到飞机控制系统中去。因此，对于翼面2来说，操纵面扫频激励技术难以有效应用。为了充分激励出翼面2的关键结构模态，试飞过程中，对翼面2使用了小火箭进行激励。

2.2.1针对一弯模态的小火箭激励

图5是某飞行状态使用翼面2尖部小火箭激励，翼面2上振动传感器的时间历程和频谱图[6-8]。

由图5(a)可知，使用所选规格小火箭激励，所得时域响应信号的信噪比≫5，从由图5(b)可知，模态1被充分地激励出来。

图5　翼面2尖部小火箭激励传感器响应及其频谱Fig.5 The vibration and frequency spectrum of wing 2 by excitation of bonkers on wing tip

2.2.2针对旋转模态的小火箭激励

图6是某飞行状态翼面2中部小火箭激励，翼面2上振动传感器的时间历程和频谱图。

由图6(a)可知，使用所选规格小火箭激励，所得时域响应信号的信噪比>5。从图6(b)可知，不仅模态2(45.2 Hz)被充分地激励出来，而且模态1也被激励出来。同时还可以看出，针对模态2进行激励时，模态1在频域的能量远小于模态2，即模态2的激励效果更好一些，模态2正是该位置小火箭激励目标模态。由图2可知，尖部小火箭距离模态1的节线较远，所以针对模态1的激励效果就相对好一些；而中部小火箭距离模态2节线相对较远，所以针对模态2的激励效果相对就好一些。

图6　翼面2中部小火箭激励传感器响应及其频谱Fig.6 The vibration and frequency spectrum of wing 2 by excitation of bonkers on wing middle

3结论

在该型飞机的颤振/ASE试飞过程，针对不同翼面的特点选用不同的激励方法：对翼面1采用操纵面扫频激励技术；对翼面2采用小火箭激励技术，并对不同模态使用不同部位的小火箭来进行激励，即模态1使用翼面尖部的小火箭进行激励，模态2使用翼面中部的小火箭进行激励。数据分析结果表明，不同翼面采用不同的激励方法均取得了理想的激励效果，所关心的结构模态激励充分，数据处理结果可靠，保证了颤振/ASE试飞课题的顺利开展。

这种同一型号飞机上不同激励方法的综合应用，对后续颤振/ASE试飞激励方法的选用可以作为有益的参考，即对舵面频带较宽且结构模态频率较低的翼面可以使用操纵面激励技术，舵面频带较窄且结构模态频率较高的翼面可以使用小火箭激励技术。

在以后的飞机颤振试飞中，需根据不同飞机的结构特点，统筹规划，综合考虑，不能局限于某一种颤振激励技术，而应使用不同激励技术相互取长补短，综合应用，确保颤振/ASE试飞的顺利推进。

参 考 文 献

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Compositive application and investigation of many excitation techniques in flutter flight tests of X-type airplane

JULi-feng1,LIUYu2,LIANGHai-zhou1(1.Chinese Flight Test Establishment ,Xi’an 710089,China; 2. AVIC The First Aircraft Institute,Xi’an 710089,China)

Abstract:Here, the excitation techniques for airplane’s flutter fight tests were introduced briefly. Then, the principle of the excitation techniques selected for X-type plane were analyzed in detail, and the conclusion that the excitation effect of compositive application of many excitation techniques in flutter flight tests of X-type plane is obvious was drawn through analyzing and discussing. At last, the useful suggestions were given for the choice of excitation techniques of other airplanes’ flutter flight tests.

Key words:flutter; flight test; excitation; control surface sweeping-frequency

中图分类号:V215.3

文献标志码：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.07.023

收稿日期：2014-12-10修改稿收到日期：2015-10-14

第一作者 俱利锋 女，硕士，研究员，1973年生