格拉汉姆·瓦里克

颤振是空气动力学和结构动力学两者间潜在的破坏性耦合。在颤振速度以下，这些振动会逐渐减弱，但是在颤振速度以上，这些振动会被放大，变得不稳定，振幅突然增加而快速导致结构破坏。为避免发生颤振，通常通过采用硬质机翼，使得速度超出飞机的飞行包线，这将导致重量增加。颤振主动抑制技术成为研究的重点。目前，美国宇航局利用洛克希德·马丁公司研制的X-56A无人机完成了主动抑制柔性机翼在飞行中颤振的演示。X-56在其正常飞行包线内设计有一种颤振模式，可以利用飞机的数字飞行控制系统主动抑制。颤振抑制技术能够实现机翼变得纤细、具有弹性、低阻力和高展弦比，从而减少阻力，提高燃油效率。

美国宇航局完成了主动抑制柔性机翼在飞行中颤振的演示，这可能为将来使用质量更轻、阻力更小的机翼铺平道路,飞机的油效将会更高。洛克希德·马丁公司研制的X-56A在位于加州爱德华兹空军基地的国家宇航局阿姆斯特朗飞行研究中心的飞行中演示了这一技术。

颤振是一种气动弹性不稳定性，可导致结构破坏。按照常规，机翼的设计需要足够坚硬，使得发生颤振的空速和动压力边界远超出飞机正常飞行包线，但是这种安全边际增加了结构重量。

X-56在其正常飞行包线内设计至少有一种颤振模式，可以利用飞机的数字飞行控制系统主动抑制。到目前为止，美国宇航局已经证明，这种颤振模式可以抑制在110kn，这完全在无人飞机的速度范围内。

颤振抑制技术能够实现机翼变得纤细、具有弹性和低阻力

美国宇航局正使用X-56A测试不同的飞行控制器方法。美国宇航局X-56A的总工程师克里斯·米勒称，“我们的最终目标是找到一种控制架构，使我们能够飞越开环颤振不稳定性。20世纪80年代和90年代，空中客车公司和波音公司采用线控降低对静态稳定性的要求。关于颤振，我们想做些类似的事情，因此我们需要更低的结构边际。”

目前，目的并不是实现未来的商用飞机在颤振不稳定情况下飞行，而是为了让设计师利用主动抑制技术，安全地飞近颤振边界，降低现在内置机翼里的结构边际，促成更纤细更轻、具有弹性高展弦比的机翼，从而减少阻力，提高燃油效率。

X-56A采用喷气动力，飞翼布局，最初由洛克希德·马丁公司的臭鼬工厂为美国空军研究实验室建造，目的是演示颤振主动抑制技术。该机于2013年7月首飞，采用硬质碳纤维机翼进行了16次飞行，但在2015年11月进行首次颤振抑制飞行时，在起飞过程中坠毁，当时采用的是柔性玻璃纤维机翼。

第二架X-56A，名为“buckeye”，目前已转移到国家宇航局阿姆斯特朗飞行研究中心，采用硬质机翼完成了8次飞行，然后采用柔性机翼和不同的飞行控制器开始测试。最初的飞行用于改进空气动力学模型，以便预测颤振临界值，现在的重点已经转向演示高速条件下颤振抑制。

采用高度柔性机翼，至少有一种不稳定模式——机体自由颤振——处于飞机飞行包线内。“我们不能百分百确定第一种模式之外的情况。我们走得还不够快，克里斯·米勒说。但我们已经证明，我们可以在飞行包线内鲁棒地抑制这种模式，并在稍微越过这个不稳定状态下飞行。”

机体自由颤振可以通过外形构造表现出来，如具有低间距惯性的飞翼设计，高度柔性机翼设计，这种机翼具有短周期高振动频率，如结合低频翼弯曲频率将产生不稳定。诺斯罗普·格鲁门公司的B-2轰炸机、洛克希德·马丁公司的SR-71和20世纪60年代和70年代设计的窄体超声速运输机中都发现了机体自由颤振。

由于颤振具有破坏性，因此将以逐步增量的方式进行飞行测试。在地面上进行广泛的振动和载荷测试可在飞行前预判颤振发生的时机。然后，将在飞行中逐渐增加空速，对比模型在每次连续高速飞行中对边际和衰减率的预测效果。团队随后依此更新下次飞行的模型和控制律。

克里斯·米勒说，这种“飞行-修正-飞行”的范式虽然比正常开发控制律节奏快，但却能让团队逐渐增加对颤振的了解。美国宇航局首先使用一种传统飞行控制器展示了主动颤振抑制技术，现正在测试一种现代化的控制器。“它在设计有些反传统，在数学运算上更复杂，但在理想的情况下更有力，”他说。

首飞时，由于该现代化控制器使用的模型不够准确，其表现没有达到预期水平。因此，为改进模型，美国宇航局增加了飞行次数。团队目前在再次测试这个现代化控制器，从70kn开始，逐渐建立信心，以10kn的增速向抑制颤振的目标迈进。

美国宇航局继续与提供资金和研究人员的空军研究实验室和臭鼬工厂合作，因此颤振抑制技术能够应用于未来的有人和无人军用飞机上。但是，美国宇航局的兴趣在于将其应用于未来客机上，包括混合机翼等非常规设计。

克里斯·米勒称，“我们可以让X-56A超出开环颤振飞行，这比传统飞机走得更远。我们永远不会想到商用飞机会在飞行包线内出现开环颤振，但是（有了主动颤振抑制技术），就不需要附加结构包裹边缘。”

空中客车公司在客机上首先使用了数字线控飞行系统，这并不是使飞机不稳定，而是为更接近中性稳定性飞行，从而减轻重量，节约燃油。“我们已经证明，可以接近和稍微超出颤振临界值，我们只需要在飞行中能够接近颤振临近值，就可以显著减轻重量。”他说。

美国宇航局力求抑制颤振，实现使用柔性机翼

例如波音公司787客机，客机机翼比过去更加纤细。但随着机翼变得更薄，追求更小阻力和更轻重量，颤振成为一个巨大担忧。

美国宇航局终于准备好利用X-56A无人试验机柔性机翼上演示主动颤振抑制技术。

颤振是空气动力学和结构动力学两者间潜在的破坏性耦合。为避免发生颤振，通常通过采用硬质机翼，使得速度超出飞机的飞行包线。在这些速度下，阵风或控制输入激发机翼进入弯曲和扭曲模式。但是，随着展弦比（弦长平方除以面积）增加，升力引起的阻力降低，使得机翼为避免颤振必须更加坚硬，导致重量增加。这可以通过利用机翼的控制面主动抑制颤振加以克服，但在飞行中几乎没有测试过。

8月份进行的一次低风险飞行表明，X-56A改进的起落架可以在使用柔性机翼下实现安全起降

X-56A飞机经历颇多。该机由洛克希德·马丁公司臭鼬工厂为美国空军研究实验室生产。臭鼬工厂制造了两架飞机，绰号分别为“fido”和“buckeye”，和四套机翼——1套用于初始测试的硬质碳纤维机翼和3套玻璃纤维柔性机翼，用于计划中的颤振主动抑制技术演示。

建造3套机翼是因为柔性机翼有可能在飞行试验中失败。但是，在为空军研究实验室的测试中，采用柔性机翼的X-56A甚至没有能够升空。在采用刚性机翼成功飞行后，2015年，“fido”首次采用柔性机翼飞行时在起飞过程中坠毁。

与此同时，另一架X-56A按计划转移到美国宇航局阿姆斯特朗飞行研究中心，为未来客机开发柔性、低阻力、高展弦比机翼。

美国宇航局在2015年进行了刚性机翼飞行，但一次不成功的着陆毁坏了飞机，飞行提前结束。此后，美国宇航局一直在分析和改进X-56A飞机，以便克服导致第一架飞机坠毁的问题——柔性机翼和起落架之间的耦合。

X-56A项目经理程穆亚说：“过去两年，我们一直在对飞机进行改进，以便飞机能够安全起降。“我们发现，刚性中机身和机翼之间有很多耦合。通常情况下，由于我们采用刚性结构和坚固起落架，我们不会碰到这个问题。但是如果机翼拍打，必须消散能量。因此，我们必须重新设计机鼻和主起落架，使其更加兼容，在起降时吸收能量。”

X-56A重218kg，翼展长8.5m，使用两台36kg推力JetCat公司的涡轮喷气发动机，安装在中机身上方。除了改装起落架外，美国航天局还在飞机上安装了飞行控制器和光纤传感系统，测量飞行中的机翼变形。

美国宇航局进行的颤振主动抑制试飞将有助于空军实验室完成X-56A项目的最初目标

穆亚说，8月31日，在阿姆斯特朗中心采用柔性机翼遂行了一次低风险飞行。此次飞行表明，问题已经得到解决。这次使用了基本的刚性机翼飞行控制器，飞机现在将安装一种更鲁棒的控制器，用于主动抑制颤振飞行。

采用柔性机翼的X-56A计划于11月中旬再次飞行，在飞机飞行包线内演示主动抑制颤振技术的最初目标，确认控制器对颤振的鲁棒性，收集数据，验证气动力弹性建模的正确性。

穆亚说：“气动力弹性的重要性在于控制器好坏取决于模型。改进后的X-56A在阿姆斯特朗进行了广泛的地面振动测试，以更新结构模型。我们正在最后验证控制器的有效性。”

按照计划，将进行一系列20～25次飞行，目的是证明控制系统可以抑制飞机的第一个对称机翼弯曲-扭转颤振模式。X-56A的设计表明，多种颤振模式可以同时被抑制，但是柔性机翼仍旧过于坚硬。

第一种模式的启动预计将在120Kn左右，接近X-56A的最高速度。穆亚说：“想要飞得更快抑制第二种模式，是很困难的。一个办法是增加第三台发动机，提高速度。

但美国宇航局的飞行研究重点已经转移到大型实验飞机上，即将进行的一系列飞行明年春天结束后，X-56A将没有后续计划。“自项目启动以来，美国宇航局已经从较小的研究机转向了X系列大飞机，”他说。

然而，如果“buckeye”试飞成功，主动颤振抑制技术有望使未来客机继续增加机翼展弦比，降低阻力，机翼将变得更加纤细和具有弹性。