人民網報道,南京航空航天大學團隊在國際上,率先突破結構強度極限內的「剛-彈耦合顫振」屏障,將顫振臨界速度提升62.5%,創造該領域世界紀錄。
當前,世界各國都在針對飛翼布局飛行器的「剛-彈耦合顫振」現象展開研究,試圖一舉攻克這一難題,但取得顯著成果的卻寥寥無幾,南航團隊的突破可說是史無前例。軍事專家指出,該技術未來有望應用於轟-20隱身戰略轟炸機,能夠大幅提升飛行品質和機動性能。
南京航空航天大學團隊成功攻克「剛-彈耦合顫振」技術,其試飛成功標誌著國產戰略轟炸機研發已掃除氣動彈性領域的重大障礙。
飛翼佈局憑藉出色隱身性能,成為現代戰略轟炸機的核心設計趨向。然而,顫振難題長期以來一直限制性能提升。南京航空航天大學取得的突破,精準攻克關鍵難題,對轟-20的研發具有重要支撐作用。
飛翼佈局雖具備極致隱身性能,但其獨特氣動特性帶來的顫振隱患一直是設計難點,突破此關卡將令轟-20如虎添翼,兼顧隱身與機動。
所謂顫振(Flutter),是指彈性體(如機體)在與氣流相對運動過程中,受氣動力、彈性力和慣性力之間的耦合作用,引發的一種振幅持續增大的振動現象。本質上,顫振屬於「自激振動」。由於自然界中並不存在絕對的剛體,看似剛硬的飛機結構(尤其是機翼、尾翼)在受力時會產生彎曲或扭轉變形,進而與氣流相互作用。這種自激振動無需外部持續激勵便能維持,一旦出現,振幅會迅速加劇,對飛行器安全構成重大威脅。理解這一機制,是解決顫振問題的關鍵。
顫振對飛機產生的影響主要體現在兩個關鍵層面。第一,當飛機出現顫振時,飛行速度會受到明顯限制,飛行狀態變得不夠穩定,過程中可能會出現搖晃、抖動等異常狀況。這種不穩定的飛行狀態,會進一步制約飛機的機動性和續航能力。第二,倘若飛行過程中速度過快,顫振帶來的危害將急劇增大,嚴重時會導致飛機在短短數秒內發生解體。在這種緊急情況下,飛行員往往來不及做出有效應對,極有可能引發機毀人亡的慘劇。
為了能夠有效延緩或盡可能避免顫振現象發生,各國相繼採取幾種較可行的方法。第一種方法是增強機翼的抗扭剛度,例如殲-15系列艦載戰鬥機採用的後掠翼設計,能夠有效改變機翼受力情況,再加上殲-10系列採用的三角翼設計,它們都是通過減小機翼展弦比的方式,來提高機翼的扭轉剛度,從而在一定程度上減少顫振發生的可能性。
降低展弦比是抑制顫振的傳統手段,圖中殲-15與殲-10分別以後掠翼及三角翼設計強化機翼剛度,確保高速飛行下的結構穩定。
第二種方法是採用扭轉機翼,像美製 F-22 隱身戰機就運用這種方式,通過對機翼進行特定角度的扭轉,來優化機翼在飛行過程中的氣流分佈,進而降低顫振風險。而殲-10 同樣也採用扭轉機翼設計,其主翼有兩處明顯扭轉,這種設計能夠更好適應不同飛行狀態,提高飛機穩定性。第三種方法是在飛機水平尾翼(平尾)翼尖添加配重,主要目的是提升水平尾翼的抗扭剛度。水平尾翼在飛行過程中起著至關重要的平衡和穩定作用,通過增加配重可以改變其動力學特性,以此來避免顫振現象出現,保障飛行安全。
F-22通過主翼的幾何扭轉設計(Twist)優化氣流分佈,圖中可見其機翼不同位置的攻角變化,在保證機動性的同時大幅降低氣動彈性發散風險。
傳統軍機依靠成熟且合理的氣動佈局,以及經過嚴謹設計和反覆驗證的風洞試驗,已把顫振風險成功控制在合理範圍內。以殲-15 為例,它採用的三翼面佈局,能夠讓飛機在不同飛行階段都保持良好的空氣動力學性能;殲-10 的三角翼佈局,不僅具有良好的機動性,還能在一定程度上抵禦顫振影響。至於美國 F-22 採用的常規佈局,雖經過長期優化,但其本質仍是在傳統結構剛度與飛行性能之間尋求一種妥協與平衡。這些傳統設計雖然成熟,但也意味著其性能挖掘已接近物理極限。
然而,飛翼佈局的出現打破了這種平衡。由於飛翼佈局飛行器具備結構重量輕、柔性大的特點,且擁有獨特的展弦比設計,在飛行載荷作用下,其彎曲與扭轉變形更顯著。結構受載後的「氣動-結構-控制」耦合系統,會引發複雜的非線性結構動力學與控制問題,這不僅會給飛翼佈局飛機的設計帶來全新挑戰,還會對飛翼佈局的用途及性能造成不利影響。
試飛現場的驗證機採用大展弦比飛翼佈局,其實際飛行數據將直接支撐下一代轟炸機的氣動控制律設計,解決了「大柔性」帶來的控制難題。
轟-20 作為中國新一代隱身戰略轟炸機,飛翼佈局是其核心特徵,對速度與機動性能的要求極高。南京航空航天大學這項技術恰好契合其研發需求,可讓轟-20 突破傳統飛翼佈局的速度限制,執行更高難度的作戰任務,為轟-20 實現超音速巡航奠定基礎。
止戈堂
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中國日前成功發射可重複使用的試驗航天器。據悉,本次發射是該型航天器的第4次發射。相同以往,每次發射僅有簡短文字報道,從未公佈相關圖片和視頻。分析人士指出,在中國,除了這款航天器具備可重複使用的特性外,其他航天器都未被賦予「可重複使用」的名號。絕大多數航天器在送入太空後,不會再回收。以神舟載人飛船為例,雖然返回艙最終會返回地球,但僅作單次使用,後續返回艙皆為新造。
中國日前成功發射可重複使用的試驗航天器。據悉,本次發射是該型航天器的第4次發射。
談及可重複使用航天器,最易聯想到的當屬美國太空總署的太空穿梭機。在太空穿梭機的構成中,有一個外觀與固定翼飛機極為相似的航天器,即軌道器,其具備搭載人員重複往返太空的性能。然而,中國這款空天飛機並不載人,畢竟當前中國用於載人的航天器僅有神舟飛船。若進行載人發射,依照慣例都會向外界公佈,其中包括參與飛行的太空人及相關任務時長。
美國太空穿梭機先後共計開展135次飛行任務,其中兩次遭遇事故,令兩架太空穿梭機在空中解體。2011年,在亞特蘭蒂斯號太空穿梭機完成最後一次飛行後,美國太空穿梭機便宣告退役。而中國並未選擇發展太空穿梭機,原因在於此類航天器成本高昂,且風險較大。
美國太空穿梭機本高昂,且風險較大。
與中國的這款空天飛機最相似的航天器,應當是美國正在測試的X-37B空天飛機。美國製造的兩架X-37B,已先後進行8次飛行試驗。在第6次飛行時,X-37B在軌停留長達908天。目前,太空中暫無正在執行任務的X-37B。
美國X-37B每次都由運載火箭垂直發射升空,隨後送入數百公里高的近地軌道。據悉,承擔發射任務的火箭有:美國聯合發射聯盟的宇宙神5號、美國太空探索技術公司的獵鷹重型和獵鷹9號。
美國製造的兩架X-37B空天飛機,已先後進行8次飛行試驗。
中國發射空天飛機時,選用的是長征二號F。這款火箭最為人熟知的用途是發射神舟飛船,其具備極高的可靠性與穩定性,發射成功率達百分百,不久前剛將神舟二十二號飛船送入軌道。
此次用於發射空天飛機的長二F火箭,與其發射神舟飛船時有所差異。據知情人士透露,從回收的整流罩形狀來看,其相較於載人發射時有所不同,頂部沒有逃逸塔,外觀呈流線型,不過表面有幾處凸起,據推測這應該是用於安放較長機翼的位置。
此次是中國第4次發射空天飛機。首次發射是在2020年,飛行時長為2天;第二次在2022年,飛行時長為276天;第三次在2023年,飛行時長為266天。值得關注的是,這三次飛行結束後,空天飛機都像固定翼飛機一樣水準降落在跑道上。由此可見,中國可謂已掌握空天飛機反覆進出太空的技術。
對於中國發射的空天飛機,美國太空部隊始終保持高度關注態勢。每一次中國進行空天飛機發射時,美國太空部隊都會對空天飛機的運行軌道,展開持續不斷的跟蹤作業。他們會利用各種先進監測設備和技術,精準記錄空天飛機在軌道上的一舉一動。根據美國太空部隊獲取的追蹤數據顯示,中國空天飛機每次成功入軌,同樣也是近地軌道,其軌道高度一般處於300至600公里範圍內。
對於中國發射的空天飛機,美國太空部隊始終保持高度關注態勢。
美國太空部隊在長期跟監過程中發現,中國空天飛機在每次順利進入軌道後,都會釋放出小型伴飛器。這些伴飛器具有獨特功能和作用。在第二次、第三次飛行期間,中國空天飛機在釋出伴飛器後,更一舉開展多次接近和捕獲的機動動作,展現出中國空天飛機在軌道操作方面的高超技術和精準控制能力。
在第三次飛行時,中國空天飛機被送入到一個高度大約為340公里的初始軌道。之後,通過一系列精心設計和精確執行的機動操作,其軌道高度得到了大幅抬升,最終達到600公里。在更高的軌道上飛行了一段時間後,它又憑藉先進的變軌技術進入到原本較低的軌道中。中國空天飛機如此出色的航天表現,充分意味著它的變軌能力是非常強大的,能夠靈活及時地根據實際需求調整自己的軌道。
中國空天飛機如此出色的航天表現,充分意味著它的變軌能力是非常強大的,能夠靈活及時地根據實際需求調整自己的軌道。
目前,對於中國空天飛機的具體用途,外界仍存在很多猜測和分析。有俄羅斯專家此前經過深入分析後認為,這是一種能夠改變全球遊戲規則的軌道核轟炸機。因為這種空天飛機不僅具備攜帶一兩噸載荷的能力,還能做到在太空中以高速進行飛行。它只需要一個半小時就能夠繞飛地球一圈,並能隨時根據指令發射所攜帶的載荷,可謂具有極强的戰略威懾力。然而,據悉中國在每次發射後,均會著重強調:中國發射此類航天器的目的在於更有效地和平利用太空。
這種航天器不僅由於具備可重複利用、反復進出太空的特性,能夠切實降低進出太空的成本;更能憑藉其擁有的強大變軌能力,為太空中的衛星提供在軌服務。例如,當某些衛星出現故障或推進劑耗盡時,這種航天器能夠通過變軌,抵達衛星所在的軌道並將其順利捕獲,進而開展一系列在軌維修或在軌推進劑補加服務,以延長衛星的使用壽命。