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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中國人會在2030年前的哪個時間點登上月球?美國能否在2028年重返月球?誰將成為21世紀率先登月的國家……當很多人還在討論這些問題時,中國太空人已經在思考一個更具深遠意義的問題:如果成功登陸月球,能否實現長期生存?
中國太空人已經在思考頗具深遠意義的問題:如果成功登陸月球,能否實現長期生存?
兩會期間,中國首位完成出艙活動的女太空人王亞平透露重大信號,中國航天員中心正在牽頭申報一項新的重大科研設施——地外生存地基研究設施。通俗點講,該設施研究的核心問題即:人類如何在地球以外的星球長期生存。
需要強調的是,「長期生存」,指的既不是登陸後開展簡單考察,也不是插一面旗子后便折返,而是要在太空中真正生活下去。對於這則重磅消息,有分析人士指出,中國正將人類太空事業推向全新階段。
兩會期間,中國首位完成出艙活動的女太空人王亞平透露重大信號,中國航天員中心正在牽頭申報一項新的重大科研設施——地外生存地基研究設施。
美國數十年前曾成功完成6次載人登月任務,但在阿波羅計劃中,太空人在月球的停留時間頗爲短暫。以首次載人登月的阿波羅11號為例,太空人在月球表面僅停留21小時,艙外活動時間更是只有約2.5小時。後續幾次任務的最長停留時間也不過3天左右。
美國數十年前曾成功完成6次載人登月任務,但在阿波羅計劃中,太空人在月球的停留時間頗爲短暫。
原因其實很簡單:太空人在月球所需的所有資源——氧氣、水、食物、電力,都必須從地球上攜帶。一旦補給耗盡,任務就不得不終止。換言之,當年的登月更像是一場耗資巨大的太空短程旅行。人類若想在月球上實現長期生存,方爲真正的挑戰。但若人類真的想要在月球上實現建立基地的目標,必須直面一個極其現實的考量因素——運輸成本。
在傳統火箭時代,將1公斤物資送入太空的成本高達2萬到5萬美元;若要送至月球,成本還會進一步攀升。據估算,把一樽水送到月球,可能要花費幾十萬美元。顯然,未來人類若想在月球長期生活,絕不可能一直依賴源自地球的補給,唯一出路便是在外星上實現資源循環利用。而這也意味著,一系列複雜難題需要被逐一攻剋:如何製造氧氣?如何循環水?如何生產食物?以及如何再利用廢物。
若人類真的想要在月球上實現建立基地的目標,必須直面一個極其現實的考量因素——運輸成本。
王亞平提到的「地外生存地基研究設施」,正是為解決這些問題而設。簡單來說,它是一個建在地球上的「模擬外星基地」。科學家將在其中,開展各類關鍵技術的測試,例如在封閉環境中種植食物,利用月球土壤製造建築材料,以及通過循環系統維持空氣和水的供應。這些技術將直接決定人類未來能否在月球乃至火星生存。
中國太空人王亞平
事實上,中國在該領域已開展大量前期準備工作,中國太空站便是其中重要的實驗平台。自進入太空站時代以來,已有多批中國太空人進駐,其中還出現專門在太空站開展關鍵科學研究的載荷專家。
在中國太空站開展的科研項目中,部分研究可視為未來外星生存的基礎,比如太空植物培養實驗。
在這些科研項目中,部分研究可視為未來外星生存的基礎,比如太空植物培養實驗。植物不僅能提供食物,還可吸收二氧化碳,並釋放氧氣。未來若建立月球基地乃至火星基地,很可能會出現一種全新設施——太空農田。
此外,中國在空間生命科學領域取得重大突破,曾成功開展名為「月宮365」的封閉生態實驗。
此外,中國在空間生命科學領域亦取得重大突破,曾成功開展名為「月宮365」的封閉生態實驗。在這項具有里程碑意義的實驗中,科研人員構建了名為「月宮一號」的地面模擬系統,志願者團隊在這一高度封閉的生態系統中,連續駐留370天,創造世界紀錄。該系統更通過高度協同的植物栽培和微生物分解作用,成功實現氧氣、水分和食物的高效循環再生,為乘員提供可持續生命保障。實驗結果表明,人類完全有可能在遠離地球的封閉環境中,實現長期自給自足生存。
中國太空人將有望在月球表面開展長期科考活動,標誌著人類太空探索將進入一個全新階段。
今年,中國將實施嫦娥七號月球探測任務,目標直指月球南極地區。該任務將對月球南極的水冰分佈、光照條件和地形地貌進行詳細勘察,為後續國際月球科研站的建設選址提供科學依據。
根據中國載人月球探測規劃,國際月球科研站將在2035年前,建成具備基本科研能力的基礎型設施,並在2045年前發展為功能完善、可支持長期駐留的綜合基地。屆時,中國太空人將有望在月球表面開展長期科考活動,標誌著人類太空探索將進入一個全新階段。
中國太空事業正在發生進一步重大升級,目指實現太空生活的目標。
如果說20世紀的太空競賽比的是誰先登上月球,21世紀比的或許是另一件事——誰率先能在月球上實現居住的目標。當王亞平說出「地外生存」這四個字時,已然透露出一個重要信號:中國太空事業正在發生進一步重大升級。
過去中國的目標是登上月球,而未來中國要思考的是,如何在月球乃至火星等地外星球上落脚生活。也許當中國人真的在月球建立基地、在火星建成城市時,人們再回頭看今天這則消息,才會意識到,這一切其實早就埋下了伏筆。因為這一次,人類前往地球以外的星球,不再只是爲了去看看,而是做好在其上長久生活的準備。