1、吊舱异常振动问题分析 李阳 雷鸣 中国飞行试验研究院飞机所 摘 要： 飞机在飞行活动中普遍存在着振动, 它不仅影响飞机的结构, 而且对飞行人员的心理、生理和病理等方面都产生较大的影响。随着航空事业的发展, 大量的新式吊舱需要进行演示验证试飞。在试飞中, 由于吊舱与挂飞飞机的干扰, 可能会出现一些异常振动情况。针对某型机挂载吊舱试飞时出现的异常振动现象, 采用计算流体力学和试验数据分析相结合的方法, 分析了该现象产生的原因。经过分析确认该振动不影响飞行安全后, 飞机继续试飞, 为今后类似的异常振动现象分析提供了解决思路。关键词： 异常振动; 飞行试验; 随机振动; 安全分析; 作者简介：李阳 (
2、1987-) , 男, 江苏镇江人, 工程师, 硕士, 研究方向为飞机结构动力学飞行试验。收稿日期：2017-07-14Analysis of abnormal vibration of podsLI Yang LEI Ming Abstract： Vibrations are common in the aircraft during flight. Vibration not only affects the structure of aircraft, but also has great influence on the psychology and physiology of fli
3、ght personnel. Aiming at the abnormal vibration occurred during the flight test of a pod mounted on a certain type of aircraft, the method of computational fluid dynamics ( CFD) and experimentaldata analysis are used to analyze the causes of the phenomenon. After analyzing and confirming that the vi
4、bration does not affect the flight safety, the aircraft continues to test flight. It provides a solution for the analysis of similar abnormal vibration in the future.Keyword： abnormal vibration; flight test; random vibration; safety analysis; Received： 2017-07-140 引言所谓振动是系统的运动量值相对于某一平均值随时间变化的运动。只要系统
5、具有惯性作用 (如质量) 和恢复力就可能产生振动。现代航空飞行器、航天飞行器在飞行活动中普遍存在着振动, 他不仅影响着飞行器的结构, 而且对飞行人员的生理、心理和病理等方面都产生一定的影响, 是不可忽视的1。随着近年来航空工业的飞速发展, 大量的航空设备、机载系统需要进行它机试飞, 验证其在真实环境下的性能及与飞机的相容性。由于飞机机体空间有限, 通常这些设备大多作为外挂吊舱的形式挂于机翼下方2。吊舱种类多样, 气动外形、结构质量刚度特性各异, 与机翼气动力耦合严重, 吊舱在实际工作过程中经常会受到载机发动机机械振动, 喷气噪声, 吊舱外部气流扰动, 飞机的飞行姿态以及起飞、着陆、滑行等因素产
6、生的振动和冲击, 经常会产生振动问题3。本文通过对某型吊舱演示验证试飞中出现的异常振动问题进行分析, 得到振动问题发生的原因, 经确认安全后, 飞机继续试飞, 顺利完成了试飞任务。1 问题描述挂载吊舱是在原载机 800 L 副油箱的外形的基础上, 综合考虑设备安装、发动机工作要求、外形减阻等因素, 而最终设计形成的。在副油箱的前端上部增加背鳍, 并将背鳍与挂架结构件进行融合;去掉副油箱的部分尾端和尾翼, 吊舱和副油箱几何外形对比如图 1 所示。吊舱挂载在原载机副油箱挂点处, 载机按照预定的试飞任务剖面, 完成规定的试验动作, 达到演示验证的试飞目的。试飞过程中, 在吊舱头部位置和飞机关键结构部
7、位加装了振动传感器, 监控上述位置的振动水平4。在执行某一试飞架次时, 飞行员反映飞机在气压高度 11 km, 马赫数 1.2 左右振动强烈, 并感觉振动是从机身下的吊舱处传来的, 在飞行速度加速至马赫数 1.27 时振动消失。飞机飞行马赫数和关键部位的振动时域图见图 2、图 3、图 4 所示。吊舱振动频谱图如图 5、图 6 所示。图 1 吊舱和副油箱几何外形 下载原图从上述图像可以看出:对比吊舱、座椅、重心与翼面处的振动数据, 可以发现吊舱处的振动在马赫数 1.18 左右突然增大, 随着马赫数增大又开始减小, 马赫数减小到 1.2 附近振动又开始增大, 在马赫数减小到 1.16 左右振动基本
8、消失, 飞机其余部位除座椅法向振动和重心处法向振动略有增加外, 其他位置没有明显变化, 与飞行员描述基本一致即振源主要位于吊舱处。结合吊舱头部处振动传感器的频谱图可以看出, 吊舱头部振动并没有显示出吊舱的固有模态如俯仰、偏航、侧摆能量集中的情况 (其中侧摆模态频率 12.16Hz, 俯仰模态频率 23.33 Hz, 偏航模态频率 15.67Hz) , 各频率能量非常分散, 而且吊舱头部法向和侧向振动量值都比较大, 因此是一种随机振动。随机振动并不能引起飞机发生颤振, 长期过大的随机振动对飞机的振动环境、结构疲劳损伤、耐久性有一定影响5, 但对单次的飞行试验的安全没有影响。图 6 吊舱头部法向振
9、动频谱图 下载原图2 振动原因分析2.1 理论基础综合分析飞机的受力情况, 考虑马赫数 1.2 正处于跨音速区, 可以预判为飞机在跨音速区的气流不稳定导致的振动。若精确分析飞机在气压高度 11 km, 马赫数 1.2 的受力情况需采用计算流体力学来分析飞机周围的气动力。流体力学的基本方程是在总结自然界中流体的运动规律基础上得到的, 分为:质量守恒、动量守恒以及能量守恒, 下面给出每个定律对应的控制方程6。质量守恒定律可以表述为:在单位时间内微元体中质量的增加, 等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量, 质量守恒方程如下式表示7:其中: 表示密度, t 表示时间, u、v、w 表示速度矢量在 x
10、、y、z 方向的分量。动量守恒可表述为:微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和, 可写出 x、y、z 三个方向的动量守恒方程8:其中:p 是流体微元体上的压力, xx、 xy、 xz等是因分子粘性作用而产生的作用在微元体表面上的粘性应力 的分量, F x、F y、F z是微元体上的体力, U表示速度矢量。能量守恒可表述为:微元体中能量的增加率等于进入微元体的净热流量加上体力与面力对微元体所作的功, 该方程可写为9:其中:k 为流体的传热系数, c p是比热容, S T为粘性耗散项, T 为温度。2.2 计算分析根据载机和吊舱的外形划分气动力计算网格, 确定初始条件
11、及边界条件, 在每个网格内计算上述方程, 同时在网格间节点进行数据交换, 待计算结果收敛后可得载机带吊舱的气动力分布, 计算初始条件为气压高度 11 km, 马赫数 1.2, 迎角 0, 气动力分布如图 7、图 8 所示。从压力分布图可以看出:气流受到雷达罩表面弱压缩, 在前机身下表面又膨胀加速, 并在进气道受到隔道及斜板压缩, 产生脱体激波。气流在进气道唇罩下方气流再次加速, 并在吊舱头部保护罩产生弱的脱体锥激波。吊舱下方气流持续膨胀加速, 吊舱上方受到背鳍状保护罩的干扰, 在吊舱挂架正前方产生很强的脱体激波, 该脱体激波的波及范围至吊舱的侧面。挂架产生的脱体激波前吊舱表面的压力变化趋势规律
12、性好, 分布较均匀接近轴对称, 但挂架脱体激波破坏了上述的分布规律, 且该强脱体激波自身应该具有强的非定常效应, 可能导致吊舱两侧的压力发生不对称的波动, 进而产生相对于挂架根部的横向震荡力矩。单独选择对气流影响较大的吊舱进行气动力计算, 可得其气动力分布如图 9 所示。计算初始条件为气压高度 11 km, 马赫数 1.18, 迎角 0。图 9 单独吊舱的气动压力分布图 下载原图从图 9 可以看出:吊舱头部主要呈现正压力, 有很强的斜激波, 尾部主要呈现负压力, 对气流有一定的卷吸作用, 气流有明显的非定常流动现象, 气动力可能对吊舱有激励作用, 引起吊舱振动。综合以上计算结果可以看出:吊舱头
13、部法向和侧向振动是由于气流在较强的斜激波作用下产生非定常震荡力引起的, 但并没有激起吊舱的固有模态振动, 可以认为结构阻尼较大, 没有发生吊舱颤振的风险。3 试飞结果在后续试飞中, 为了保证试飞安全, 监控吊舱关键部位振动, 增加了吊舱重心侧向振动、吊舱重心法向振动和挂梁侧向振动三个振动参数, 以便监控试飞中吊舱的振动水平。图 10 为吊舱头部的振动时域图, 图 11 为新增的三个吊舱振动参数。从上图可以看出:吊舱头部在飞行马赫数 1.21.3 附近, 振动突然增大, 且随着飞行速度增加, 振动量值减小。吊舱重心和挂梁处振动在飞行速度增加的全程时间内变化不明显。结合计算的气动力分布可知:当飞行
14、马赫数在 1.21.3 附件, 吊舱头部产生了较强的脱体激波, 气流对吊舱头部产生非定常气动力激励作用, 对吊舱重心和挂梁激励不明显。随着飞行速度增加, 激波位置改变, 对吊舱头部激励作用减弱, 所以吊舱头部振动量值减小。4 结束语通过对某型机挂载吊舱异常振动现象分析, 以试飞数据分析和气动力计算相结合的方法分析了吊舱异常振动现象发生的原因, 保证了试飞的安全, 为今后类似的异常振动现象分析提供了解决思路。参考文献1杨越明, 胡进海, 许毛跃.飞机振动特性仿真要素分析C/中国系统仿真学会仿真器专业委员会.第五届全国仿真器学术会论文集, 2004:312-318. 2田永卫, 阎楚良, 张书明,
15、 等.飞机随机振动环境实测试验数据的归纳方法J.振动、测试与诊断, 2004, 34 (6) :1129-1133. 3孟凡涛, 胡愉愉.基于频域法的随机振动载荷下飞机结构疲劳分析J.南京航空航天大学学报, 2012, 44 (1) :31-34. 4唐友刚.高等结构动力学M.天津:天津大学出版社, 2002:35-38. 5董明明, 刘国强, 周长悦.直升机驾驶舱异常振动分析J.航空科学技术, 2016, 27 (11) :33-35 6约翰.安德森.计算流体力学基础及应用M.北京:机械工业出版社, 2007:50-56. 7刘杰, 朱自强, 陈泽民, 等.基于欧拉方程的尾迹面气动力计算J.航空学报, 2005, 26 (4) :417-421. 8杨智春, 党会学, 解江.基于动网格技术的柔性后缘自适应机翼气动特性分析J.应用力学学报, 2009, 26 (3) :548-553. 9林炳秋, 毛鸿羽.战术弹亚声速纵横向非线性气动力计算研究J.空气动力学学报, 1999, 1 (1) :105-110.
