引言
隨著航空技術(shù)的不斷進步，新一代飛機的設(shè)計越來越注重提高空氣動力性能、燃油經(jīng)濟性以及降低噪音和排放。在這一背景下，自適應(yīng)機翼增升裝置成為研究的熱點。德國宇航中心（DLR）與空客集團（前身為EADS）合作開發(fā)了一種創(chuàng)新的自適應(yīng)、智能漸變桁條或前緣結(jié)構(gòu)，旨在通過智能控制實現(xiàn)機翼性能的優(yōu)化。本文將詳細(xì)介紹這一項目的技術(shù)背景、實驗設(shè)計、測試方法及其結(jié)果，特別是激光多普勒測振技術(shù)在風(fēng)洞測試中的應(yīng)用與優(yōu)勢。
技術(shù)背景與項目概述
該項目旨在通過自適應(yīng)控制概念，提升飛機在飛行過程中尤其是著陸時的綜合性能。核心在于設(shè)計一種可直接連接到機翼盒段上的自適應(yīng)、智能漸變桁條或前緣結(jié)構(gòu)。如圖1所示，該結(jié)構(gòu)包括智能板和運動控制機構(gòu)，通過有限元模型進行初步設(shè)計和分析。
圖1帶有智能板和運動控制機構(gòu)的被測結(jié)構(gòu)的有限元模型
為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，項目團隊創(chuàng)建了一個帶有漸變桁條的大型機翼段，并在俄羅斯國家研究中心的空氣流體動力學(xué)中心的大型低速風(fēng)洞（TsAGI 101）中進行了測試（圖2）。三段自適應(yīng)桁條由增強型玻璃纖維塑料制成的彈性增強蒙皮構(gòu)成，這種材料的選擇旨在提供足夠的強度和靈活性，以適應(yīng)動態(tài)飛行條件的變化。
圖2風(fēng)洞內(nèi)的機翼模型(1 -自適應(yīng)桁條、2 -沉箱、3 -襟翼、4 –翼翅、5 –導(dǎo)流罩、6 -氣動支撐、7 -氣動失速刻度)
風(fēng)洞測試與動力學(xué)特性分析
風(fēng)洞測試是評估機翼性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它不僅需要確保測試過程的安全性，還必須準(zhǔn)確獲取模型的動力學(xué)特性和靜態(tài)剛度參數(shù)。為此，項目團隊設(shè)計了一套復(fù)雜的風(fēng)洞天平模型測試方案，并確定了多項關(guān)鍵參數(shù)。
在測試過程中，模型兩側(cè)通過彈性繩懸掛在橋式起重機上（圖3），以模擬真實的飛行條件并達到所需的邊界條件。這一設(shè)置確保了模型在風(fēng)洞中的穩(wěn)定性和可控性，為后續(xù)的動態(tài)參數(shù)測量提供了可靠的基礎(chǔ)。
圖3. 模型頻率實驗的彈性支承系統(tǒng)
動態(tài)參數(shù)測量方法
為了確定樣機的主要動態(tài)參數(shù)，項目團隊采用了兩種不同的測量方法：接觸式方法和非接觸式方法。
接觸式方法：
設(shè)備：使用普羅德拉公司的EX220SC電動激振器對結(jié)構(gòu)進行激勵，結(jié)合LMS SCADAS III / Stepped Sine LMS軟件和PCB 333V32接觸式傳感器來記錄結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。
原理：通過電動激振器幾何接觸式傳感器對結(jié)構(gòu)施加振動，利用標(biāo)準(zhǔn)步進正弦信號進行測試，從而獲取結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。
優(yōu)勢：直接接觸測量，信號穩(wěn)定，但操作復(fù)雜，需要較多人力和時間。
非接觸式方法：
設(shè)備：采用掃描式激光測振儀（現(xiàn)已升級至系統(tǒng)，具有更佳的光學(xué)靈敏度和測量精度），結(jié)合PCB 086E80沖擊力錘敲擊結(jié)構(gòu)的金屬部件或加強筋，激發(fā)結(jié)構(gòu)振動。
原理：利用激光多普勒效應(yīng)測量振動，通過沖擊力錘提供脈沖激勵，無需直接接觸結(jié)構(gòu)，即可實現(xiàn)高精度的振動測量。
優(yōu)勢：非接觸測量，避免了對結(jié)構(gòu)的干擾，測量精度高，操作簡便，節(jié)省人力和時間。
實驗結(jié)果與對比分析
通過對兩種測試方法獲得的數(shù)據(jù)進行對比分析，項目團隊得出了以下結(jié)論：
自然模態(tài)對比：
圖4仿真和試驗獲取的結(jié)構(gòu)模態(tài)振型的比較
效率與成本對比：
激光多普勒測振技術(shù)的優(yōu)勢
通過本次實驗，激光多普勒測振技術(shù)展現(xiàn)出了顯著的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢：
高精度測量：激光多普勒測振技術(shù)利用光學(xué)原理進行非接觸測量，避免了傳統(tǒng)接觸式傳感器對結(jié)構(gòu)的干擾，提高了測量精度。
操作簡便：非接觸式測量方法無需復(fù)雜的安裝和調(diào)試過程，操作簡便，減少了人力和時間成本。
廣泛適用性：激光多普勒測振技術(shù)適用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)和材料，特別是在高溫、高壓等極端環(huán)境下，具有更強的適應(yīng)性和可靠性。
數(shù)據(jù)可視化：通過激光掃描和數(shù)據(jù)處理軟件，可以實時顯示和記錄結(jié)構(gòu)的振動情況，為后續(xù)的分析和優(yōu)化提供了直觀的數(shù)據(jù)支持。
結(jié)論與展望
本文詳細(xì)介紹了自適應(yīng)機翼增升裝置的創(chuàng)新研究項目，重點分析了激光多普勒測振技術(shù)在風(fēng)洞測試中的應(yīng)用與優(yōu)勢。通過對比接觸式和非接觸式兩種測量方法，證明了激光多普勒測振技術(shù)在提高測試精度、降低成本和提高效率方面的顯著優(yōu)勢。
未來，隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，自適應(yīng)機翼增升裝置將成為提升飛機性能的重要手段。激光多普勒測振技術(shù)作為一種先進的測試方法，將在機翼設(shè)計、優(yōu)化和驗證過程中發(fā)揮越來越重要的作用。同時，結(jié)合有限元分析和風(fēng)洞測試，可以進一步提高機翼設(shè)計的準(zhǔn)確性和可靠性，為新一代飛機的研發(fā)提供有力的技術(shù)支持。