飛行器操縱面嗡鳴風洞試驗技術綜述

閆 昱，路 波，楊興華，郭洪濤，余 立

(中國空氣動力研究與發展中心 高速空氣動力研究所，綿陽 621000)

0 引 言

操縱面嗡鳴是飛行器在跨聲速階段飛行時發生的一種氣動彈性不穩定現象，通常表現為操縱面繞其剛軸的不衰減單自由度高頻自激振動，有的學者也將其稱為單自由度顫振[1]。

嗡鳴的發生對于飛行器來說是非常不利的，輕則降低操縱面效率，重則導致操縱面甚至安定面結構破壞，發生災難性的飛行事故[2]。自飛行器進入跨聲速飛行時代，因操縱面嗡鳴引發的飛行事故時有發生。早在二戰期間，美國洛克希德公司在P-80 噴氣式戰斗機飛行試驗中首次觀察到操縱面嗡鳴現象，高馬赫數試飛中操縱面嗡鳴直接導致副翼完全損壞[3-4]。貝爾公司的X-1 超聲速飛機在Ma= 0.86～0.95 范圍內出現了副翼嗡鳴，后續的X-1A 飛機也存在類似問題；飛行員甚至觀察到激波在操縱面上來回移動，同時感受到操縱面的劇烈振動[4]。20 世紀90 年代初，美國海軍研制的T-45“蒼鷹”高級艦載教練機在Ma=0.95、高度為2×104ft（約6 096 m）及Ma= 0.9、高度為1×104ft（約3 048 m）試飛過程中，均出現了方向舵嗡鳴問題[5]。諾斯洛普·格魯門公司的高空長航時全球鷹無人機在高空飛行試驗過程中，左右機翼內/外側副翼同時出現了明顯的嗡鳴現象，機載測試儀器清晰記錄了典型的振動及載荷數據[6]。

在國內，操縱面嗡鳴問題同樣困擾著飛行器設計部門，多型高速殲擊機在飛行試驗過程中出現操縱面嗡鳴問題，如圖1 所示，某飛機在試飛過程中方向舵發生嗡鳴導致破壞，嚴重影響了型號的研制進程[7]。

圖1 嗡鳴導致某飛機方向舵損毀[7]Fig. 1 Buzz caused damage to the rudder[7]

隨著現代飛行器性能的不斷提升、結構重量的不斷下降及新材料的廣泛應用，操縱面嗡鳴已成為除顫振外，型號設計部門另一重點關注的氣動彈性問題。例如在F/A-22 戰斗機氣動彈性設計過程中就著重關注了操縱面的防嗡鳴設計[8]。目前快速發展的高速無人機，無法像有人機一樣第一時間感受到操縱面的振動并進行判斷，一旦出現嗡鳴將難以實施改錯措施，很可能發生嚴重的飛行事故[9]。操縱面嗡鳴涉及激波與邊界層的相互作用，氣動力情況復雜，并且存在強烈的非線性效應，至今尚沒有準確預測嗡鳴的計算方法，通常采用風洞試驗來獲取有關數據[10-11]。

本文通過整理國內外操縱面嗡鳴風洞試驗相關資料，結合我們開展嗡鳴風洞試驗的經驗，對嗡鳴發生機理、試驗風洞選取、試驗模型設計、試驗方法流程等問題進行梳理總結；同時針對顫振風洞試驗中可能出現的嗡鳴問題提供了判別手段，供型號設計部門及同行參考借鑒。

1 國內外研究進展

飛行器進入跨聲速飛行時代后，操縱面嗡鳴引發的系列飛行事故驅動著操縱面嗡鳴理論研究及試驗技術的快速發展。為研究前文所述P-80 飛機試飛過程中出現的副翼嗡鳴問題，1947 年美國NASA 的Erikson 等在艾姆斯中心的16 英尺高速風洞開展了該飛機全尺寸機翼模型的嗡鳴試驗，研究了擾流條、翼型厚度、副翼質量、阻尼等對副翼嗡鳴特性的影響，并進行了較詳細的理論分析[12]。圖2 給出了全尺寸機翼在風洞中的安裝照片。1990 年前后，美國洛克希德公司的Parker 等[13]在NASA 蘭利研究中心的TDT 風洞針對國家空天飛機（NASP）機翼系列模型開展了嗡鳴試驗，研究了操縱剛度、機翼后掠角度、翼型厚度、操縱面與安定面之間縫隙的密封方式等因素對操縱面嗡鳴的影響，由于對模型及結果的詳細描述使其成為諸多嗡鳴數值仿真研究的標準驗證算例。圖3 給出了典型的試驗結果和模型安裝照片。

圖2 P80 飛機副翼嗡鳴風洞試驗[12]Fig. 2 Buzz wind tunnel test of the P80 aileron[12]

圖3 NASP 機翼嗡鳴風洞試驗[13]Fig. 3 Buzz wind tunnel test of the NASP wing[13]

1994 年前后，洛克希德公司在加利福尼亞州的4 ft × 4 ft （約1.22m × 1.22m）三聲速風洞中開展了F/A-22 戰斗機垂尾的顫振風洞試驗，如圖4 所示，方向舵在Ma= 1.41 時出現了典型的嗡鳴現象并導致方向舵損壞[8]。

圖4 F/A-22 垂尾嗡鳴風洞試驗[8]Fig. 4 Buzz wind tunnel test of the F/A-22 rudder[8]

2012 年，日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）在2 m × 2 m 跨聲速風洞采用半模型開展了下一代超聲速客機在Ma= 0.9～1.15 范圍內的副翼嗡鳴驗證試驗。圖5 給出了模型在風洞內的安裝照片，試驗結果表明副翼有發生“C”型嗡鳴的可能性[14]。

圖5 超聲速客機副翼嗡鳴試驗[14]Fig. 5 Buzz wind tunnel test of the SST aileron[14]

除了典型的型號風洞試驗研究外，美國、英國、日本等國家的科研人員為研究操縱面嗡鳴的發生機理，還開展了大量的翼型風洞試驗，甚至采用飛機搭載或火箭助推的方法進行了飛行試驗[15-18]。

國內操縱面嗡鳴相關研究起步較晚，且主要集中在數值仿真方面。20 世紀90 年代末劉千剛、代捷等[19-20]針對操縱面嗡鳴問題進行了數值研究，并與飛行試驗結果進行了對比。21 世紀初楊國偉、史愛明、張偉偉等[7,21-23]針對跨聲速嗡鳴的數值模擬方法及嗡鳴抑制方法開展了系列研究。近年來張偉偉、許軍、賀順、高傳強等[1,24-30]針對嗡鳴的誘發機理、飛翼布局無人機嗡鳴特性、操縱面間隙非線性影響等問題進行了大量研究。

國內操縱面嗡鳴風洞試驗相關文獻較少且均是較早期做的試驗。通過查找歷史檔案，發現中國空氣動力研究與發展中心的申超峰、陳忠實等在20 世紀70 年代開展過嗡鳴風洞試驗相關研究，且在FL-21 風洞（0.6 m×0.6 m 跨超聲速風洞）完成了兩型飛機方向舵的嗡鳴試驗[31-32]。不過受風洞尺寸、采集設備、模型設計加工能力的限制，當時的嗡鳴風洞試驗技術還處于初級探索階段。

鑒于現代新型飛行器研制過程中對操縱面嗡鳴風洞試驗的迫切需求，得益于國內2 m 量級高速風洞及氣動彈性風洞試驗技術的快速發展，近年來作者所在團隊在FL-26 風洞（2.4 m×2.4 m 跨聲速風洞）初步建立了工程實用的操縱面嗡鳴風洞試驗技術，完成了多個型號的操縱面嗡鳴試驗，并開展了系列研究工作。

2 操縱面嗡鳴的發生機理

伴隨著飛行器的發展，國內外科研人員對操縱面嗡鳴的發生機理及觸發條件開展了大量的研究工作，總結下來主要有以下觀點：

1）操縱面嗡鳴的發生與來流馬赫數及翼面上激波的運動密切相關，翼面上激波運動與操縱面振動之間的相位差是嗡鳴發生的主要原因[4,12,16-17]；

2）激波并非操縱面嗡鳴發生的必要條件，流動分離才是嗡鳴發生的主要原因[3,15]；

3）操縱面嗡鳴不僅與來流馬赫數有關，還與迎角及來流速壓有關[13,17]；

4）操縱面嗡鳴本質上是一種單自由度非線性顫振[27-28]；

5）操縱面嗡鳴的發生是操縱面結構模態和最不穩定流動模態間的耦合導致的[1,29-30]。

在上述觀點中，“激波說”是被廣泛認可的。不過受當時試驗條件及理論基礎的限制，以上不同論述可能存在一定的局限性，也可能是同一種物理內涵的不同呈現方式，尚需開展進一步研究以期達成統一意見。其中，英國國家物理實驗室科學家Lambourne 于1964 年結合前人研究成果及翼型風洞試驗數據，發表了一篇對操縱面嗡鳴研究至今仍有深遠影響的文章。他根據操縱面嗡鳴發生時馬赫數和激波與操縱面的相對位置，將嗡鳴分為A、B、C 三種類型[17]，具體如圖6 所示。A、B 型嗡鳴主要發生在跨聲速范圍，區別在于A 型嗡鳴激波位于操縱面鉸鏈前，B 型嗡鳴激波強于A 型，且已位于操縱面上。C 型嗡鳴主要發生在低超聲速，激波已移動至操縱面后緣。Lambourne對操縱面嗡鳴的分類及嗡鳴抑制措施的建議在現代飛機設計中依舊具有重要意義。

圖6 操縱面嗡鳴分類[17]Fig. 6 Classification of the control surface buzz[17]

通過對嗡鳴發生機理和觸發條件的梳理，可以為開展操縱面嗡鳴風洞試驗提供依據，為操縱面嗡鳴抑制提供參考；同時嗡鳴風洞試驗的結果也可以不斷驗證和發展現有的理論。

3 操縱面嗡鳴風洞試驗

3.1 操縱面嗡鳴風洞試驗目的

操縱面嗡鳴風洞試驗的主要目的是研究操縱面嗡鳴的發生機理，驗證飛行器防嗡鳴設計效果，研究操縱面的嗡鳴特性、影響因素和抑制手段[2]。

1）研究操縱面嗡鳴的發生機理。通過風洞試驗開展機理研究，推動理論和學科發展，從根本上指導飛行器防嗡鳴設計、數值方法及試驗技術改進、操縱面嗡鳴抑制等工作。

2）研究飛行器操縱面的嗡鳴特性。通過風洞試驗驗證飛行器操縱面的防嗡鳴設計。如果存在嗡鳴問題，則需要研究操縱面嗡鳴發生的馬赫數、迎角、速壓范圍，定位激波位置，判斷嗡鳴類型，研究關鍵影響因素對嗡鳴特性的影響，為飛行器試飛提供依據。

3）研究飛行器操縱面嗡鳴的抑制方法。對于試驗或試飛過程中出現操縱面嗡鳴的飛行器，可以通過風洞試驗研究改變氣動外形、操縱剛度、操縱系統阻尼等手段對操縱面嗡鳴的抑制效果，為飛行器改型提供技術支撐。

3.2 操縱面嗡鳴試驗風洞

操縱面嗡鳴的發生跟激波與操縱面的相對位置有密切關系，而試驗模型的氣動外形和試驗雷諾數能夠顯著影響激波的位置和強度。因此，在操縱面嗡鳴風洞試驗中要盡可能精確地模擬飛行器的外形及試驗雷諾數。

風洞的尺寸越大，試驗模型就可以做得越大，飛行器的細節就可以模擬得更精確，這是顯而易見的。通常情況下，風洞試驗雷諾數要低于飛行雷諾數。根據式（1）可知，為了使嗡鳴試驗雷諾數盡可能接近飛行雷諾數，可以通過增加模型尺寸、降低來流介質總溫、提高來流總壓來有效提高試驗雷諾數。

此外，操縱面嗡鳴不僅對來流馬赫數較為敏感，而且與模型迎角及來流速壓也有關。這就需要風洞對試驗馬赫數有較高的控制精度，且能實現模型迎角及速壓的變化。綜合上述需求，建議盡量在2 m 量級及以上低溫增壓風洞開展操縱面嗡鳴試驗。

中國空氣動力研究與發展中心的FL-26 風洞是試驗段橫截面為2.4 m×2.4 m 的半回流、暫沖引射式跨聲速風洞。試驗馬赫數范圍為0.3～1.4（如圖7 所示），控制精度為0.002～0.003，達到國軍標先進指標。該風洞可以進行變速壓試驗，速壓可達到正常值的2～3 倍，實現不同試驗雷諾數的模擬[33]。FL-26風洞能滿足除低溫外的所有需求，是目前國內最適合開展操縱面嗡鳴試驗的風洞。

圖7 FL-26 風洞速壓范圍[33]Fig. 7 Dynamic pressure range of the FL-26 wind tunnel[33]

3.3 操縱面嗡鳴試驗模型

操縱面嗡鳴試驗模型同屬氣動彈性模型，相似參數同顫振試驗模型，同樣包含長度比例尺kL、速壓比例尺kq和密度比例尺kρ三個基本比例尺。因此在模型的設計上可以參考顫振試驗模型，甚至可以直接使用顫振模型，或將顫振模型改造為嗡鳴試驗模型。

操縱面嗡鳴與結構模態相互耦合的經典顫振有所區別，前者主要受操縱面旋轉模態的影響，與飛行器其余模態關系不大，因此嗡鳴模型的設計要比顫振模型簡單。圖8 給出了嗡鳴試驗模型的設計流程，以下進行簡要介紹。

圖8 操縱面嗡鳴試驗模型設計流程Fig. 8 Flow chart of the model design of the buzz wind tunnel test

3.3.1 模型尺寸

同提高外形模擬精度及試驗雷諾數對模型的要求一樣，嗡鳴試驗模型的動力學特性模擬同樣要求模型的尺寸越大越好。嗡鳴試驗模型尺寸越大，動力學相似操縱面的模擬精度越高，模型的設計加工難度也相應降低。在試驗對象及風洞尺寸確定的前提下，考慮到風洞堵塞度及翼面寬度的要求，長度比例尺kL基本上是確定的。為了提高長度比例尺，通常采用半模型或者部件模型開展嗡鳴試驗。

3.3.2 氣動外形

為了精確模擬翼面上激波的位置及強度，嗡鳴試驗模型安定面及操縱面的氣動外形要與原型嚴格相似；此外還要注意安定面與操縱面之間縫隙的模擬，避免竄流影響翼面激波位置。半模型或者部件模型的整流部分要經過詳細設計，保證來流與全機模型基本一致。

3.3.3 動力學特性

嗡鳴的發生與操縱面的旋轉模態密切相關，與飛行器其余模態關系不大。因此嗡鳴模型的安定面可以設計成剛模，操縱面則只需要模擬操縱剛度及質量/慣量分布。

其中，頻率比例尺是操縱剛度設計的依據，質量/慣量比例尺是操縱面設計的依據。由于不需要模擬安定面的動力學特性及操縱面的剛度特性，嗡鳴模型可選取的材料庫相對顫振模型來說要豐富得多，且實現難度大大降低。例如20 世紀70 年代中國空氣動力研究與發展中心開展的垂尾嗡鳴風洞試驗，試驗模型垂尾安定面采用剛模，方向舵則用輕質核桃木、膠合板等材料模擬，安定面和方向舵之間采用不同厚度的彈簧片模擬不同的操縱剛度[32]。

顫振試驗模型不但滿足嗡鳴模型所有的相似參數，還滿足剛度相似，因此采用顫振模型開展嗡鳴試驗是可行的。事實上，出于研制成本、進度考慮，或顫振試驗中出現了預期外的嗡鳴問題，型號設計部門往往采用顫振模型或者改造顫振模型來進行操縱面嗡鳴試驗，例如NASP 系列機翼嗡鳴試驗的基準模型就是由顫振試驗模型改造而來[13]。

得益于高速風洞顫振試驗技術及材料科學的快速發展，近年來國內氣動彈性模型設計加工能力有了長足的進步，形成了較為完善的設計體系及材料庫[34-37]，為操縱面嗡鳴試驗模型的設計、加工提供了強有力的支撐和有益的參考。圖9 給出了某平尾全復材顫振試驗模型加工過程。

圖9 某飛機平尾顫振模型[35]Fig. 9 Flutter model of the horizontal tail of an aircraft[35]

3.4 操縱面嗡鳴風洞試驗方法

操縱面嗡鳴風洞試驗的試驗流程、信號采集、關車觸發條件與顫振風洞試驗基本類似，但流場控制方式有所不同，且暫時沒有可靠的亞臨界預測方法，一般采用直吹的方式。

試驗流程上，嗡鳴試驗前，同樣要先開展地面振動試驗來確定操縱面的動力學特性是否符合設計要求。試驗中每個試驗車次結束后，需采用敲擊的方式檢查模型頻率來確認模型狀態。

信號采集上，在操縱面遠離轉軸位置安裝加速度傳感器，在模擬操縱剛度的彈簧片或者轉軸上粘貼應變片，試驗過程中采用動態采集設備實時測量上述傳感器的振動響應信號。

關車觸發條件上，由于沒有可靠的亞臨界預測方法，直吹嗡鳴可能導致試驗模型或風洞設備受損，此時快速觸發風洞關車尤為重要。同顫振試驗類似，可以采用計算機實時監測單位時間內超過設定振幅的波形個數來程控關車。

流場控制上，總體上把握“粗吹、細吹”相結合的方式。先采用定總壓定迎角階梯變馬赫數的開車方式進行粗吹，建議馬赫數跨度0.05 為一個階梯，獲得操縱面嗡鳴發生的大致馬赫數范圍；再采用定馬赫數定迎角階梯變速壓的開車方式或者定馬赫數定速壓變迎角的開車方式進行細吹，此時馬赫數跨度0.01 較為合適，進而獲得操縱面嗡鳴發生的精確馬赫數、速壓、迎角范圍。

4 顫振試驗中操縱面嗡鳴的判別

對于僅模擬操縱面動力學特性、安定面使用剛模的嗡鳴模型，或者由顫振模型改造而來的嗡鳴模型，操縱面是否出現嗡鳴是顯而易見的。但采用顫振模型開展嗡鳴試驗時或者顫振試驗中出現嗡鳴問題時，如何對試驗結果進行判別？例如F/A-22 戰斗機在NTS 風洞開展顫振試驗時出現的方向舵嗡鳴問題[8]，S3 反潛機在TDT 風洞開展顫振試驗時出現的副翼嗡鳴問題等[38]。近年來作者單位在含操縱面部件顫振試驗過程中曾多次遇到確認或者疑似操縱面嗡鳴問題，耗費了大量精力進行排查。

操縱面嗡鳴對試驗馬赫數較為敏感，顫振對試驗速壓更為敏感，但在暫沖式跨聲速風洞中僅通過以上特性對二者進行辨識是難以奏效的。因為顫振邊界跨聲速凹坑的存在或模型顫振速壓接近風洞速壓下邊界時，在某個馬赫數，操縱面嗡鳴和顫振很可能呈現相似現象：均表現為流場初步建立模型便出現等幅或發散振動，觸發風洞關車，無法繼續增壓或者開展后續馬赫數試驗。同時二者的振動形式非常相似，難以通過傳感器的響應信號進行辨識。最直觀有效的辨識方法就是將顫振模型的安定面替換為剛模，但這需要付出額外的時間及經費，耽誤型號研制進度。以下結合作者經驗，主要針對試驗現場對操縱面嗡鳴和顫振的判別方法進行介紹。

4.1 流動顯示判別方法

陰影儀/紋影儀是風洞流場觀測最常用的流動顯示設備，通常被用來確定激波的形狀和位置，顯示湍流和邊界層特性[39]。顫振/嗡鳴試驗時，利用陰影/紋影設備觀察操縱面發散時有無激波震蕩，以及激波與操縱面的相對位置，來判斷是否發生嗡鳴及嗡鳴的類型。在P80 飛機及系列二元翼型嗡鳴試驗中，均采用紋影設備記錄激波的位置。

不過無論是傳統的陰影/紋影設備，或近年新發展的背景紋影技術，均只能獲得激波在翼面弦向或展向的投影，無法對激波的形態進行精確刻畫，更無法獲得激波的空間分布情況。即便如此，陰影/紋影的結果也為嗡鳴的判別提供重要參考。通過陰影/紋影確定操縱面出現嗡鳴的情況下，還可以通過油流試驗獲得激波沿翼面展向的分布情況。

快速響應PSP 技術作為近年迅猛發展的流動顯示技術，在動態流場的測量方面有著良好的應用前景[40]。顫振/嗡鳴試驗時，可以在模型表面噴涂快速響應壓敏涂料，其響應時間可以達到毫秒甚至微秒量級，再通過高速攝影及圖像處理的方法獲得翼面上激波的位置分布及動態變化信息。法國ONERA 的MC.Merienne 等[41]在S2MA 跨聲速風洞采用快速響應PSP 技術研究了某民機的抖振特性并定位激波位置，圖10 給出了典型的試驗結果。

圖10 PSP 技術應用于抖振試驗[41]Fig. 10 Application of the PSP technique in the buffeting test[41]

與陰影/紋影技術相比，快響PSP 技術可以實現翼面全區域測量，顯示出激波在翼面上的分布及變化情況，不過試驗成本相對高昂。

上述流動顯示方法并非十全十美，各有各的局限，但若條件具備，無論采用何種形式的流動顯示手段都對操縱面嗡鳴判別具有重要意義，記錄的激波位置也能為操縱面嗡鳴抑制提供重要參考。

4.2 模態耦合判別方法

經典顫振是由結構模態之間的相互耦合產生的，而操縱面嗡鳴的發生與安定面的動力學特性無關。因此可以根據經典顫振與嗡鳴發生機理的不同，采用排除法進行判別，這也是試驗現場最常用的判別手段。

與操縱面嗡鳴容易混淆的通常是安定面的一彎模態與操縱面的旋轉模態耦合發生的顫振，因此可以通過改變顫振模型安定面動力學特性來進行判別。把安定面替換為剛模也是改變安定面動力學特性的極端情況；此外還可以采取安定面翼尖增加配重、改變安定面彎曲剛度、約束安定面翼尖振動等方法改變安定面的動力學特性。如果操縱面出現等幅振動，且流場參數無明顯變化，則發生操縱面嗡鳴的可能性較大；反之則是顫振。

此外，操縱面等幅振動的速壓隨馬赫數的變化趨勢也可以做為判別操縱面嗡鳴與顫振的輔助手段，但這需要對模型的顫振特性有較深刻的理解。

5 結束語

操縱面嗡鳴風洞試驗可以利用風洞再現嗡鳴現象，研究嗡鳴特性，是飛行器研制階段檢驗操縱面防嗡鳴設計最行之有效的手段。國內外主要航空強國均已建立工程實用的操縱面嗡鳴風洞試驗技術，尤其是近年來氣動彈性風洞試驗技術的迅猛發展，推動了操縱面嗡鳴風洞試驗在各方面均取得長足進步，但依舊存在以下典型共性問題：

1）近年來國內外的操縱面嗡鳴風洞試驗主要針對型號研制過程中的具體工程問題，很少深入開展機理性的研究工作。操縱面嗡鳴的發生機理和觸發條件主要依靠數值模擬開展相關研究，缺乏風洞試驗結果進行驗證，以致于現有觀點依然存在分歧，尚未形成統一意見。

2）大型生產型跨聲速風洞受空間限制，很少配備光路復雜的紋影/陰影設備，即使近年來快速發展的背景紋影技術，也僅能獲得激波沿翼面弦向或展向的投影，無法直接觀察到激波在翼面上的運動情況，難以對操縱面嗡鳴進行判別和分型。

鑒于國內外操縱面嗡鳴風洞試驗技術存在的共性問題，為更好地推動學科發展，服務于型號研制，國內相關院所還需在以下幾個方面共同努力：

1）型號設計部門在型號研制過程中鮮有規劃操縱面嗡鳴風洞試驗，往往在試驗或試飛過程中出現操縱面嗡鳴問題才開展試驗研究，很可能耽誤型號研制進度。建議依托含操縱面的部件顫振試驗，改造或更換安定面模型，同步開展操縱面嗡鳴試驗研究。有限的車次就可能獲得有益的結果。

2）結合數值仿真與風洞試驗，推動操縱面嗡鳴發生機理及抑制方法的研究，為型號設計建立工程實用的防嗡鳴設計準則，為嗡鳴抑制提供切實可行的手段方法。

3）建立健全大型生產型風洞的非接觸測量手段，例如空間紋影技術、快速響應PSP 技術等，為操縱面嗡鳴的鑒別、分型提供直觀依據。