引言
隨著航空技術的不斷進步，新一代飛機的設計越來越注重提高空氣動力性能、燃油經濟性以及降低噪音和排放。在這一背景下，自適應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）合作開發了一種創新的自適應、智能漸變桁條或前緣結構，旨在通過智能控制實現機翼性能的優化。本文將詳細介紹這一項目的技術背景、實驗設計、測試方法及其結果，特別是激光多普勒測振技術在風洞測試中的應用與優勢。
技術背景與項目概述
該項目旨在通過自適應控制概念，提升飛機在飛行過程中尤其是著陸時的綜合性能。核心在于設計一種可直接連接到機翼盒段上的自適應、智能漸變桁條或前緣結構。如圖1所示，該結構包括智能板和運動控制機構，通過有限元模型進行初步設計和分析。
圖1帶有智能板和運動控制機構的被測結構的有限元模型
為了實現這一目標，項目團隊創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中心的大型低速風洞（TsAGI 101）中進行了測試（圖2）。三段自適應桁條由增強型玻璃纖維塑料制成的彈性增強蒙皮構成，這種材料的選擇旨在提供足夠的強度和靈活性，以適應動態飛行條件的變化。
圖2風洞內的機翼模型(1 -自適應桁條、2 -沉箱、3 -襟翼、4 –翼翅、5 –導流罩、6 -氣動支撐、7 -氣動失速刻度)
風洞測試與動力學特性分析
風洞測試是評估機翼性能的關鍵環節，它不僅需要確保測試過程的安全性，還必須準確獲取模型的動力學特性和靜態剛度參數。為此，項目團隊設計了一套復雜的風洞天平模型測試方案，并確定了多項關鍵參數。
在測試過程中，模型兩側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。這一設置確保了模型在風洞中的穩定性和可控性，為后續的動態參數測量提供了可靠的基礎。
圖3. 模型頻率實驗的彈性支承系統
動態參數測量方法
為了確定樣機的主要動態參數，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：
設備：使用普羅德拉公司的EX220SC電動激振器對結構進行激勵，結合LMS SCADAS III / Stepped Sine LMS軟件和PCB 333V32接觸式傳感器來記錄結構的動態特性。
原理：通過電動激振器幾何接觸式傳感器對結構施加振動，利用標準步進正弦信號進行測試，從而獲取結構的振動響應。
優勢：直接接觸測量，信號穩定，但操作復雜，需要較多人力和時間。
非接觸式方法：
設備：采用掃描式激光測振儀（現已升級至系統，具有更佳的光學靈敏度和測量精度），結合PCB 086E80沖擊力錘敲擊結構的金屬部件或加強筋，激發結構振動。
原理：利用激光多普勒效應測量振動，通過沖擊力錘提供脈沖激勵，無需直接接觸結構，即可實現高精度的振動測量。
優勢：非接觸測量，避免了對結構的干擾，測量精度高，操作簡便，節省人力和時間。
實驗結果與對比分析
通過對兩種測試方法獲得的數據進行對比分析，項目團隊得出了以下結論：
自然模態對比：
圖4仿真和試驗獲取的結構模態振型的比較
效率與成本對比：
激光多普勒測振技術的優勢
通過本次實驗，激光多普勒測振技術展現出了顯著的技術和經濟優勢：
高精度測量：激光多普勒測振技術利用光學原理進行非接觸測量，避免了傳統接觸式傳感器對結構的干擾，提高了測量精度。
操作簡便：非接觸式測量方法無需復雜的安裝和調試過程，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適用于各種復雜結構和材料，特別是在高溫、高壓等極端環境下，具有更強的適應性和可靠性。
數據可視化：通過激光掃描和數據處理軟件，可以實時顯示和記錄結構的振動情況，為后續的分析和優化提供了直觀的數據支持。
結論與展望
本文詳細介紹了自適應機翼增升裝置的創新研究項目，重點分析了激光多普勒測振技術在風洞測試中的應用與優勢。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在提高測試精度、降低成本和提高效率方面的顯著優勢。
未來，隨著航空技術的不斷發展，自適應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作為一種先進的測試方法，將在機翼設計、優化和驗證過程中發揮越來越重要的作用。同時，結合有限元分析和風洞測試，可以進一步提高機翼設計的準確性和可靠性，為新一代飛機的研發提供有力的技術支持。