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      蜻蜓是個導彈設計師

      2021-11-18 17:51:32新聞資訊207

      人類在跑步過程中,身體的各部分需要相互協調——大腦負責下達跑步命令,腳與地面摩擦提供動力,雙手則用來保持身體的平衡。導彈飛行也一樣,在飛向預定目標的過程中,也需要多個系統的協調:控制系統是導彈的“大腦”,他負責為導彈飛行提供方向;發動機是導彈的“腳”,他為導彈飛行提供源源不斷的動力;而導彈的“手”,則是分布在彈體四周的舵面,他們的主要作用是保持導彈飛行姿態的穩定。然而在某些飛行時刻,導彈的“手”們卻會不由自主的翩翩起舞。這些不受控制的動作不僅擾亂了“大腦”的控制,還造成了“腳”的失靈,最終導致導彈空中解體或者墜毀。那么這些突如其來的動作到底是什么?這些動作背后的“指令”又來自哪里呢?

      蜻蜓

      上述情景并非人類的臆想,而是導彈飛行過程中的真實畫面。在分析導彈飛行數據的過程中,工程師們發現在某些飛行時刻,導彈的舵面會發生異常的振動現象,隨著振動頻率的增加,舵面的振動幅度也大幅上升,最后甚至像一頁紙一樣在空氣中上下飛舞。起初,工程師們百思不得其解,但空氣動力學的發展為工程師們提供了思路??諝鈩恿W是研究導彈等飛行器在空氣中飛行受力等問題的一門現代科學,它揭示了導彈飛行背后的物理原理。經過詳細分析與謹慎推理,最終所有證據鏈條都指向同一個幕后者——顫振。

      顫振是指當舵面在氣流中運動并加速到某一臨界速度值時,在結構的彈性力、慣性力和氣動力等耦合作用下出現的一種振幅不衰減的自激振動。從能量角度來看,若飛行過程中氣動力對舵面做正功,且大于舵面因摩擦等耗損的能量,此時能量會在振動過程中逐漸累積,導致振動響應的無限擴大,從而引發失穩,發生顫振。這時候,雖然工程師們對于顫振有了基本的認識,但導彈行過程中的顫振問題仍未得到有效解決。

      此時,蜻蜓的出現令工程師們眼前一亮。蜻蜓是昆蟲王國中的出色飛行家,在飛行過程中,蜻蜓翅膀每秒最高可扇動40~50次,這使得蜻蜓不僅能夠迅速捕捉獵物,還能完成許多導彈無法實現的高難度動作。通過仔細觀察,工程師們發現蜻蜓翅膀的端部前緣有一小塊加厚的角質層,這一小塊角質層稱為翅痣。翅痣對于蜻蜓的平穩飛行有著非常重要的作用,如果將翅痣人為破壞或去除掉,則蜻蜓將失去平穩飛行的能力,飛行會變得搖搖晃晃。

      工程師們從中受到啟發,于是便模仿蜻蜓翅膀,在舵面的前緣末端增加配重,使結構重心位置前移,此時某些導彈的顫振問題果然得以解決。工程師大有相識恨晚之感,感嘆如果能早些采用這一結構就可以避免不必要的損失。

      消除顫振是導彈工程師的最終目標,然而導彈顫振的機理復雜,如果只在導彈設計的最后階段進行顫振分析,導彈設計的效率將大大降低。但隨著現代科技的發展,尤其是大型電子計算機出現后,工程師們可以通過數值計算和風洞實驗進行顫振分析,并利用分析結果指導導彈結構、氣動構型、控制系統等的設計。這樣一來,不僅導彈設計的整體時間大大縮短,而且飛行過程中的故障率也降到了最低。

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