航空飞行器在飞行过程中的一大“顽疾”：颤振问题
颤振是弹性体在气流中发生的不稳定振动现象，它是气动弹性力学中最重要的问题之一。弹性结构在均匀气流中由于受到气动力、弹性力和惯性力的耦合作用而发生的振幅不衰减的自激振动。飞行器、高层建筑和桥梁等结构都可能发生颤振。颤振常导致灾难性的结构破坏。1940年美国的塔科马海峡桥因颤振而倒塌就是一个例子。颤振问题在飞行器中尤为突出。
随着航空技术的发展，颤振分析越来越显示出重要性。早期的飞机设计基本上是按强度准则确定结构，并未考虑到颤振。第一次世界大战初期，Handley Page轰炸机因颤振事故而坠毁事件促使英国的F·W·兰彻斯特等人开始研究气动弹性颤振问题。颤振研究的进展一直取决于非定常气动力理论的发展。
上世纪20年代末，H·G·屈斯纳等人虽已建立了机翼颤振理论，但直到美国的T·西奥多森于1934年得出有舵面的谐和振动折线翼型非定常空气动力问题的精确解以后，才有了求解机翼颤振的解析方法。飞行器在超声速飞行时，颤振问题就更突出。因此，现代飞机从设计一开始就考虑颤振影响，而不是在设计完成后再以颤振标准进行检验。大型电子计算机出现后，人们可通过计算和风洞实验进行颤振分析。
自1916年发现当飞机达到一定速度后飞机机翼、尾翼和操纵面会产生颤振以来，迄今还未能从设计角度完全预测和排除。据报道，1997年9月，美国一架F-117A“夜鹰”隐形战斗机发生了机翼颤振，使一个机翼的大部分脱落，导致灾难性事故。由于飞机机翼颤振的机理复杂，目前还只能在飞机设计的最后阶段进行颤振特性分析，力求通过少量的结构和气动特性改进，加上合理的主动控制技术来抑制或延迟发生颤振。通过合理设计和优良的主动控制技术，既可提供飞行可靠性，还可减轻飞机结构重量。
X系列：美国防部为应对新兴威胁而持续探索的验证项目
为了探索航空航天众多的未知领域，自上世纪40-50年代，美国人就开始了X系列试验飞行器的研究工作。其中，X-1验证机为首架在平飞时突破声障的试验机。此后，X-3、X-4、X-5 等一大批试验飞行器相继飞上了蓝天。
除飞机外，X系列验证机计划还试验了美国空军的试验性超燃冲压高超声速导弹。但X系列验证机的活动都是处于项目的早期阶段，用于试验航空工程领域的技术进步，而非部署作战平台，但相比而言，后者似乎更有影响力。然而，40年代、50年代和60年代研制的X系列试验机虽没有变成实际的能力，但在此过程中，却成就了美国航空航天工业在世界的领先地位。
去年6月6日，美国防部负责研究与工程的助理国防部长阿兰·夏弗于在美国国防工业协会主办的早餐会上指出，“尽管即将出现财政紧缩，但工程师和科学家需要继续开展科技研究工作，必须始终保持稳定的资金流用于技术开发，否则美国可能会存在面临新技术挑战时措手不及的风险。当然，技术得到验证后未必需要部署。我们需要持续开发技术验证机，但是否部署它们是另外的问题。”
夏弗说，军方必须继续投资科学和工程工作，即使以牺牲采购项目为代价。为削弱新兴的和已有的威胁，需要具有持续创新和验证机开发能力，另外科学实验还能主宰现有和未来平台的经济可承受性。夏弗认为值得下大力气研究的新技术领域是自主性、大数据和人类系统。夏弗宣布支持像联合能力技术验证（JCTD）之类的技术开发计划，这些计划寻求满足作战司令官的需求。JCTD与各军种合作，投资验证有可能几乎马上就能转化成采办项目或直接部署的验证机。
该计划起初产生了一些有影响力的技术，诸如全球鹰和捕食者无人机。但随后这些计划转为投资12-24个月长的小项目，结果之后就没有产生类似的能力飞跃。夏弗已指示国防部负责快速部署的助理国防部长帮办厄尔·怀亚特将JCTD的一半资金投入到大型验证机上。夏弗说，今年我们没有足够的资金启动新的项目，我将其视为一种重铸该计划的机会。我们将在2014财年启动更大的项目。我们将继续致力于支持作战司令官，此外我们也在寻求其他主意，寻求工业界与作战司令官协调后产生的最佳办法。
被赋予“多用途技术试验平台”任务的X-56A试验飞行器
X-56A被授予“多用途技术试验平台”（Multi-Utility Technology Testbed，简称MUTT）的称号，它代表了一种未来的飞行器：采用细长、柔性机翼的飞行器，而这在目前看来是不可思议的。虽然尺寸相对较小，且没有缩放到真实的高空长航时无人机或者更大的远程运输机的大小，但X-56A仍能展示相同的气弹现象。
尽管以目前的水平，这样一个柔性机翼飞行器几乎在它的首飞中势必会发生事故，但研究人员还是开发了一些工具和方法来帮助它安全飞行。X-56A的控制系统不仅能够预测和感知颤振发生的起点，也能够主动地偏转舵面抑制颤振的发展。X-56A相比于有人驾驶的X系列验证机是更加经济的，它采用远程遥控飞行，因为颤振试验是非常危险的，尤其是对于这样的柔性机翼。由于机体很可能在试验中损坏，X-56A从一开始就被设计为可拆卸机翼和机身。这个无人机系统是由洛马公司、美国空军研究试验室和NASA共同开发的，在洛马公司完成飞行试验后该机将会移交给NASA。X-56A无人机系统共包括2个机身、一套刚性机翼、3套柔性机翼，整个系统还包括轻便的地面控制站，它具有模拟和系统集成试验室能力。
X-56A验证机重约218千克，在机身尾部上方安装了两台36千克推力的JetCat P400喷气式发动机，每个发动机前的机身里各安装了一个油箱，油箱两侧安装了类似西锐SR22通用飞机采用的整机降落伞。降落伞和油箱被封装在中心翼盒结构中，该翼盒由前后梁和机身侧面对接结构组成。前梁前方的前机身包括一个航电设备舱，并支持机头安装的大气数据探针。每副机翼都有翼梢小翼、4个升降副翼，中心体后部还有襟翼。作动器安装在临近每个舵面的干燥的舱内，机翼内的其它空间安装有水压载舱，用于稳定性调节。三个外翼水压载舱每个可装水12磅，最大的位于翼根的水压载舱可装水61磅。3个柔性机翼被设计为完全一样的，但所采用的树脂并不像最初设想的那样柔软。机翼被设计成两层玻璃纤维结构，两层的方向为0/90度。
NASA固定翼项目副经理Gary Martin说，“这样做的目的是为了使机翼在扭转方面足够柔性，以使得在飞行包线范围内发生弯扭耦合模式的颤振。”但对于0/90度铺层方向，树脂基的力学特性对于玻璃纤维层合板来说起决定性作用。因此，现在预计机翼弯扭耦合模式的颤振将在飞行包线之外发生。机身被横向切为两段，在机身尾部中心线上安装有可装载第三台发动机或者垂尾的连接点。这是为了方便NASA对X-56A的布局修改而做的准备，后面可以安装垂尾和平尾或者安装小型、更大掠角的机翼和支柱变成连接翼布局以进行更多的试验。
X-56A飞行试验：从刚性机翼向柔性机翼飞跃的必要途径
在2013年7月26日至9月20日之间，洛马共进行了8次刚性机翼的试飞，完成了气动性能、控制系统、飞行性能和操纵品质试验。试验数据指导了未来柔性机翼控制律的开发，同时也帮助改进柔性机翼的定义模型。洛马公司高级技术人员、X-56项目技术经理Edward Burnett说：“只有进行X-56A的飞行试验才能真正试验非定常气动力。”
Bosworth表示，真正的关键是建立正确的模型。从洛马公司的飞机结构有限元模型开始，研究人员开发了一个非线性N自由度模型来预测X-56A的复杂的气动伺服弹性，最终开发了采用线性的、降阶的N自由度模型的自适应控制系统来避免颤振。Burnett说：“借助于X-56A项目的推动，控制系统得到了一定的发展。但是这样的方式并不直接，控制系统发展的速度并不快。”
Burnett称：“NASA已经接近他们的时间表，所以我们决定当我们将工程资源投入到第二架X-56A上时，我们应该让控制律和颤振工程师持续考虑这些问题。”第一架X-56A被称为Fido，目前已经安装上柔性机翼，第二架备份X-56A，原本计划作为意外发生时的备份，但现在已经安装上刚性机翼，正在进行交付NASA前的检查。
Burnett说：“NASA目前正在模拟器上试验他们的控制律并熟悉这一系统。洛马给NASA提供了精确的数据，所以NASA清楚地了解他们需要关注什么。”据Burnett表示，洛马还给NASA提供了刚性机翼的控制律。但是Burnett强调：“洛马提供的只是作为一个目标模型，并没有完全揭示其中的细节。”因此，NASA和洛马各自开发的控制律可以进行对比。（窦豆/谢武）
