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第47章 在事业的峰峦上(2)

——钱卫访谈(2012年3月)

“我是气动弹性专业的工程师”

管德院士常说:“我不是科学家,我是气动弹性专业的工程师。我不敢谈什么科学理论成就,我的目标是尽力把工程实际中的飞机设计工作做好”。

——李敏、陈伟民《管德院士在压电驱动器气动弹性应用方面的工作与成就》

写下这一段话的是管德带出的一位博士生陈伟民和管德的学术助手李敏。

李敏,1968年出生于湖北省天门市,现任北京航空航天大学航空科学与工程学院教授、副院长,长期从事压电驱动器气动弹性应用方面的研究。

陈伟民(女),1967年出生于江苏省南京市,现任中国科学院力学研究所副研究员,在飞机气动弹性设计、主动控制设计、流固耦合等方面有很深的学术造诣。

他们两个人,事业上是气动弹性专业研究方面的合作伙伴,生活中是一对齐眉举案的恩爱夫妻。

在一篇回忆文章 中,他们将管德在压电驱动气动弹性应用方面的工作划分为两个阶段:从1997年开始,管德带领他的研究生们致力于使用压电驱动器抑制飞行器翼面颤振的工作。

压电驱动器是一种利用逆压电效应,将电能转变为机械能或机械运动的器件。随着压电智能材料与结构的发展,压电驱动器在气动弹性控制领域得到应用并占据了越来越重要的地位。在当时,这个研究方向处于国际前沿,国内没有任何基础。管德不仅与他的团队查阅大量的资料,还亲自调查国内压电材料的生产厂家,与厂家的技术人员讨论材料参数与性能要求,为后续的研究奠定了良好的物质基础。作为一项涉及气动、结构、材料与控制的多学科交叉研究领域,他既重视理论推导的严密性,更对每个环节的试验验证给出具体要求。李敏与陈伟民回忆:

在近两年的模型地面试验过程中,我们测量了压电材料压电常数、压电性能的线性程度与失效范围、结构模型的固有特性,研究了压电驱动器的粘贴工艺参数影响,对比了开环地面传递函数的计算与试验数据,构建了主动控制硬件系统,实现了闭环振动主动控制,最终于2000年在北京航空航天大学的低速风洞中完成了国内第一次使用压电驱动器的单输入-单输出翼面颤振抑制试验,颤振速度的提高指标与国外同类试验相当。在此之后,管德院士又带领我们于2001年完成了多输入-多输出的翼面颤振抑制试验,填补了该研究领域的空白。

——李敏、陈伟民《管德院士在压电驱动器气动弹性应用方面的工作与成就》

从2002年开始,管德在总结前期经验的基础上,提出了利用而不是抵抗气动弹性效应的思路,由此全面转向采用压电驱动器利用气动弹性效应控制翼面气动载荷及分布的第二阶段研究工作。

按照这一思路,通过采用压电智能材料驱动器,可以控制升力、力矩以及它们的分布,在基本相同的智能结构翼面控制系统中,根据不同的控制目标需求,可以达到包括静态的形状控制与动态的颤振抑制、抖振控制与突风响应控制的多种目的。静态控制:例如,改变翼面形状获得附加空气动力以增加升力、提供横滚力矩、改变升力分布以减小诱导阻力或减小翼根弯矩等;动态控制:例如,利用改变翼面形状产生的附加空气动力作为控制载荷,改变气动弹性系统的耦合程度,根据控制效果要求可作为气动阻尼、气动刚度或气动质量。这种控制方法可以减轻结构重量,提高操纵效率,扩大飞行包线,提高材料利用率,已成为可变形飞行器的重要研究内容。

经过5年的艰苦工作,我们完成了增加升力、减小诱导阻力、减小翼根弯矩以及提高横滚效率的理论工作,并在626所的大力支持下完成了国内首次使用压电驱动器控制翼面气动力分布的高速风洞验证试验,试验结果与理论分析数据吻合性非常好,证实了该思想方法的正确性与可行性。之后的5年在此基础上,我们开始研究各向异性压电驱动器的性能与应用,其目的是提高使用压电驱动器控制气动力分布的效率,经过大量方案对比与理论分析,最终选择国际上最先进的压电纤维复合材料驱动器(MFC)作为出发点,在此基础上我们提出了压电驱动器力电比拟计算方法,大幅度降低了计算分析规模,最终在601所协助下完成了各向异性压电驱动器模型的验证试验,大大提高了控制效率。

——李敏、陈伟民《管德院士在压电驱动器气动弹性应用方面的工作与成就》

管德和他的研究团队没有停步,从2011年开始,针对国内频发飞机与导弹由于操纵系统非线性导致的事故,他把研究重点转向结构非线性气动弹性领域,目前正在分析摩擦与间隙参数对全动操纵面系统气动弹性性能的影响。

作为管德的学生和助手,李敏与陈伟民在长期的学习、工作和生活中对管德有深刻的理解。他们写道:

作为新中国航空工业飞机气动弹性设计专业的开创者与领导者,管德院士的工作与研究经历也是新中国飞机设计气动弹性专业发展的历史进程。我们曾整理过管德院士自己撰写的、平铺直叙的参加与领导我国飞机气动弹性设计经历,让我们了解了目前的飞机气动弹性设计工作的设计标准与过程的来历;而且前辈们面对全新的、空白的领域,通过深入研究物理机理并结合大量工程实际计算与试验,掌握问题的来龙去脉与变化发展规律,并直接应用于国家实际飞机型号工程中,他们“科学结合工程”的治学作风与方法是非常值得后来的气动弹性工作者们学习和借鉴的。事实上,由管德院士编写或主编的《非定常空气动力计算》《气动弹性试验》与《飞机气动弹性力学手册》,仍然是当前中国飞机设计单位气动弹性设计人员的首选参考资料,同时也是近半个世纪以来中国飞机设计气动弹性专业的经验总结。

管德院士除了完成大量艰巨的国家指令性任务外,还一直致力于跟踪先进国家在飞行器气动弹性设计方面的研究工作,尤其在非定常气动力计算、结构非线性影响、复合材料气动弹性剪裁、智能结构压电驱动器气动弹性应用等方面均做出了开创性的工作,而且其研究对象均有明确的工程应用背景。

……在研究与设计工作中,“自以为非”是管德院士对自己工作经验的总结——从不同的思路不断诘难自己的结论,保证设计工作的正确性与准确性是管德院士工作作风的真实反映,同时也是他对设计人员与学生的基本要求。

作为体现国家基础工业水平的航空工业,我国与发达国家在飞机设计方面还有较大的差距是不争的事实,但差距大与条件差从来不是借口。正是成千上万普通科技工作者持续努力的工作,才有了中国当前航空工业的成就,管德院士是他们的杰出代表,他们是中国航空工业的脊梁。

——李敏、陈伟民《管德院士在压电驱动器气动弹性应用方面的工作与成就》

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