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蜻蜓是个导弹设计师

人类在跑步过程中,身体的各部分需要相互协调——大脑负责下达跑步命令,脚与地面摩擦提供动力,双手则用来保持身体的平衡。导弹飞行也一样,在飞向预定目标的过程中,也需要多个系统的协调:控制系统是导弹的“大脑”,他负责为导弹飞行提供方向;发动机是导弹的“脚”,他为导弹飞行提供源源不断的动力;而导弹的“手”,则是分布在弹体四周的舵面,他们的主要作用是保持导弹飞行姿态的稳定。然而在某些飞行时刻,导弹的“手”们却会不由自主的翩翩起舞。这些不受控制的动作不仅扰乱了“大脑”的控制,还造成了“脚”的失灵,最终导致导弹空中解体或者坠毁。那么这些突如其来的动作到底是什么?这些动作背后的“指令”又来自哪里呢?

上述情景并非人类的臆想,而是导弹飞行过程中的真实画面。在分析导弹飞行数据的过程中,工程师们发现在某些飞行时刻,导弹的舵面会发生异常的振动现象,随着振动频率的增加,舵面的振动幅度也大幅上升,最后甚至像一页纸一样在空气中上下飞舞。起初,工程师们百思不得其解,但空气动力学的发展为工程师们提供了思路。空气动力学是研究导弹等飞行器在空气中飞行受力等问题的一门现代科学,它揭示了导弹飞行背后的物理原理。经过详细分析与谨慎推理,最终所有证据链条都指向同一个幕后者——颤振。

颤振是指当舵面在气流中运动并加速到某一临界速度值时,在结构的弹性力、惯性力和气动力等耦合作用下出现的一种振幅不衰减的自激振动。从能量角度来看,若飞行过程中气动力对舵面做正功,且大于舵面因摩擦等耗损的能量,此时能量会在振动过程中逐渐累积,导致振动响应的无限扩大,从而引发失稳,发生颤振。这时候,虽然工程师们对于颤振有了基本的认识,但导弹行过程中的颤振问题仍未得到有效解决。

此时,蜻蜓的出现令工程师们眼前一亮。蜻蜓是昆虫王国中的出色飞行家,在飞行过程中,蜻蜓翅膀每秒最高可扇动40~50次,这使得蜻蜓不仅能够迅速捕捉猎物,还能完成许多导弹无法实现的高难度动作。通过仔细观察,工程师们发现蜻蜓翅膀的端部前缘有一小块加厚的角质层,这一小块角质层称为翅痣。翅痣对于蜻蜓的平稳飞行有着非常重要的作用,如果将翅痣人为破坏或去除掉,则蜻蜓将失去平稳飞行的能力,飞行会变得摇摇晃晃。

工程师们从中受到启发,于是便模仿蜻蜓翅膀,在舵面的前缘末端增加配重,使结构重心位置前移,此时某些导弹的颤振问题果然得以解决。工程师大有相识恨晚之感,感叹如果能早些采用这一结构就可以避免不必要的损失。

消除颤振是导弹工程师的最终目标,然而导弹颤振的机理复杂,如果只在导弹设计的最后阶段进行颤振分析,导弹设计的效率将大大降低。但随着现代科技的发展,尤其是大型电子计算机出现后,工程师们可以通过数值计算和风洞实验进行颤振分析,并利用分析结果指导导弹结构、气动构型、控制系统等的设计。这样一来,不仅导弹设计的整体时间大大缩短,而且飞行过程中的故障率也降到了最低。

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