科普 | 江苏省振动工程学会第二届公益科普短视频竞赛一等奖——《空中的隐形守护者:揭秘飞行器如何感知外力》
作品信息作品标题:《空中的隐形守护者:揭秘飞行器如何感知外力》作者单位:东南大学全体作者:章思涵 、覃锦霖指导教师:朱锐视频链接: https://mp.weixin.qq.com/s/DZiid1umPrhWqaFFiYEDow 你有没有想过,火箭在冲出大气层,飞机在穿越气流的瞬间,它们会受到多大的力?机翼会不会弯折,结构会不会损伤?又是谁在实时监控这些变化?其实飞行器是可以“感知”自己的受力情况的,这就是今天介绍的主题:载荷识别技术。那么飞行器是怎么知道自己受了多大力,又是如何实现这一技术的呢?——载荷也称为结构荷重,指作用在飞行器结构上的外部力量,引发结构内部的应力、应变、变形等物理行为,在飞行器上,载荷就像一种无形的力量,不断作用在它的结构上,影响安全与性能。对于载荷,不同的分类方法揭示了不同的工程特性——(1)按照载荷性质分类,可分为静态载荷和动态载荷。静态载荷指缓慢变化或恒定的力,如重力、稳态飞行时的气动力;动态载荷指随时间快速变化的力,如飞行时的冲击力。(2)按照作用形式分类,可分为分布载荷、集中载荷和移动载荷。分布载荷指连续作用在结构表面的力,如机翼上的气动压力分布;集中载荷指作用于局部点的力,如火箭发动机推力;移动载荷指随时间或空间位置改变而产生动态响应的力,如飞机滑跑时的轮轨接触力。(3)按照来源分类,可分为气动载荷和惯性载荷。气动载荷指由气流作用产生,如升力、阻力,例如战斗机大公角飞行时垂尾的随机振动;惯性载荷指加速或机动时产生的力,如运输机俯仰机动导致的法向过载。无论是性质、作用、形式还是来源的不同,这些载荷共同构成了飞行器所面对的真实世界。理解它们是确保飞行安全与性能的基础。为了让大家更直观的理解,我们来看一个机翼模型的例子:当机翼的一端受力会发生形变,这种力就是外载荷,而梁产生的弯曲就是结构响应。在飞行器上,如果只知道响应,我们该如何反推出载荷呢?识别飞行器在飞行中受到的载荷主要有三种方法:第一种是直接测量法,通过安装在飞行器上的传感器直接测量外部载荷,如脉冲压力传感器可以捕捉飞行过程中受到的外力变化。该方法的优点是直观准确,但缺点是只能测到装了传感器的地方,无法全面覆盖。第二种是间接识别法,我们利用测到的响应数据,结合数学模型、有限元法等方法反推出外载荷的大小和方向。这就像在飞行器结构测试中,我们看不到直接作用在机翼上的外力,但可以通过测到的形变量和振动数据,结合模型反推出外力的位置和大小。第三种是AI与机器学习,我们用人工智能算法训练系统,从大量飞行数据中自动识别载荷模式,尤其是数据驱动与物理模型的结合,让识别变得更精准、更实时。无论是直接测量、间接识别还是AI智能分析,他们的共同目标都是让飞行器时刻了解自己承受了多大的力,从而更安全,更可靠。载荷识别技术广泛服务于航空航天的各个环节。在飞机上,它用于结构健康监测,我们可以判断机翼是否疲劳,提前维护,防止灾难发生;在卫星和空间站上,它可以实时监测卫星所承受的撞击力,评估宇宙碎片带来的潜在威胁;它还被应用在无人机健康监测、直升机旋翼和高超音速飞行器等各类载荷监测中。从地球到太空,载荷识别在各类飞行器中都是不可或缺的安全守护者。尽管载荷识别技术已经广泛应用,但它依然面临不少挑战。第一是模型误差,实际飞行情况往往比理论复杂;第二是环境扰动,飞行环境具有强烈的非线性误差,来源复杂;第三是数据局限,传感器分布有限,测量精度不足。未来,更先进的AI算法将让载荷识别具备实时预测能力,提前预判可能的结构风险,同时,数字孪生技术的加入将让我们在虚拟世界中同步观察现实飞行器的受力变化。想象一下,未来的飞行器或许就像人类一样,能感知自己受到的每一股力量。载荷识别是连接科学与工程的桥梁,也是通向未来的窗口,科学让飞行更安全。
2026-02-26 59