新方法可检测飞机涡轮机破坏性振荡的发生

尽管人类拥有非凡的工程能力，但有时完全出乎意料或了解得很少的物理现象会迅速导致灾难性的失败。1959年的布兰尼夫国际航空公司542航班和1960年的西北东方航空公司710航班就是这种情况，两架飞机由于称为“颤振”的机械现象而在空中自发分解。

在航空航天研究中，颤振通常是指涡轮叶片中不希望的且自持的振动，这些振动很容易失控，与发动机甚至飞机机翼一起被破坏。颤振仍然是活跃的研究领域，并且是设计涡轮机时的主要关注点，这并不奇怪。实际上，在日本航空航天局(JAXA)发起的旨在设计高效且环保的涡轮机的一个项目(高级风扇喷气发动机研究：aFJR)中，颤振再次成为人们的关注焦点。

在《物理评论应用》上发表的一项新研究中，东京科学大学(TUS)的科学家与JAXA的研究人员合作，解决了开发一种新颖的方法来早期检测叶片设计状态下颤振的问题。TUS机械工程系的Hiroshi Gotoda博士(本文的通讯作者)解释了当前的问题以及他们如何解决该问题，“级联颤振的出现阻碍了先进喷气发动机及其早期技术的发展。探测是当前航空航天推进工程中的一个长期存在的问题。我们的主要目标是探索一种结合复杂网络和同步技术来检测级联扑的前兆的方法的适用性。”

他们的方法背后的主要思想是，涡轮风扇可以在数学上建模为相互关联的振荡器的复杂网络，而颤动最终是由于越来越多的叶片通过涡轮而产生的越来越多的叶片逐渐同步的结果。在发表于《应用物理杂志》上的另一项研究中，该小组探索了一种基于人工智能的方法，该方法使用系统的置换熵从时间序列数据中检测抖动的发生，这是对随机性的一种度量。涡轮的复杂动力。在他们目前的工作中，他们证明了基于同步的系统网络表示形式与刀片的实际振荡行为密切相关。

通过在JAXA的Altitude Test Facility进行的实际涡轮机试验台上进行的实验，研究团队发现，在颤动发生之前，一个特定的叶片开始充当网络中的“中心枢纽”，并且相邻叶片开始同步振荡。用它。这种“本地”同步迅速扩展并导致所有刀片的集体同步，从而导致潜在的灾难性“波动”。

在这种情况下，如Gotoda博士所述，本研究中提出的系统的网络表示具有两个重要目的：“我们证明了两种本地和全局措施作为级联颤振的潜在检测器的适用性：各个网络之间的连接强度节点和网络的同步参数。前者可用于指定级联颤动发作的主要叶片。相反，后者的范围为0到1，更适合于确定此发作的阈值。”

这些新研究的综合发现揭示了扑动的复杂现象，并为航空工程和相关非线性科学领域的非线性问题的学术系统化做出了贡献。它们可能代表了在叶片设计状态下早期检测颤振发作的有前途的技术。TUS和JAXA的这个研究团队的努力将有助于开发更安全，更环保的涡轮机设计。