新方法可檢測飛機渦輪機破壞性振蕩的發生

盡管人類擁有非凡的工程能力，但有時完全出乎意料或了解得很少的物理現象會迅速導致災難性的失敗。1959年的布蘭尼夫國際航空公司542航班和1960年的西北東方航空公司710航班就是這種情況，兩架飛機由于稱為“顫振”的機械現象而在空中自發分解。

在航空航天研究中，顫振通常是指渦輪葉片中不希望的且自持的振動，這些振動很容易失控，與發動機甚至飛機機翼一起被破壞。顫振仍然是活躍的研究領域，并且是設計渦輪機時的主要關注點，這并不奇怪。實際上，在日本航空航天局(JAXA)發起的旨在設計高效且環保的渦輪機的一個項目(高級風扇噴氣發動機研究：aFJR)中，顫振再次成為人們的關注焦點。

在《物理評論應用》上發表的一項新研究中，東京科學大學(TUS)的科學家與JAXA的研究人員合作，解決了開發一種新穎的方法來早期檢測葉片設計狀態下顫振的問題。TUS機械工程系的Hiroshi Gotoda博士(本文的通訊作者)解釋了當前的問題以及他們如何解決該問題，“級聯顫振的出現阻礙了先進噴氣發動機及其早期技術的發展。探測是當前航空航天推進工程中的一個長期存在的問題。我們的主要目標是探索一種結合復雜網絡和同步技術來檢測級聯撲的前兆的方法的適用性。”

他們的方法背后的主要思想是，渦輪風扇可以在數學上建模為相互關聯的振蕩器的復雜網絡，而顫動最終是由于越來越多的葉片通過渦輪而產生的越來越多的葉片逐漸同步的結果。在發表于《應用物理雜志》上的另一項研究中，該小組探索了一種基于人工智能的方法，該方法使用系統的置換熵從時間序列數據中檢測抖動的發生，這是對隨機性的一種度量。渦輪的復雜動力。在他們目前的工作中，他們證明了基于同步的系統網絡表示形式與刀片的實際振蕩行為密切相關。

通過在JAXA的Altitude Test Facility進行的實際渦輪機試驗臺上進行的實驗，研究團隊發現，在顫動發生之前，一個特定的葉片開始充當網絡中的“中心樞紐”，并且相鄰葉片開始同步振蕩。用它。這種“本地”同步迅速擴展并導致所有刀片的集體同步，從而導致潛在的災難性“波動”。

在這種情況下，如Gotoda博士所述，本研究中提出的系統的網絡表示具有兩個重要目的：“我們證明了兩種本地和全局措施作為級聯顫振的潛在檢測器的適用性：各個網絡之間的連接強度節點和網絡的同步參數。前者可用于指定級聯顫動發作的主要葉片。相反，后者的范圍為0到1，更適合于確定此發作的閾值。”

這些新研究的綜合發現揭示了撲動的復雜現象，并為航空工程和相關非線性科學領域的非線性問題的學術系統化做出了貢獻。它們可能代表了在葉片設計狀態下早期檢測顫振發作的有前途的技術。TUS和JAXA的這個研究團隊的努力將有助于開發更安全，更環保的渦輪機設計。