看得見的飛翔，看不見的“百煉成鋼”

莊敏

2018年7月12日，在上海浦東機場南面的中國飛機強度研究所上海分部祝橋試驗基地，備受矚目的C919大型客機將要迎接“出生”以來一次極為嚴酷的考試。今天，它將要進行2.5g機動平衡工況極限載荷靜力試驗。

試驗現場，C919大型客機總設計師吳光輝、中國強度設計研究所副所長蔣軍亮、副總工程師唐吉運、中國民航上海審定中心結構強度室主任張迎春等數十人身穿紅色T恤，不知從何時起，每當遇到重大試驗節點，大家都會不約而同地穿上一身象征好運的中國紅。

下午2時，試驗正式開始。

“加載到5%，檢查測試設備是否正常，檢查飛機狀況是否正常”……“加載到35%，加載到40%，檢查測試設備是否正常，檢查飛機狀況是否正常” ……“加載到80%，所有參試人員離開飛機” ……隨后，試驗開始以1%為一級，逐級加載。隨著代表加載值的紅色數字不斷攀升，現場變得鴉雀無聲。漸漸地，飛機開始出現外部反應，兩側機翼不斷向上翹起。當載荷達到100%時，翼尖向上翹起的高度已經指向了坐標尺2米的位置。“加載到150%，保載3秒”“加載到153%，保載3秒”，此時，翼尖向上翹起的高度已經超過3米，現場瞬間爆發出雷鳴般的掌聲。

試驗成功了！由中國飛機強度研究所、中國商飛上海飛機設計研究院、中國民航上海審定中心共同組成的中國大飛機“強度兄弟團”經受住了考驗！

有一種痛叫2.5g

對于一款全新研制的飛機來說，除了飛行試驗外，還要進行大量的地面試驗，而全機靜力試驗則是諸多地面試驗中的一項。同時，全機靜力試驗也是飛機型號研制過程中最為關鍵的試驗項目之一，是局方在適航取證過程中重點考察的項目。

這項試驗的作用是驗證飛機在受到均勻或等速從起飛-爬升-巡航-下降-降落全過程中可能遇到的外力情況下是否具備安全飛行的強度和剛度。通俗來說，就是檢驗飛機的抗壓能力和承受極限。2.5g機動平衡工況極限載荷靜力試驗則是驗證飛機在2.5倍（相對于飛機重量）重力情況下的承壓載情況。這個試驗曾經差點兒把年輕的中國民用航空工業“壓”進萬丈深淵。

2009年12月1日，我國首款自主研制的ARJ21新支線飛機在進行全機穩定俯仰2.5g極限載荷試驗過程中，當載荷施加到87%時，龍骨梁后延伸段結構遭到破壞，試驗被迫中止。這意味著不僅后續的20多項靜力試驗無法繼續開展，而且正在全面開展的試飛工作也不得不陷入停滯。這對于中國商飛公司年輕的團隊來說，無異于晴空霹靂。

“很痛苦，非常痛苦，現場的每一個人背負的壓力都特別大，氣氛壓抑得讓人喘不上氣。”一位在現場的隊員回憶說。盡管已經過去多年，但隊員們都清晰地記得那個瞬間的場景和那一段“黑色時光”。

經過7個多月的攻堅，項目團隊終于找到了試驗失敗的原因，并在對故障進行復現后重新調整了方案。2010年6月28日，ARJ21全機穩定俯仰2.5g極限載荷試驗獲得圓滿成功。盡管付出了代價，但一支年輕、稚嫩的強度試驗聯合攻關團隊也因此涅槃重生。今天，他們中的很多人已經挑起了C919大型客機2.5g極限載荷靜力試驗的大梁。

有一種成長叫2.5g

盡管在ARJ21新支線飛機項目中，試驗團隊已經積累了一些經驗，但這些經驗要應對C919大型客機的2.5g試驗是遠遠不夠的。因此，早在幾年前，C919大型客機結構強度團隊就已經開始了各項準備。

航空領域中的飛機結構設計是有限元技術最早得到廣泛應用的工程領域。作為一種主要的民機強度計算方法，有限元技術在應用之初受到計算機水平的限制，全機模型通常只能劃分為幾萬個單元，因而模型簡化的難度非常高，計算結果也常常不盡如人意。2000年以后，國外逐步出現百萬級的整機精細化有限元模型，但國內民機產業尚無使用先例。

2012年，中國商飛上海飛機設計研究院開始策劃創建百萬級的精細化有限元模型，并成立了國內第一個專業有限元仿真室。2013年，隨著第一個百萬級精細化模型的初步完成與成功應用，上海飛機設計研究院有了一個更大膽的想法：創建一個千萬級的有限元模型，把飛機上的每一顆鉚釘都囊括其中，徹底突破建模過程最大的技術難點——模型簡化。

2014年，C919翼身組合體開始進行靜力試驗，精細化模型初露鋒芒：有限元仿真室創建的百萬級“細化模型”和千萬級“精細模型”的計算結果與試驗結果驚人地相似。2016年，全機靜力試驗按計劃展開，全機精細模型再一次技驚四座：其精準的計算結果使得工程師們成功地預測了試驗樣機的高應變、高釘載以及可能的失穩區域，為試驗風險的監控和排除提供了強有力的保障。

除此之外，上海飛機設計研究院還與中國飛機強度研究所配合，在飛機共振試驗中緊密合作，彌補了我國大型民用飛機強度試驗中多項空白。飛機共振試驗是一項非常重要的強度試驗，其試驗數據是設計人員修正顫振計算模型的重要依據，對保證試飛安全具有重要意義。

在C919大型客機全機地面共振試驗中，雙方共同克服了多項難題：首先是飛機懸浮支托的難題。由于全機地面共振試驗要求模擬飛機在空中的狀態，現有的空氣彈簧系統無法滿足試驗的支托要求。其次，飛機尤其是機翼部件的模態頻率較低而全機結構模態密集、頻率相近且耦合嚴重，主翼面和操縱面均存在安裝間隙和摩擦，這些非線性因素對主翼面和操縱面的模態測試帶來了很大挑戰。

針對飛機懸浮支托的問題，中國飛機強度研究所與上海飛機設計研究院多次協調，最終確定了試驗的支托方案，并據此研制了一套C919飛機專用的空氣彈簧支托系統。該系統具有高壓、低剛度、大位移、多自由度等特點，由計算機自動控制三點同步升降，徹底解決了大型飛機的懸浮支托問題。2017年7月，C919大型客機共振試驗圓滿完成，為飛機的后續試驗打下良好的基礎。

有一種涅槃叫2.5g

2015年12月31日，C919飛機全尺寸靜力試驗的第一項試驗——右側縫翼限制載荷靜力試驗開試。此后的2年多時間里，上海飛機設計研究院結構強度團隊先后完成了多份試驗大綱的編寫，上海審定中心審查組先后批準了22份試驗大綱，完成了試驗件和試驗設施的制造符合性審查，開展了2.5g機動平衡工況、全機最大垂直力著陸工況限制載荷靜力試驗等22項共52個工況的全尺寸靜力試驗。

2018年5月11日，是中國商飛公司成立十周年的日子。就在這一天，C919大型客機正在進行全尺寸驗證試驗項目中的首個極限載荷試驗——增壓艙增壓極限載荷試驗。這個試驗不僅中國民航局高度關注，也是歐洲航空安全局（EASA）關注的首個結構強度驗證試驗。

當載荷施加到137%時，問題不期而至：后服務門上部密封件脫出，形成縫隙過大，增壓艙無法繼續施壓。現場的試驗人員不得不中止試驗，對飛機進行減載，但參試人員面臨的壓力卻迅速增長。

審定中心結構強度審查組立即召集有關人員在試驗現場第一時間研究討論故障原因和解決方案，隨后又召開了多輪審查會，詳細討論試驗中止后的數據復查、試驗排故、理論分析和試驗數據對比分析等工作。在不到一個月的時間里，設計人員完成了多輪故障排查和方案修改。最終，試驗大綱獲得了中國民航局和歐洲航空安全局的認可。2018年6月6日，增壓艙增壓極限載荷試驗順利完成。這為C919大型客機結構極限載荷驗證試驗的開展奠定了堅實基礎。

在隨后一個多月的“備考”過程中，項目團隊組織相關專家對2.5g試驗設計工作開展了專項質量復查，核查了試驗設計工作的符合性和正確性，進一步保證了后續工作輸入源頭的正確性。

2018年7月12日，當上海飛機設計研究院和中國飛機強度研究所的考生們走上考場時，盡管有些忐忑和緊張，但他們仍然充滿信心。他們相信，在經過充分準備后，C919大型客機一定能夠通過這次“嚴酷”的考試。

這一次，C919沒有辜負大家的信任。我相信，未來也不會。