国产大飞机的“极限挑战”

知鸥

2018年7月12日，在CAAC适航代表全程目击下，国产大飞机C919“全机2.5g机动平衡工况极限载荷静力试验”取得圆满成功。

这项试验被认为是航空制造领域最为凶险也最经典的试验，是公认的高难度、高风险试验科目，是对飞机结构强度的一次“极限考验”，只有经受住这项考验才能证明国产大飞机的安全性。

我们知道，一架飞机从滑跑、起飞、爬升、巡航，到下降、着陆，无时无刻不在承受着各种力的作用，比如空气动力、发动机推力、外部的撞击力（飞鸟、冰雹、砂石、碎片等）、惯性力、阻尼力、弹性力等。因此，飞机需要具备一定的强度，才能承受各种外力对机体的压迫、拉伸。

一般而言，飛机设计要求飞机能够承受相当于自身2.5倍体重的“压力”。

2.5g也是飞机在俯冲和突然拉升时产生的最大载荷，一般商用飞机在航线飞行时是不会飞到这个载荷的。

为确保安全，按照中国民航CCAR25部（即《运输类飞机适航标准》）的适航条款规定，国产大飞机C919若要取得型号合格证就必须通过“2.5g载荷”这道关。因此，这项试验是C919适航取证的必要科目，对型号研制具有重要意义。

飞机的静力试验被称为是飞机的“体能测试”，是验证飞机结构在静载荷作用下的强度、刚度及应力分布情况，是验证飞机结构强度和静强度分析正确性的重要手段。国产大飞机C919一共需要完成的静力试验有几十项之多，包括全机试验和部件级试验。比如，C919首飞前的一年多时间，静力试验机就已完成48项首飞前静力试验。

其中，“全机2.5g机动平衡工况极限载荷静力试验”是C919飞机全机静力试验中机翼承载最严重的工况（工况是指设备在和其动作有直接关系的条件下的工作状态）。该项试验主要是通过加载装置，模拟飞机飞行中的空气动力、发动机推力等载荷，验证飞机结构在不同程度拉或压的静载荷作用下的强度和刚度。

换句话说，就是试验以飞机在真实飞行环境中可能受到的最严重的各种外力来“蹂躏”机体，从而证明这款飞机能够经受得住考验。

静力试验包括“限制载荷试验”和“极限载荷试验”。限制载荷是飞机运营中预期的最大载荷，限制载荷试验模拟飞机结构承受运营中最严酷的受力情况，飞机结构的变形必须不能影响飞机安全运营。而极限载荷是限制载荷的1.5倍，用于考核飞机结构的极限承载能力。由于飞机设计对重量的苛刻要求，极限载荷时考核部位结构的应力水平往往是略小于飞机结构破坏的临界点，因此极限载荷试验一般是不可重复的，必须保证一次成功。

这个“破坏临界点”就是飞机设计师千方百计要寻找的飞机安全性和经济性之间的平衡点——一架好飞机既要足够结实，又不能过于结实。足够结实是要求飞机安全性足够，不能过于结实，就是要求飞机设计不能太保守，要有商载经济性。

当天试验现场，C919大型客机的静力试验机随着不断加载，飞机单边机翼载荷最大达100吨，机翼翼尖最大变形达到3米。“按程序逐级加载至150%”“测量，保载3秒”指令发出后，现场爆发出热烈的掌声。14时58分，CAAC适航代表宣布：“C919飞机全机2.5g机动平衡工况极限载荷静力试验按试验大纲顺利完成。”这意味着试验取得圆满成功。

据了解，由中国商飞上飞院和航空工业强度所组成的大飞机强度试验团队在C919大型客机静力试验中采用了一体式承载框架、斜加载、地板梁加载系统等多项新技术，确保试验高效、高精度实施。在试验过程中，试验团队充分运用精细有限元模型、强度自动化平台等分析技术对风险点进行识别和排除，确保了试验件的安全。同时，采用实时监控系统和数字散斑技术等试验监控手段，对试验过程进行监督，有效控制了试验风险点。

从历史上看，2.5g试验失败的案例很多。即便是波音、空客这样的巨头也曾在2.5g试验中损失惨重。2006年2月，空客A380飞机在图卢兹进行2.5g试验时，机翼与两个发动机之间的部分发生断裂，导致A380交付推迟两年。2009年6月，波音787飞机在2.5g试验时，机身和机翼连接部位出现应力破坏问题，导致其首飞再次推迟。