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(jī)場南面的中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所上海分部祝橋試驗(yàn)基地，備受矚目的C919大型客機(jī)將要迎接“出生”以來一次極為嚴(yán)酷的考試。今天，它將要進(jìn)行2.5g機(jī)動(dòng)平衡工況極限載荷靜力試驗(yàn)。

試驗(yàn)現(xiàn)場，C919大型客機(jī)總設(shè)計(jì)師吳光輝、中國強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究所副所長蔣軍亮、副總工程師唐吉運(yùn)、中國民航上海審定中心結(jié)構(gòu)強(qiáng)度室主任張迎春等數(shù)十人身穿紅色T恤，不知從何時(shí)起，每當(dāng)遇到重大試驗(yàn)節(jié)點(diǎn)，大家都會(huì)不約而同地穿上一身象征好運(yùn)的中國紅。

下午2時(shí)，試驗(yàn)正式開始。

“加載到5%，檢查測試設(shè)備是否正常，檢查飛機(jī)狀況是否正常”……“加載到35%，加載到40%，檢查測試設(shè)備是否正常，檢查飛機(jī)狀況是否正?！?……“加載到80%，所有參試人員離開飛機(jī)” ……隨后，試驗(yàn)開始以1%為一級(jí)，逐級(jí)加載。隨著代表加載值的紅色數(shù)字不斷攀升，現(xiàn)場變得鴉雀無聲。漸漸地，飛機(jī)開始出現(xiàn)外部反應(yīng)，兩側(cè)機(jī)翼不斷向上翹起。當(dāng)載荷達(dá)到100%時(shí)，翼尖向上翹起的高度已經(jīng)指向了坐標(biāo)尺2米的位置。“加載到150%，保載3秒”“加載到153%，保載3秒”，此時(shí)，翼尖向上翹起的高度已經(jīng)超過3米，現(xiàn)場瞬間爆發(fā)出雷鳴般的掌聲。

試驗(yàn)成功了！由中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所、中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院、中國民航上海審定中心共同組成的中國大飛機(jī)“強(qiáng)度兄弟團(tuán)”經(jīng)受住了考驗(yàn)！

有一種痛叫2.5g

對(duì)于一款全新研制的飛機(jī)來說，除了飛行試驗(yàn)外，還要進(jìn)行大量的地面試驗(yàn)，而全機(jī)靜力試驗(yàn)則是諸多地面試驗(yàn)中的一項(xiàng)。同時(shí)，全機(jī)靜力試驗(yàn)也是飛機(jī)型號(hào)研制過程中最為關(guān)鍵的試驗(yàn)項(xiàng)目之一，是局方在適航取證過程中重點(diǎn)考察的項(xiàng)目。

這項(xiàng)試驗(yàn)的作用是驗(yàn)證飛機(jī)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(qiáng)度和剛度。通俗來說，就是檢驗(yàn)飛機(jī)的抗壓能力和承受極限。2.5g機(jī)動(dòng)平衡工況極限載荷靜力試驗(yàn)則是驗(yàn)證飛機(jī)在2.5倍（相對(duì)于飛機(jī)重量）重力情況下的承壓載情況。這個(gè)試驗(yàn)曾經(jīng)差點(diǎn)兒把年輕的中國民用航空工業(yè)“壓”進(jìn)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(jī)在進(jìn)行全機(jī)穩(wěn)定俯仰2.5g極限載荷試驗(yàn)過程中，當(dāng)載荷施加到87%時(shí)，龍骨梁后延伸段結(jié)構(gòu)遭到破壞，試驗(yàn)被迫中止。這意味著不僅后續(xù)的20多項(xiàng)靜力試驗(yàn)無法繼續(xù)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(duì)于中國商飛公司年輕的團(tuán)隊(duì)來說，無異于晴空霹靂。

“很痛苦，非常痛苦，現(xiàn)場的每一個(gè)人背負(fù)的壓力都特別大，氣氛壓抑得讓人喘不上氣?！币晃辉诂F(xiàn)場的隊(duì)員回憶說。盡管已經(jīng)過去多年，但隊(duì)員們都清晰地記得那個(gè)瞬間的場景和那一段“黑色時(shí)光”。

經(jīng)過7個(gè)多月的攻堅(jiān)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)終于找到了試驗(yàn)失敗的原因，并在對(duì)故障進(jìn)行復(fù)現(xiàn)后重新調(diào)整了方案。2010年6月28日，ARJ21全機(jī)穩(wěn)定俯仰2.5g極限載荷試驗(yàn)獲得圓滿成功。盡管付出了代價(jià)，但一支年輕、稚嫩的強(qiáng)度試驗(yàn)聯(lián)合攻關(guān)團(tuán)隊(duì)也因此涅槃重生。今天，他們中的很多人已經(jīng)挑起了C919大型客機(jī)2.5g極限載荷靜力試驗(yàn)的大梁。

有一種成長叫2.5g

盡管在ARJ21新支線飛機(jī)項(xiàng)目中，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)積累了一些經(jīng)驗(yàn)，但這些經(jīng)驗(yàn)要應(yīng)對(duì)C919大型客機(jī)的2.5g試驗(yàn)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，早在幾年前，C919大型客機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度團(tuán)隊(duì)就已經(jīng)開始了各項(xiàng)準(zhǔn)備。

航空領(lǐng)域中的飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是有限元技術(shù)最早得到廣泛應(yīng)用的工程領(lǐng)域。作為一種主要的民機(jī)強(qiáng)度計(jì)算方法，有限元技術(shù)在應(yīng)用之初受到計(jì)算機(jī)水平的限制，全機(jī)模型通常只能劃分為幾萬個(gè)單元，因而模型簡化的難度非常高，計(jì)算結(jié)果也常常不盡如人意。2000年以后，國外逐步出現(xiàn)百萬級(jí)的整機(jī)精細(xì)化有限元模型，但國內(nèi)民機(jī)產(chǎn)業(yè)尚無使用先例。

2012年，中國商飛上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院開始策劃創(chuàng)建百萬級(jí)的精細(xì)化有限元模型，并成立了國內(nèi)第一個(gè)專業(yè)有限元仿真室。2013年，隨著第一個(gè)百萬級(jí)精細(xì)化模型的初步完成與成功應(yīng)用，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院有了一個(gè)更大膽的想法：創(chuàng)建一個(gè)千萬級(jí)的有限元模型，把飛機(jī)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(shù)難點(diǎn)——模型簡化。

2014年，C919翼身組合體開始進(jìn)行靜力試驗(yàn)，精細(xì)化模型初露鋒芒：有限元仿真室創(chuàng)建的百萬級(jí)“細(xì)化模型”和千萬級(jí)“精細(xì)模型”的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果驚人地相似。2016年，全機(jī)靜力試驗(yàn)按計(jì)劃展開，全機(jī)精細(xì)模型再一次技驚四座：其精準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果使得工程師們成功地預(yù)測了試驗(yàn)樣機(jī)的高應(yīng)變、高釘載以及可能的失穩(wěn)區(qū)域，為試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)的監(jiān)控和排除提供了強(qiáng)有力的保障。

除此之外，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院還與中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所配合，在飛機(jī)共振試驗(yàn)中緊密合作，彌補(bǔ)了我國大型民用飛機(jī)強(qiáng)度試驗(yàn)中多項(xiàng)空白。飛機(jī)共振試驗(yàn)是一項(xiàng)非常重要的強(qiáng)度試驗(yàn)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)是設(shè)計(jì)人員修正顫振計(jì)算模型的重要依據(jù)，對(duì)保證試飛安全具有重要意義。

在C919大型客機(jī)全機(jī)地面共振試驗(yàn)中，雙方共同克服了多項(xiàng)難題：首先是飛機(jī)懸浮支托的難題。由于全機(jī)地面共振試驗(yàn)要求模擬飛機(jī)在空中的狀態(tài)，現(xiàn)有的空氣彈簧系統(tǒng)無法滿足試驗(yàn)的支托要求。其次，飛機(jī)尤其是機(jī)翼部件的模態(tài)頻率較低而全機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)密集、頻率相近且耦合嚴(yán)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(duì)主翼面和操縱面的模態(tài)測試帶來了很大挑戰(zhàn)。

針對(duì)飛機(jī)懸浮支托的問題，中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所與上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院多次協(xié)調(diào)，最終確定了試驗(yàn)的支托方案，并據(jù)此研制了一套C919飛機(jī)專用的空氣彈簧支托系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有高壓、低剛度、大位移、多自由度等特點(diǎn)，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制三點(diǎn)同步升降，徹底解決了大型飛機(jī)的懸浮支托問題。2017年7月，C919大型客機(jī)共振試驗(yàn)圓滿完成，為飛機(jī)的后續(xù)試驗(yàn)打下良好的基礎(chǔ)。

有一種涅槃叫2.5g

2015年12月31日，C919飛機(jī)全尺寸靜力試驗(yàn)的第一項(xiàng)試驗(yàn)——右側(cè)縫翼限制載荷靜力試驗(yàn)開試。此后的2年多時(shí)間里，上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院結(jié)構(gòu)強(qiáng)度團(tuán)隊(duì)先后完成了多份試驗(yàn)大綱的編寫，上海審定中心審查組先后批準(zhǔn)了22份試驗(yàn)大綱，完成了試驗(yàn)件和試驗(yàn)設(shè)施的制造符合性審查，開展了2.5g機(jī)動(dòng)平衡工況、全機(jī)最大垂直力著陸工況限制載荷靜力試驗(yàn)等22項(xiàng)共52個(gè)工況的全尺寸靜力試驗(yàn)。

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(jī)正在進(jìn)行全尺寸驗(yàn)證試驗(yàn)項(xiàng)目中的首個(gè)極限載荷試驗(yàn)——增壓艙增壓極限載荷試驗(yàn)。這個(gè)試驗(yàn)不僅中國民航局高度關(guān)注，也是歐洲航空安全局（EASA）關(guān)注的首個(gè)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)證試驗(yàn)。

當(dāng)載荷施加到137%時(shí)，問題不期而至：后服務(wù)門上部密封件脫出，形成縫隙過大，增壓艙無法繼續(xù)施壓?，F(xiàn)場的試驗(yàn)人員不得不中止試驗(yàn)，對(duì)飛機(jī)進(jìn)行減載，但參試人員面臨的壓力卻迅速增長。

審定中心結(jié)構(gòu)強(qiáng)度審查組立即召集有關(guān)人員在試驗(yàn)現(xiàn)場第一時(shí)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(huì)，詳細(xì)討論試驗(yàn)中止后的數(shù)據(jù)復(fù)查、試驗(yàn)排故、理論分析和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析等工作。在不到一個(gè)月的時(shí)間里，設(shè)計(jì)人員完成了多輪故障排查和方案修改。最終，試驗(yàn)大綱獲得了中國民航局和歐洲航空安全局的認(rèn)可。2018年6月6日，增壓艙增壓極限載荷試驗(yàn)順利完成。這為C919大型客機(jī)結(jié)構(gòu)極限載荷驗(yàn)證試驗(yàn)的開展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在隨后一個(gè)多月的“備考”過程中，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)組織相關(guān)專家對(duì)2.5g試驗(yàn)設(shè)計(jì)工作開展了專項(xiàng)質(zhì)量復(fù)查，核查了試驗(yàn)設(shè)計(jì)工作的符合性和正確性，進(jìn)一步保證了后續(xù)工作輸入源頭的正確性。

2018年7月12日，當(dāng)上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院和中國飛機(jī)強(qiáng)度研究所的考生們走上考場時(shí)，盡管有些忐忑和緊張，但他們?nèi)匀怀錆M信心。他們相信，在經(jīng)過充分準(zhǔn)備后，C919大型客機(jī)一定能夠通過這次“嚴(yán)酷”的考試。

這一次，C919沒有辜負(fù)大家的信任。我相信，未來也不會(huì)。