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——德国专家科兴

飞机要受到空气动力、发动机推力、地面起落架反作用力等载荷的影响。此外，很多外部环境条件也会让飞机在飞行过程中“受力”。而对一架新设计的飞机而言，其结构强度太过脆弱，或是“结实”到过于笨重，还是恰到好处“刚刚好”？此时就需要静力试验上场啦。目前，国产C919大型客机已经完成增压舱增压、前起连接、主起连接、全机情况、垂尾和方向舵等全部工况共48项限制载荷静力试验，并完成了极限载荷静力试验的试前准备工作。

静力试验是飞机研发过程中重要的地面试验，通过约束装置和载荷加载系统，模拟飞机可能遇到的所有载荷环境，验证飞机结构是否满足所需的强度要求。

静力试验分限制载荷和极限载荷两阶段进行。限制载荷为飞机在役期间所预期的最大载荷。极限载荷是指在限制载荷的基础上乘以规定的安全系数，这个系数一般为1.5，也即极限载荷一般为限制载荷的150%。

德国某试验测试公司副总裁科兴（Kosing）先生用“震撼”来形容参观C919静力试验现场的感受，该公司在航空领域主要从事由部件到全机的静力试验和疲劳测试，代表欧洲航空业静力试验和疲劳测试的最高水平，也是一直以来为空客公司进行静力试验和疲劳测试的机构。“没有想到中国开展静力试验的水平有这样高！” 科兴先生由衷地说。

登机门要承受16吨载荷

C919大型客机开展的第一项静力试验是“增压舱增压试验”。

也许很多坐飞机的人并不知道，自己在万米高空乘坐的飞机客舱内有许多增压设备，用来在空气稀薄的高空给客舱增加气压，保持乘客在最舒适的大气压下拥有良好的飞行体验。而在此时，飞机却要承受内外压差带来的巨大载荷，当初的结构设计是否能承受这份载荷的考验？

“为了保持乘客的舒适度，我们的飞机在高空飞行会使用增压设备给客舱增压，使客舱保持不低于2 400米海拔高度的气压水平。”负责静力试验的副总师周良道介绍。

增压客舱一旦发生损坏，轻则泄压，重则发生爆裂，乘客将暴露在万米高空无法生存的低压缺氧环境下。因此适航规章要求，增压舱的设计必须考虑1.33的附加安全系数。也即在进行增压舱增压限制载荷试验时，试验载荷是飞机运行中预期最大压差的1.33倍，大约比正常值多出0.8个大气压。

“在上海的试验环境是1个大气压左右，因此，我们要往机舱‘灌’1.8个大气压的空气，来模拟这个压差。别小看这0.8个大气压的压差，它在一扇登机门上会产生大约16吨载荷。

“试验中的飞机就像一个巨大的高压锅。曾经有飞机在进行增压试验时，舱门承受不了载荷被顶飞出来，甚至结构承受不了载荷发生爆裂的。现在我们进行限制载荷压差要小一些，等到做极限载荷时，所有试验数据要放大1.5倍。到时候，我们会给飞机做一个防护网，以防有零件被压力顶飞出来。为了更好地观测飞机受载荷情况，我们会预先安装传感器和摄像设备，记录下试验的全过程。”周良道说。

地板加载，外国专家也点赞

停在地面的静力试验机要如何模拟真实飞机在空中的受力情况？C919静力试验采用了一套“地板加载设备”，模拟乘客和货物给飞机带来的作用力。

“地板加载方式是我们这些年的新技术，没有想到C919这么快就运用上了”， 科兴先生对此赞赏有加。

“地板加载设备”是目前国际先进的试验方法，它改变以往在飞机蒙皮粘贴胶布带的方式，由地板加载设备来模拟真实乘客和货物载荷的传力路径，将载荷施加到飞机结构上。这种加载方法不仅能够更真实地模拟飞机受载情况，也能更好地对蒙皮张力场现象进行观测。

地板加载设备分为两部分，一部分在机舱内部，一部分在机舱外连接液压加载作动器，两部分设备通过钢杆穿过机身蒙皮连接在一起。机身蒙皮是试验中被考核的飞机结构件之一，钢杆在蒙皮的什么位置穿过，穿孔大小如何，将影响静力试验结果。试验团队对此经过精心设计，既满足了试验加载需求，又符合试验件考核的要求，保证了试验的有效性。

“以前我们做试验，静力机上要贴上万块胶布带，不仅工作量大，而且遍布胶布带的蒙皮不利于试验观测。最重要的是，每完成一个试验的工况，准备开展下一个工况时，要用一到两周时间撤换胶布带上施加载荷的杠杆设备，使得试验周期较长。现在采用地板加载设备，不同的载荷工况，只要简单更换一些测力传感器就可以了，大大缩短了试验周期。” 上飞院静力试验主管赵峻峰介绍。

千万级精细化有限元模型

提到C919静力试验，还得提有限元计算。

强度计算和静力试验都是验证飞机结构强度的重要方法，互为补充。而有限元计算是强度计算的重要方法。有限元计算是根据力学原理，将飞机结构简化为有限个力学单元，在计算机中建立数学模型，模拟飞机结构受力情况，进而计算得出飞机结构的内力和应力分布。开展静力试验时，被拉弯的C919机翼。静力试验虽然可以直接验证结构强度，但是飞机载荷工况成千上万，如果要对每一种工况进行验证，需要付出巨大的人力、经济和时间成本。因此，在静力试验前，利用自然网格模型、有限元模型等计算方法做完所有分析，从中挑选出最严厉工况进行静力试验。

值得一提的是，有限元模型是近些年发展迅速的一项计算方法。大约在2000年以后，国外才逐步出现百万级的整机精细化有限元模型，而国内民机尚无使用先例。随着C919大型客机项目的推动，上飞院开始策划创建百万级精细化有限元模型。

现在，C919已经建成十万级、百万级、千万级三个层次的有限元模型，飞机上的每一颗铆钉都可单独作为一个单元，计算其所承受的载荷。

精细化有限元模型帮助工程师们成功地预测了试验机的高应变和高钉载部位以及可能的结构失稳区域，为降低试验风险立下了汗马功劳。

强度计算工具的有效性，对于开展静力试验非常重要，这意味着试验团队可以选择尽量少的试验工况，达到保证飞机强度要求的目标。

C919飞机001架原型机。

C919飞机静力试验现场

试验人员正在C919机身上粘贴胶布带，为安装加载设备做准备。机翼上停着200辆小轿车

相较于已经完成的限制载荷静力试验，极限载荷静力试验无论对飞机还是对试验团队而言，都是一个更大的挑战。

在极限载荷静力试验中，有一项对机翼而言最严酷的试验工况，就是机动平衡2.5g极限载荷静力试验，这一试验工况下，机翼提供的升力相当于飞机重力的2.5倍。以70吨的飞机为例，机翼受到向上的力为175吨，考虑1.5倍安全系数后，极限载荷将达到262.5吨，相当于200多辆小轿车的重量。这是所有极限载荷静力试验当中对飞机最严苛的挑战之一。

试验时，机翼受载荷将产生很大的弯曲变形。以C919为例，机翼翼尖变形幅度将超过3米。弯曲变形使机翼上翼面蒙皮和长桁组成的结构承受着巨大的压缩力，当压缩力超过结构承载能力后，将出现结构失稳乃至结构破坏。因此，所有新研制的飞机都要进行这一试验。

在开展2.5g极限载荷适航验证试验前，C919大型客机在一个翼身组合体研发试验件上进行了机翼破坏试验，主要目的是为了验证结构分析的准确性和结构承载极限，也是为极限载荷适航验证试验奠定基础。

C919极限载荷试验是在2017年完成的，这是继1978年运10飞机全机破坏试验之后的39年内中国民机的又一次全机主动破坏试验。当载荷加到100%极限载荷时，所有人的心都提到了嗓子眼。结构没有破坏！这证明飞机完全可以承受2.5g极限载荷！

继续加载！当结构瞬间破坏时，大家不由自主地鼓起掌来！破坏位置和失效模式完全符合计算模型预期！这证明C919大型客机强度计算模型是科学准确的。

在接受采访时，赵峻峰向记者解释了开展破坏试验的必要性：“飞机设计时，结构并非是越强越好，因为结构越强飞机越重，结构效率低将影响民机的经济性。极限载荷是我们的设计目标，最理想的设计状态是飞机结构正好满足设计目标，重量不多也不少。结构破坏载荷试验既是检验我们的结构设计水平，也为我们后续飞机改型、优化积累数据。”

从ARJ21到C919，赵峻峰亲历了中国民机开展静力试验的艰难和进步。从被质疑到被赞赏，C919静力试验团队走过了一条不寻常的逆势崛起之路，在试验技术和分析能力上都达到了与世界先进比肩的水平，守好了国产大飞机结构安全的最后一道防线。

我们有理由为静力试验团队骄傲，为中国民机骄傲！

责任编辑：吴佩新