聽強度君說 何為飛機結構全機靜力試驗?

許多人認為乘坐飛機是比較危險的，它飛在空中一旦出事，生存機率會很小。但數據統計顯示，飛機卻是世界上最安全的交通工具。為何會出現這種統計結果呢？這是因為每種型號的飛機研製過程中，都要經過嚴格的結構強度地面驗證試驗，以檢驗飛機的設計和製造是否滿足要求，能否保障飛機的飛行安全。

什麼是結構強度地面驗證試驗呢？強度君說，這就是在試驗室中，通過加載設備模擬飛機在使用過程中承受的各種載荷，通過檢測設備測量飛機結構的變形、損傷等響應，以確定飛機結構強度是否滿足要求。

飛機結構強度地面試驗加載響應示意圖

飛機結構強度地面驗證試驗通常是按照「積木式」的思想進行：最底層是數以萬計的材料和元件試驗，對飛機選用的材料進行強度測試；往上是成百上千的組合件試驗，用於確定飛機的結構形式；再往上是多項大部件試驗，用於驗證複雜結構的設計是否合理；最頂層是全機結構試驗，要用一到兩架真實尺寸的飛機結構，對飛機設計和製造進行全面的、最接近真實使用情況的驗證。

這樣逐層搭起來的飛機結構驗證體系是「金字塔」形的，也就是通常講的積木式試驗驗證體系。這個「金字塔」是否穩固、可靠、高效，決定著飛機結構設計的成功與否。

積木式試驗驗證體系

全機靜力、全機疲勞試驗是全機結構強度地面驗證試驗的重要內容，是「積木式」驗證體系的頂層。全機試驗能保證零件、部件受力/傳力的真實性，並驗證飛機製造工藝，雖然試驗的複雜度高、成本大，但作為傳統的、可靠的驗證手段，是飛機研製過程中不可缺少的重要環節，一直佔據著不可替代的位置，是在地面環境下對整個設計過程進行最終確認、最接近真實的驗證手段，對於型號研製意義重大。

我國現行的軍機強度規範及民用航空規章均對全機靜力、全機疲勞試驗做了強制性的規定：只有通過全機限制載荷靜力試驗，飛機才可以首飛；只有通過全機極限載荷靜力試驗，飛機才可以進行100%限制載荷水平的放飛試驗，即強度包線試驗，在生產設計定型及投入生產前應完成全機靜力試驗和一定壽命的全機疲勞試驗。試驗順序和進度應與飛機首飛、飛行試驗、設計定型與取證、批量生產等計劃相協調。

強度君說，本次主要講全機靜力試驗，它包含全機靜強度試驗、全機剛度試驗和全機標定試驗等內容。

全機靜強度試驗

全機靜強度試驗是驗證飛機結構靜強度是否滿足設計要求的地面試驗，主要是驗證飛機結構的承載能力和安全裕度。按試驗對象劃分為全機試驗和全機性大部件(如前機身、翼身組合體、後機身等)試驗。按試驗內容劃分為功能性驗證試驗、限制載荷試驗、極限載荷試驗和破壞載荷試驗。

全機靜強度試驗是一個複雜的過程，包括試驗設計、安裝、實施等環節。試驗時需要用以計算機為核心的多點協調加載控制系統，統一控制各種加載及測量設備，將靜態試驗載荷按預定程序由小到大分級施加到真實的飛機結構上（目前加載方式採用的主要是通過液壓作動筒施加，由槓桿系統保證載荷分布的形式，以及充氣臺充氣等），模擬飛機真實使用的各種情況。同時，數據採集系統收集並記錄結構的變形、應力等試驗數據，如果發生破壞或局部損傷，試驗系統要及時、準確記錄破壞發生的過程和詳細數據，為後續的試驗分析和試驗結論提供依據。

全機靜強度試驗重點考核主承力結構及部件之間的連接強度，如機身、機翼、起落架、發動機及其與機體連接等，通常分為首飛前、首飛後兩個主要階段，首飛前一般只進行影響首飛安全的最直接的試驗項目，包括功能驗證試驗、各項目限制載荷試驗及發動機、起落架等高載試驗，首飛後進行全部限制載荷和極限載荷試驗。

01、功能性驗證試驗

功能性驗證試驗是為了驗證飛機系統，如操縱系統、增壓系統、液壓系統等，在使用過程中的功能完備性以及可能發生的影響飛行安全的失效模式，如當操縱系統加載至規定的驗證載荷時，操縱系統工作是否正常、操縱面轉動是否靈活。

活動翼面操縱檢查試驗

02、全機限制載荷試驗

全機限制載荷試驗是為了驗證飛機結構強度分析的正確性，為修正飛機結構強度分析提供試驗依據。同時，也是為了驗證飛機結構的極限承載能力，尤其是考核結構的剛度。因此，限制載荷試驗所施加的試驗載荷應達到飛行使用中可能遇到的最大載荷，在這種情況下，結構不允許出現有害變形和妨礙安全運行的變形。

全機限制載荷靜強度試驗

03、全機極限載荷試驗

全機極限載荷試驗是為了驗證飛機結構的極限強度能力，此時，所施加的載荷通常要到其最大使用載荷的1倍以上，也就是極限載荷情況，在這種情況下，飛機結構不應發生總體破壞。同時，極限載荷試驗也是為了驗證飛機結構設計的不確定係數，即安全係數f（f=極限載荷/限制載荷），對於民機為1.5，對於軍機(又稱不確定係數)一般為1.5，也可以是1.35或2.0等，無人機為1.2～1.25。

如果全機靜強度試驗結果滿足功能性驗證試驗、限制載荷試驗、極限載荷試驗的要求，就可以認為該型飛機結構靜強度是合格的，具備了安全飛行的基本條件。

04、全機破壞載荷試驗

為了驗證飛機結構的安全裕度M.S(M.S=破壞載荷/極限載荷-1)，通常要進行破壞試驗，即在達到極限載荷試驗後繼續加載至飛機結構破壞，以證明飛機結構實際強度具有可挖潛力或應急飛行的特殊能力。M.S≥0飛機結構強度合格並有可挖潛力，M.S<0飛機結構應進行必要的補強。

全機剛度試驗

全機剛度試驗是測定飛機結構剛度的一種地面試驗，主要目的是通過測定靜態載荷下的結構變形，給出飛機結構剛度特性，為應力分析、氣動彈性和動力響應分析等提供試驗數據。剛度試驗通常有：機身剛度、翼面盒段（如機翼、垂平尾安定面等）剛度、操縱面（如副翼、升降舵、方向舵等）剛度、操縱系統剛度、起落架/機輪剛度、掛架剛度等。

全機剛度試驗的試驗對象、試驗方法、試驗流程靜強度試驗類似，通常與結構驗證試驗同時進行。由於剛度邊界條件直接影響結構剛度特性的測定，剛度試驗應首先確保結構剛度邊界模擬的真實性，而在全機狀態下各部件均採用真實的連接形式，特別是操縱系統，剛度邊界完全真實，因此可以在全機靜強度試驗的同時，利用全機靜強度試驗件在全機狀態下分部件進行剛度試驗，即全機剛度試驗，通常應在限制載荷和首飛前試驗項目完成前安排完成。

全機地面載荷標定試驗

全機地面載荷標定試驗是為了獲取飛機結構對外載荷的響應(應變等)模型(即載荷方程)的地面試驗。在飛行試驗中，通過測試飛機的外載響應(應變等)，根據載荷方程推算出飛機所承受的外部載荷。

全機地面載荷標定試驗按試驗對象及目的分為：試飛飛機標定試驗，目的是地面強度試驗設計載荷校準與驗證；小批量投入使用的飛機上或已投入使用的現役飛機標定試驗，目的是飛行載荷譜的實測；全機靜強度試驗機標定試驗，主要目的是為標定試驗中有關電橋選擇、載荷方程建立、方程回歸檢驗等問題研究提供支持，並探索載荷標定在全機靜強度試驗中的應用，這部分是本書討論的重點。

同全機剛度試驗類似，全機地面載荷標定試驗可以利用全機靜強度試驗件，按照全機靜強度試驗方式進行，試驗內容包括：機身、機翼、平垂尾等載荷標定試驗。由於不涉及飛行安全問題，可以進行較多試驗工況、較大載荷量級的標定試驗，提供更多的試驗數據。全機地面載荷標定試驗可以與靜強度試驗、剛度試驗交叉進行，應在限制載荷和首飛前試驗項目完成前安排完成。

我國在飛機結構強度試驗與研究領域實力最強的是中國飛機強度研究所，也是我國航空工業領域內唯一的結構強度專業研究所，承擔和完成了我國研製的幾乎所有在役、在研型號的靜力、疲勞、剛度、可靠性等鑑定與驗證試驗研究工作，涵蓋了各類航空平臺。

其中，全尺寸飛機結構靜力/疲勞強度研究室現有4個處於國際先進水平的試驗廠房，試驗區域總面積超過20000平方米，擁有國際先進的加載控制系統和數據採集測量系統，加載控制1800餘通道，數據採集3萬餘通道。通過多年以來的關鍵技術攻關和型號試驗，已建立以全機結構強度總體驗證技術、全機試驗設計技術、全機試驗控制技術、全機試驗數據測量與分析技術、全機試驗數位化技術等為核心的、相對完善的技術體系，具備承擔2噸-200噸級飛機全機靜力、疲勞試驗的能力，試驗能力和技術水平處於國內領先、國際先進水平，代表了國內航空領域全機結構靜力/疲勞強度試驗的最高水平。