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随着中国第一艘航母平台开始出海试航，中国海军成立舰载机试飞大队，攻克舰载机着舰和起飞技术这一世界性难题就被提上了日程。海军功勋飞行员秦大地被上级擢选为试飞大队的大队长。为了集结一支高强战斗力的队伍，他到处广纳贤才。海军、空军的新一代“空中之王”谢振宇、余涛和各飞行部队的顶尖飞行员都调入了大队。年轻的战斗机飞行员们传承老一辈的“海空雄鹰精神”，凭借超一流的飞行技术，攻克一个又一个技术难关，终于成功地驾驶战机在航母上实现起降。中国航母终于成军，谢振宇和余涛率领中国舰载机机群在辽阔海空上展翅翱翔。海天之上，他们又一次“战斗起飞”，豪气直冲云霄！
薄雾茫茫的海面上，一艘大型航母悄然出现。金牌飞行员詹姆斯驾驶舰载机接近我国领空，余兆年、吴惊天驾驶歼6战斗机对其进行进行驱逐。2009年，秦大地和吴强即将进行对歼15飞机进行测试，同时，衣正邦等人也来到了航母试验试飞陆地训练基地，了解到训练基地的建设工作在有条不紊的进行着。
谢振宇等人完成驱敌任务后在返航途中主动找到余涛，对其进行挑衅，一二零团团长得知后对谢振宇进行了惩罚。谢振宇来到海边与师傅吴惊天相见聊起近况，吴惊天也表达了对于谢振宇的厚望。组建舰载机试验试飞大队的工作紧张地展开，由衣正邦担任试飞军地联合总指挥。第一批试飞候选人员拟定，衣正邦询问秘书陶斯勇，为何名单上没有秦大地的名字，陶斯勇称秦大地因个人原因申请转业，衣正邦听后恼火不已。
秦大地和陶斯勇对第一条试飞跑道进行考察。秦大地明白自身的任务还十分艰巨，他向衣正邦表明自己的决心。衣正邦对秦大地较真拼命的个性隐隐担忧，同意陶斯勇担任试飞大队的政委，以免他头脑发热做出危险举动。谢振宇正式得到命令前去试飞大队报道，他为此激动不已。空军办公大楼前，余涛在内的五名飞行员集结完毕向首长报道。首长寄语他们们厚望，也希望他们能够平安归来。
余涛、耿见林等五名空军飞行员按时前来试飞大队报到。试飞大队第一次集合早操，谢振宇忘记阅读纪律规定错过了早操时间，出完操后，谢振宇和余涛在操场上再次较上了劲。同时夏初和柳妮娜也来到试飞大队进行报道。秦大地找谢振宇谈话，谢振宇向其承认错误。但是陶斯勇对此还是十分担忧，认为谢振宇是在挑战秦大地。
衣正邦讲述了余海洋牺牲的故事，含泪告诫在场试飞大队每一位飞行员，必须要抱着随时牺牲的觉悟，怀着使命与责任完成任务。秦大地把大家带到英雄山，让大家更深刻的理解从走进试飞大队开始，面对的就是随时可能的牺牲。众飞行员前往夏初、柳妮娜那儿做心理检测，初聊中夏初一眼看出了王小毛的心事，众人颇为吃惊。
秦大地在会上表达了试验试飞任务开始的急迫性，想要在全大队开展系列空中对抗赛，以成绩排出试飞顺序，耿见林、余涛、吴强都对此表达了赞同。就系列空中对抗赛的问题秦大地和陶斯勇找到衣正邦表达自己的想法和立场，同时陶斯勇坚决反对秦大地做第一试飞员，衣正邦也认为此举动风险太大。最终衣正邦同意举行系列空中对抗赛，前提是秦大地直接参与最终对决赛，以及未来每个项目阶段开始前都要进行一次系列赛，重新排布试飞顺序，以激发飞行员的积极性。
空军五虎商讨余涛对战谢振宇的战术，众人均表明了自己的想法，他们的对话给了余涛很多的启发，内心有了应战的对策。半决赛中，余涛改变往日的作战模式，效仿谢振宇的攻击手段，谢振宇被胜负欲望冲昏了头脑，猝不及防输掉了比赛。谢振宇在陶斯勇的强烈建议下去了去夏初那里，夏初在和谢振宇聊天过程中，发现是因为压力过大精神紧张导致的生理性呕吐，她带着谢振宇来到海边，经过二人的沟通谢振宇感觉身体恢复了许多。
秦大地与余涛的对决正式开始，二人的精彩较量让在场所有人惊叹不已，谢振宇眉头紧锁目不转睛地注视着两人的动作。几个精彩回合下来两人胜负难分，这时对讲机中却传来余涛要求结束比赛的声音，最终判定两人并列第一。谢振宇在比赛中排名第三闷闷不乐，康延成前来安慰。但谢振宇内心依旧不愿接受失败的事实，提交了离队申请书。得知此事的秦大地大怒，将谢振宇关了禁闭。
吴惊天约谢振宇来海边谈心，斥责谢振宇内心过于脆弱。吴惊天告诉谢振宇，当年秦大地也不是一次失败没有经历过就战胜了自己。谢振宇回到试飞大队，想要撤回自己的离队申请。秦大地和陶斯勇心里暗自高兴，秦大地松了口气，神情宛如重生。康延成把这些天憋在心里的不满全都吐露了出来，这也让谢振宇更加意识到了身上的责任和使命。
余涛代替秦大地担任现场LSO（着舰指挥员），第一试飞员秦大地进入驾驶舱，进行有关偏流板的火焰耐受试验，第一次数据试验成功；余涛交替，同样得到了理想的结果；最终谢振宇以超出规定时间三倍数值的数据结果，给第一次课目试验画上圆满句号。随即开始人、机、索适配性试验中的A40课目试验，这是基础中的基础，也是重中之重，此次试验试飞的成败将更加关键。试验场上，余涛代替秦大地担任现场LSO（着舰指挥员），第一试飞员秦大地进入驾驶舱，第一次试飞挂索失败。
谢振宇来到秦大地的宿舍，向他反思了今天在试飞场上犯的错误，并提出了合理化建议，秦大地感到欣慰。夏初给钱程打电话，接电话的是秘书笑笑，她称钱程喝多了自己送他回家，一旁的柳妮娜听后警告夏初不要大意。梁华提议陈亚红可以申请回避参与明日的试飞，但陈亚红却说要与余涛一起面对。冲索试验经历200余次的挂索失败后，专家组向衣正邦提出，希望将冲索试验速度和重量的量级提高，然而此举将对试飞员的身体造成伤害。
冲索试验开始，飞机尾钩以高速频率在跑道上跳动，凭借极大力量撞索成功。与此同时，意外发生，阻拦索接头崩断。机舱中，秦大地因巨大冲击眼前出现红视，以极快速度冲向大海，千钧一发，秦大地紧急刹车，保住即将坠下大海的飞机。试验中止，专家团发现索绳两侧拉力器接头的焊接部位出现崩裂是事故的直接原因。衣正邦宣布，直到秦大地出院归队前，余涛成为代理队长履行相应职责。
余涛冲索试验一飞成功，毫发无伤，众人欢腾。试飞大队接下来将要进行偏心试验，谢振宇自告奋勇想要担当第一试飞员，余涛不答应，他觉得B40A是最危险的试验课目，因阻拦索两端受力不均，一旦发生意外就有机头撞山的生命危险，谢振宇表示自己此时此刻应该站出来有所担当了。偏心试验开始进行，首次成为第一飞行员的谢振宇稳定发挥，使得这项高难度试验取得了成功。
夏初发现了未婚夫钱程与秘书关系不一般，心中难受，与柳妮娜诉说。专家组一致通过谢振宇等人提出的试验方案，关于由谁第一试飞，秦大地建议听首长安排，余涛不同意，与谢振宇争抢第一试飞员。周总、梁总针对试飞大队提出的B40B课目试验方案表示赞同，但是张天一认为这都是理论上的事情，提出在实操之前进行大量的模拟训练。衣正邦表示赞同，关于试飞顺序他表示要听专家团的意见。
余涛认为这堵“墙”的出现是一种瞬间错觉，他决定负责此事。谢振宇和秦大地到达基地模拟训练室试飞，但没有看到那堵“墙”。余涛经过试验，最终发现了那堵“墙”和云之间所存在的奥秘，得出这堵“墙”并不存在的结论，这一切都是由瞬间视觉错误导致的。试飞大队举行文艺演出活动，夏初接到了钱程母亲的电话，知道钱程出车祸住院。夏初给钱程打电话，却是秘书接了电话，告知夏初钱程的情况便匆匆挂断了电话。
秦大地到山西看望乌晓和儿子，乌晓也告诉了秦大地秦熠的治疗有效果，秦大地看到儿子的情况后也喜极而泣。夏初来到医院看望住院的钱程，撞见钱程与秘书笑笑举止亲密，夏初要求与她单独聊聊。笑笑坦言钱程需要的是一个贤妻良母，需要有人照顾和陪伴，夏初的职业使然，根本无法给到钱程他想要的生活，并摊牌她已经怀孕了。知道秦大地为医药费的事情发愁，陶斯勇等人准备帮助秦，但他再三声明，秦大地最不能接受战友对他的接济，借医药费的事情绝对要严格保密。
夏初来到钱程的病房，在钱母面前正式向钱程提出了分手。陈亚红跟着余涛来到家里，两人张罗着晚饭。余母见到两位满心欢喜，说着把婚期改了觉得挺对不住亲家的，陈亚红起身说让余母做见证人，当场就把婚礼办了，余母被忽然而至的惊喜感动得双眼泪目。试飞大队转入陆上模拟航母甲板着舰试飞的试验，专家团提出一是突破舰载机模拟航母甲板着舰的关键技术，二是从着舰的角度检测人、机、索、舰、灯的适配性。
谢振宇仔细观察着降落过程，他登机试飞，没有按照原指令降落，反而加快速度，急速朝着舰点落去。队内会议上大家讨论指出，飞机在飞行过程中无法始终保持看灯飞行，因灯光下滑通道是一条直线，而减速降落只能飞出一条曲线，最终飞机只能落在线上而无法落在点上。心理支援小分队对全体飞行员进行了一次全面的心理分析检查。秦大地、谢振宇等人依次被催眠，飞行员们内心隐藏的故事纷纷揭露。
在余涛挂索失败后，谢振宇两次拉升飞行，然而冒险过后试验依旧失败。试飞大队开会检讨飞机着落不准的原因，队员们各执一词。会后秦大地找到谢振宇、余涛与耿建林继续讨论，秦大地却并不赞同挂索失败是飞行速度的问题，而训练不足才是飞机着落失败的主要原因。为了验证自己的观点，余涛与谢振宇分头查询，从美苏两国舰载机着舰的准确时间入手论证自己的设想。
谢振宇建议在小组公开秦大地和吴惊天鹞式飞行的飞行资料，先有个心理准备以及学习基础。深夜陶斯勇给衣正邦打电话，汇报谢振宇和余涛关于鹞式飞行的想法。按照衣正邦的要求，试飞大队召开着舰技术攻关大会，邀请中船中航的专家参会。
