舰载机环境分析及环境试验技术探讨

史为民 李 明 常海娟

（1. 海军装备部飞机办公室，北京100071；2. 中航工业综合技术研究所，北京 100028）

舰载机是可由航空母舰等舰船搭载和使用的军用航空器，按用途主要包括舰载战斗/攻击机、舰载侦察机、舰载加油机和舰载运输机等[1]。由于其特殊的部署位置，舰载机停放、起飞和降落过程中所经受的环境条件与陆基飞机有很大的不同，其上安装的机载设备、外部工艺件以及地（舰）面保障设备也将经受特殊环境条件的考验，对于这类特殊舰载环境条件及其对舰载机的影响，目前国内研究较少，如何针对新的特殊环境对舰载机机载设备进行充分试验验证，目前国内也没有形成广为接受的试验标准或规范。本文将对舰载机所面临的特殊环境进行分析研究，结合国内外在舰载机环境试验方面的现状，提出舰载机的环境试验建议。

1 舰载机特殊环境分析

1.1 停放环境

舰载机有90%以上的时间停放在航母甲板或甲板下方的机库内，须适应我国海域甚至全球海域最极端的气候环境和航母平台诱发的特殊舰载环境。舰载机将经历的停放环境因素包括：温度（高温和低温）、湿热、盐雾、酸性大气、太阳辐射、淋雨、海水喷溅等气候环境，以及母舰诱发的振动、颠震、倾斜与摇摆等机械环境。

舰载机一直处于高湿、高盐雾的海洋大气环境中，尤其是在热带海域，舰载机还将经受“三高”（高温、高湿和高盐雾）环境的考验。对于舰载机来讲，经受的更为特殊的腐蚀性环境是酸性盐雾。航母动力装置排放的燃烧废气以及舰载飞机起飞、降落排放的尾气与高盐雾海洋大气形成局部富集SO2、NO2等污染物质的酸性盐雾气氛。美国某航空协会已经验证了停放在飞行甲板上的飞机表面聚积的湿气中含有并具有较低的pH值（约为2.4~4.0）[2]。酸性盐雾对材料和设备的腐蚀或老化具有强烈的加速性[3,4]，例如，一些抗中性盐雾能力强的有机涂层在酸性盐雾环境中很快就出现酸斑等局部破损，使用寿命显著降低。

此外，舰载机在停放过程中还会经历航母平台诱发的机械环境，其振源通常包括两个，一个是航母上各部件机械运动诱发产生的机械环境，如发动机、发电机、齿轮箱、螺旋桨、舰炮的射击等诱发的机械环境，另一个是海浪的运动引起的机械环境，如海浪的拍打、船体的倾斜与摇摆、船体拍打海面等诱发的机械环境。除此之外，海面上的风，尤其是强风也会诱发舰载机产生机械运动。这些机械振动会对舰载机产生一定的不利影响，特别是机械振动和腐蚀环境作用在一起，会诱发出应力腐蚀或者腐蚀疲劳现象。

1.2 使用环境

舰载机使用环境包括飞行环境和起飞/着舰环境，其中飞行环境和陆基飞机相同，其面临的特殊环境主要体现在舰载机的起飞和着舰方面。

图1 测量的三轴向拦阻着陆部件的加速度响应时间历程

舰载机的弹射起飞会对飞机及机载设备产生一个较大的弹射加速度和剧烈的冲击环境，该冲击事件是由两个冲击之间插入一个瞬态振动构成的一个复杂波形。由于航母的起伏和摇摆，舰载机必须以无拉平、大斜角、大下沉速度状态着舰，降落滑跑过程中还要用阻拦索来使飞机迅速减速。这使得舰载机要承受比陆基飞机大得多的撞击载荷，纵向加速度大了一倍以上。拦阻着舰冲击能量较大，根据拦阻索工作特点，该冲击本质上为长行程冲击，即为持续时间长的低加速度峰值大位移冲击，后面叠加一个瞬态振动。典型拦阻着舰冲击波形如图1[5]所示。弹射冲击和拦阻着舰冲击从频域特点来看，低频特点显著，会对低频敏感的设备造成影响，例如机载外挂设备和带减震装置的设备。长时间高频施加这些冲击会在一些机载设备上造成明显的动态和/或低循环疲劳损伤。

2 舰载机环境试验的国内外现状分析

2.1 国外现状分析

国外舰载机机载产品进行的环境试验项目包括全部陆基飞机环境试验项目、舰载诱发的特殊起飞和着舰与停放环境试验项目。对于某些舰载机特殊环境试验，如弹射起飞和拦阻着舰冲击试验，国外开展了大量的研究工作，但公开的技术资料很少。

MIL-STD-810F/G《环境工程考虑和实验室试验》方法516提供的最后一个试验程序为弹射起飞和拦阻着陆冲击，显然该试验程序针对的是舰载机。这说明国外舰载机机载设备（特别是机载外挂）的环境试验中必然含有弹射起飞和拦阻着舰冲击试验，但是，标准未给出明确的试验条件，而是提出必须通过实测或者计算来确定相应的试验条件，这就给标准的使用带来了很大的困难。

针对舰载平台特殊的酸性盐雾环境，在制修订MIL-STD-810F时，美国海军提出了“将SO2引入盐雾试验方法，用于再现航母盐雾环境（飞机尾气与盐雾环境化合产生的废气）影响”的要求。S.J. Ketcham等人[2]指出：氯化钠与二氧化硫循环试验与航母暴露试验相符，盐雾与二氧化硫循环较之连续地在盐雾中加入二氧化硫更好的与航母暴露试验相符。考虑到在一些工业区中存在更为普遍的酸性大气环境，为保证标准的通用性，美国军方在MILSTD-810F中增加了“酸性大气”试验方法，以确定在酸性大气区域贮存或使用的装备抗酸性大气腐蚀的能力。由于该标准没有考虑舰载平台酸性大气和盐雾综合环境对装备的协同作用，因而不足以用来评估酸性盐雾对舰载机的影响。

美国海军航空发展中心（NADC）对海军飞机基础材料、组件开展了大量腐蚀试验研究[6～8]。通过与航母平台暴露试样环境效应对比，形成了较成熟的酸性盐雾试验方法，即NADC81174-60，该试验能够较好地模拟航母平台特殊盐雾环境的影响。这一试验方法主要是通过材料级腐蚀试验研究得到的，对于舰载机机载设备是否适用尚无明确说明。

2.2 国内现状分析

我国在舰载机型号研制中非常重视环境试验工作。对某型舰载机机载设备，在上舰试飞前开展了低温、高温、温度冲击、温度-高度、低气压、淋雨、湿热、霉菌、盐雾、加速度、冲击、振动、炮击振动、砂尘等环境试验。其中，考虑到海洋大气环境的高盐雾特点，中性盐雾试验时间较原型机增加一倍，达到96h；考虑到拦阻着舰会诱发出更大的-X方向加速度，将-X方向加速度量值调整到5g（陆基飞机为2.5g）。虽然对部分试验条件进行了有针对性的调整，但可以看出，我国对舰载机开展的环境试验项目与陆基飞机并没有任何差别，部分试验条件（如盐雾）的加严也缺乏实测数据和基础研究的支撑，并没有针对舰载机面临的特殊环境及其影响开展新的环境试验项目或试验程序。

总体说来，国内对舰载机开展的现有试验存在考核不充分的风险。以腐蚀性气氛试验为例，国内舰载机机载设备按GJB 150A-2008《军用装备实验室环境试验方法》进行湿热和连续喷雾的中性盐雾试验，既不能反映舰面“三高”以及干湿交替的极端腐蚀环境，也很难有效模拟酸性盐雾气氛。而对于机载设备的着舰冲击试验，由于技术能力不足和缺少有效的试验手段，目前也基本未进行，这给舰载机的使用带来风险。

3 舰载机环境试验技术探讨

舰载机环境试验项目应包括常规陆基飞机全部环境试验项目和针对舰载环境开展的特殊环境试验项目，其中，特殊环境试验项目包括弹射起飞和拦阻着舰冲击试验、酸性盐雾试验以及综合环境试验等。舰载机环境试验大部分可参照相关国军标执行，对于特殊环境试验项目，试验方法和试验条件等需根据舰载机具体情况加以确定。下面对三种特殊环境试验项目的试验技术进行简要探讨。

3.1 弹射起飞和拦阻着舰冲击试验

弹射起飞和拦阻着舰冲击试验条件的确定方法包括有实测数据的情况和无实测数据的情况，应尽量使用实测数据确定冲击试验条件。

在有实测数据时，可选用实测冲击波形或者冲击响应谱（SRS）两种方法来规定冲击试验谱。其中，直接使用实测冲击波形，能够更真实地模拟实际情况，是进行冲击试验的最佳方法。冲击响应谱指通过一个复杂瞬态过程合成冲击波形，该冲击的有效持续时间Te与实测冲击的有效持续时间Te近似，波形相似，峰值和过零点相似。该方法根据冲击响应谱和有效冲击持续时间，采用复杂瞬态过程合成波形进行冲击试验，是目前最常用的方法，适用于有多个实测波形样本情况。其具体实验条件归纳方法可参见GJB 150.18A附录B规定的“数据集上限的统计分析方法”进行。

GJB 150.18A程序Ⅷ——弹射起飞和拦阻着舰规定了在没有实测数据的情况下，拦阻着舰冲击试验谱的规定方法。通过对飞机结构进行分析，可以知道机上各结构部位上的响应主要取决于机体自身的结构特性，其冲击响应特性主要由飞机结构的第一阶模态频率和振型决定，近似为瞬态正弦振动，瞬态正弦振动持续时间受到结构阻尼特性等的影响，一般不超过2s，因此，在模拟拦阻冲击环境时，可以选择持续时间为2s的瞬态正弦波进行。在没有实测数据时，应通过理论计算来确定弹射起飞和拦阻着舰冲击试验条件，计算时应根据最大速度变化，来预估飞机预期经受的最大瞬态力，然后再通过结构分析，确定机体第一阶模态频率和振型，该频率即为试验波形频率，瞬态波振幅根据机体位置、一阶模态振型和瞬态冲击力综合确定。

3.2 酸性盐雾试验

由3.1节介绍可知，盐雾与二氧化硫的循环作用可以较好地模拟舰载平台酸性盐雾环境的影响。NADC 81174-60规定的酸性盐雾试验具有较好的参考价值，其具体试验条件在相关文献中已有探讨[9]。舰载机机载设备最好采用类似的酸性盐雾试验方法开展试验，但需要开展针对机载设备的适用性分析和验证工作。

目前我国在酸性盐雾试验方法方面开展的研究验证工作还比较少，也缺乏真实环境下的暴露试样进行环境效应对比，使用新的试验方法恐难以得到广泛认可且具有一定风险。在现阶段，也可按照GJB 150A，采用酸性大气和中性盐雾两种试验组合的折中方式检验产品对酸性盐雾环境的耐受能力。

GJB 150.28A给出了考核在酸性大气地区（如工业区或燃烧设备的废气附近）贮存或使用的装备的试验方法。该试验有两个严酷等级：a) 喷雾2h、贮存22h为一个循环，共3次循环；b) 喷雾2h、贮存7d为一个循环，共4次循环。其中b)适合于在船舶烟囱的高酸度废气附近的暴露情况。建议对舰载机非密封舱内设备、外挂设备等采用b)程序考核。对于中性盐雾试验，建议按照交变喷雾试验方法对机载设备开展96h盐雾试验。组合试验中，采用同一试件进行中性盐雾和酸性大气两项试验，并将中性盐雾试验和酸性大气试验分时段组合进行，以进一步增加考核严酷性。

3.3 综合环境试验

GJB 150A和MIL-STD-810G均指出：综合环境试验可能比一系列连续的单个试验更能代表实际环境效应，使用环境中遇到这些条件时，鼓励进行综合环境试验。舰载机面临的环境，特别是气候环境组成因素多，条件严酷，而且温度、湿度、电解质、太阳辐射等共同诱发的化学腐蚀、电化学腐蚀、光老化、热老化以及干湿交替作用机理复杂，很难通过单项环境试验进行环境效应模拟。因此，建议在舰载机环境试验中，尽可能采用综合环境试验对机载设备进行考核。

近年来，我国在综合环境试验条件建设、综合环境试验方法及腐蚀模型研究方面开展了不少工作，取得了一定的成绩。中航工业301所建设了国际领先的全球大气试验箱，能够开展集盐雾、湿热、太阳辐射、淋雨等环境的综合环境试验。北京航空航天大学、中科院腐蚀与防护研究所等单位[10,11]也相继开展了综合盐雾、紫外线辐射，腐蚀气体（SO2等）等环境因素的综合环境试验技术和腐蚀模型研究。上述成果能够为我国舰载机机载设备的综合环境试验方法研究和实施提供有力的支撑。

4 结论及建议

由于航母平台的存在，舰载机经历的环境比陆基飞机更为苛刻，存在特殊的高腐蚀环境、舰船振动环境和弹射起飞/拦阻着舰冲击环境等，这些环境对舰载机上不同部位的产品具有不同程度的影响，在剪裁舰载机成品环境试验项目时应该予以重视。

受到现有技术条件和研究水平的限制，目前我国已有舰载机的环境试验项目和试验条件虽然在陆基飞机基础上针对舰载机特点进行了一定修正，但这些修正还存在考核不充分的风险，为此建议：

a) 利用我国已有舰载平台，尽快开展舰载机特殊环境测量与分析、典型材料和机载产品的环境暴露试验工作，为舰载机环境试验条件确定和新的试验方法研究提供基础数据支持；

b) 加强舰载机弹射起飞/拦阻着舰冲击试验方法、机载设备酸性盐雾试验方法、机载设备综合环境试验方法研究，制定相关环境试验规范，确保舰载机机载成品能够在特殊舰载环境中高可靠性地工作。

[1] 海军装备部飞机办公室. 国外舰载机技术发展［M］. 北京：航空工业出版社，2008.1.

[2] Ketcham S.J. Accelerated Laboratory Corrosion Test for Materials and Finishes Used in Naval Aircraft［R］. Naval Air Systems Command Report NADC-77252-3, of 14 Sep 1977

[3] Tankins E., Kozol J. and Lee E. Shipboard Exposure Testing of Aircraft Materials Aboard Uss Ranger［R］. Naval Air Warfare Center Report NAWCADWAR-94019-60, of 2 May 1994

[4] 王素华，王秀霞，樊庆和. 舰载直升机的腐蚀与防护［J］. 海军航空工程学院学报，19（2004）343-345.

[5] GJB 150A-2009 军用装备试验室环境试验方法［S］.

[6] Edwin S.T. Kozol J. and Lee E. Shipboard Exposure Testing of Aircraft Materials［C］. Tri-Service Conference on Corrosion Proceedings.

[7] Lee W. and Abourialy N. Aircraft Carrier Exposure Testing of Aircraft Materials［R］. Naval Air Warfare Center Report NAWCADPAX/ TR-2004/19, of 9 Jan 2004.

[8] Morris A.W. Corrosion Control Test Method for Avionic Components［R］. Naval Air Development Center Report NADC-81174-60, of 25 Sep 1981.

[9] 张令波，程丛高. 舰载直升机环境条件确定方法探讨［J］.航空标准化与质量，5（2011）25-29.

[10] 王振尧，于国才，韩薇. 钢的大气暴露腐蚀与室内模拟加速腐蚀的相关性［J］.腐蚀科学与防护技术，16 （2004） 70-73.

[11] 朱立群，李敏伟，刘慧丛. 高强度钢表面镀锌、镉层加速腐蚀试验的研究［J］.航空学报，27 (2006) 341-346.