海洋大气环境中飞机的环境损伤和环境适应性

骆　晨，李　明，孙志华，汤智慧，陆　峰

(1．北京航空材料研究院 航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室， 北京 100095； 2．中国航空综合技术研究所， 北京 100028)



海洋大气环境中飞机的环境损伤和环境适应性

骆晨1，李明2，孙志华1，汤智慧1，陆峰1

(1．北京航空材料研究院 航空材料先进腐蚀与防护航空科技重点实验室， 北京 100095； 2．中国航空综合技术研究所， 北京 100028)

海洋飞机90%以上的时间处于停放状态，影响海洋飞机环境适应性的最重要因素包括海洋大气自然环境和由设备工作散发的热量或排泄的废气所形成的诱发环境。国外海洋飞机服役过程中的环境损伤主要为结构、零部件的腐蚀，已构成当前航空装备头等重要的安全问题；我国海洋飞机暴露出的环境损伤问题涉及结构、电子产品等方面。国外对海洋飞机环境适应性的研究主要集中在：舰船平台环境及环境效应基础数据的积累；针对舰船平台特殊环境条件的新试验方法的研究；环境试验方法与海洋飞机寿命期任务特点的结合；针对海洋飞机环境效应数据的应用。我国对海洋飞机环境适应性的研究主要包括三个方面：舰船平台环境测量与分析；舰船平台环境影响研究；模拟舰船平台环境试验方法研究。对未来海洋飞机环境适应性，亟需研究关键材料、易腐蚀结构及机载电子产品在舰船平台环境下的环境效应变化规律，积累舰船平台环境的气候因素和污染物因素数据，建立相应的环境谱，建立针对易腐蚀结构的模拟舰船平台环境实验室加速试验方法和装置，以支撑海洋飞机环境工程工作。

环境；损伤；环境试验；环境适应性

研制、采办、升级和改进海洋大气环境服役飞机(以下简称海洋飞机)是我国海军装备建设的头等优先任务。由舰载机(海洋飞机的重要类型)、巡洋舰、驱护舰、潜艇等组成的以航母为核心的战斗群是当今世界军事强国海军完成海上控制、抵近威慑、舰队防空、作战空间管理和预警指挥、压制和摧毁敌防控及纵深打击等作战使命的中坚力量；其中，舰载机(包括固定翼飞机和直升机)是关键组成部分，承担和完成了航母作战编队的绝大多数作战使命[1]。本文从服役环境特殊性，服役过程中的环境损伤等方面探讨海洋飞机遭遇的环境适应性问题，并分析海洋飞机环境适应性研究的进展。

1　海洋飞机服役环境的特殊性

海洋飞机使用寿命90%以上的时间处于停放状态，因此停放环境是影响海洋飞机环境适应性的最重要因素，环境条件涉及自然环境和诱发环境。

海洋飞机面临的自然环境为海洋大气环境，基本因素包括温度、湿度、风、降水、太阳辐射、海水飞溅作用等。与内陆环境相比，其高温、高湿及高盐雾的特性突出，全年平均湿度达到87%，盐雾含量更是达到0.3694 mg/(100 cm2·d)，超过内陆地区近100倍以上。当相对湿度超过临界湿度时，飞机表面形成连续水膜，氧的去极化作用能够迅速进行，电化学腐蚀发生[2-5]。盐雾溶解于飞机表面水膜中形成盐溶液，提高介质的电导率和酸度，同时Cl-离子半径小，穿透力强，对钝化膜、氧化膜及有机涂层等的破坏作用明显，可造成金属结构较深的局部腐蚀[6-8]。因此，海洋大气环境中金属的腐蚀要远高于内陆地区，以海南万宁的热带海洋大气环境为例，其对钢的腐蚀速率是江津等内陆地区的2至4倍。

表1　美国舰载机外表面水膜中所含燃料废气沉积物分析

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，其来源通常包括两个：一是航母上各部件机械运动诱发产生的，如发动机、发电机、齿轮箱、螺旋桨、舰炮的射击等；二是海浪运动引起的，如海浪拍打、船体的倾斜与摇摆、船体拍打海面等[12]。除此之外，海风尤其是强风也会诱发舰载机产生机械振动。这些机械振动和腐蚀环境作用在一起，能够诱发应力腐蚀开裂或者腐蚀疲劳，对舰载机产生不利影响。

2　海洋飞机服役过程中的环境损伤

2.1国外海洋飞机的环境损伤情况

图1　F/A-18飞机折叠翼的腐蚀失效Fig.1　Corrosion failure of a folded wing on F/A-18 airplane

海洋飞机服役环境的特殊性对飞机安全性、可靠性的影响显著，由此造成的飞行事故频频发生。1983年，美国海军1架F/A-18飞机由于不锈钢油管接头发生晶间腐蚀，造成飞机坠毁的恶性事故。图1为该型飞机出现的另一起典型腐蚀事件，腐蚀发生在折叠翼连接孔的周围。2002年，美国海军F-14舰载机前起落架支柱发现蚀坑，为避免其诱发结构断裂等灾难事故，被迫停飞[13]。美国某型直升机发动机叶片，在热带沿海的使用寿命为1200 h，而用于舰载机时，使用寿命下降到不足300 h[14]。

由环境效应引发的海洋飞机故障给部队机务维修工作带来了沉重的负担，造成维修费用提高和飞机服役期限降低。美国海军的统计数据表明：从1994年到2004年，舰载机腐蚀损伤检查、维修时间占综合检查维修时间的36%；由于腐蚀损伤，海军航空装备每年直接损失达10亿美元左右，因腐蚀原因而引发的安全事故224件，涉及飞机227架。美国海军每年用于应对舰载机腐蚀问题的费用达到20亿至30亿美元，占海军年维修费用的1/3[13]。美国海军明确提出结构及设备等严重、广布的腐蚀损伤已构成当前航空装备头等重要的安全问题。

2.2我国海洋飞机的环境损伤情况

借鉴内陆大气环境服役飞机/直升机环境损伤方面的经验和教训，我国海洋飞机在环境适应性设计方面都不同程度地采取了通风排水、结构密封、结构选材、零件构型及维护性等主动防护技术。相较于内陆飞机/直升机，海洋飞机环境适应性设计特征表现为突出完整性，强调细节设计。然而，在恶劣的服役环境下，海洋飞机环境损伤情况与内陆飞机/直升机相比仍呈现出早、快的特点。目前，海洋飞机在科研试验和服役中暴露出的环境损伤问题涉及结构、电子产品等方面。

从对某型海洋飞机腐蚀状况的调研来看，机体结构发现了若干腐蚀问题。该型海洋飞机虽然采取湿态装配及装配后整体涂漆等防护技术，但防护体系失效的情况仍在机身下部蒙皮等外表面易积聚腐蚀介质的连接部位出现(图2)。起落架等外露部位结构钢目前普遍使用的镀铬、高速火焰喷涂等耐磨层均有一定孔隙率，在实际使用中维护不及时就会出现基体金属腐蚀的情况。另外，腐蚀介质容易浸入的摩擦磨损部位也是腐蚀较为敏感的部位。

在机载电子产品方面，某型海洋飞机XX系列电缆接头、XX系列穿墙密封电连接器发生了腐蚀，造成产品啮合力和分离力增大，影响了机械插拔寿命，同时对滑油温度探测器插头造成污染，产生断路和接触不良的问题。某信号器也由于腐蚀造成指示器卡滞，不能有效读数。图3为该型机电连接部位出现腐蚀的外观照片。

另外，零部件在储存、运输、装配等过程中，表面防护体系会出现不同程度的损伤，完整性和连续性受到破坏。表面处理和表面防护层的损伤往往引起边缘效应，加剧腐蚀。以往的环境适应性设计技术比较注重零件状态下的防护，对储存、运输、装配中的防护不足，而这些防护缺陷在恶劣的服役环境下可能成为腐蚀多发区和重灾区。

每一阶段军用飞机的环境适应性设计都是在对之前飞机在使用、维护过程中出现的环境损伤事件(事故)充分分析研究后基于经验的研究方法逐步建立并完善起来的。以往的环境适应性设计技术主要针对内陆飞机，在形成过程中已有大量的内陆飞机处于不同的状态，从生产、服役、大修、到再次服役直至退役；这些不同状态的飞机，为环境适应性设计提供了大量丰富的实践经验和教训，使设计目标和状态明确，针对性强。由于我国尚没有海洋飞机长期服役，缺乏可直接借鉴的经验，其环境适应性的系统研究刚刚起步。因此，目前海洋飞机的环境适应性设计只能以内陆飞机为参考，进行局部完善，虽然加强了装配过程中防护设计，但整体提升有限。以上实例中我国海洋飞机已经发生的环境损伤问题说明了目前海洋飞机环境适应性设计的局限性。

随着海洋飞机大规模长时间地服役，尤其是在热带海域执行远洋任务，将面临更加严酷的寿命期环境的影响，届时环境损伤现象将日益严重，出现更多的由环境适应性不足引起的故障。以目前海洋飞机具有的环境适应性水平，将会带来使用和保障费用的居高不下，造成我国海军作战效能大打折扣。

3　海洋飞机环境适应性研究进展

切实有效地提高环境适应性水平是目前我国海洋飞机研制必须解决的关键问题之一。海洋飞机环境适应性研究的开展将从环境适应性设计要求确定、环境试验验证等环节支撑海洋飞机环境工程工作，解决我国海洋飞机研制中缺乏环境试验方法的问题。

3.1国外研究现状和发展趋势

3.1.1重视舰船平台环境及环境效应基础数据的积累

美国等海军强国将舰船平台的环境观测工作作为装备研制的重要基础工作之一。通过越南战争、中东战争、马岛战争、海湾战争等一系列实战考核，美国深刻体会到随着战场区域的变化，武器装备的环境条件有着极大的差异性。不同海区的气候环境以及新型平台的装备配置和结构变化对武器装备形成更加严酷的环境条件；因此，为了适应其海军全球战略需求，需要通过对各类在役典型武器平台进行长期跟踪，全面、持续地开展平台环境数据采集、积累工作。

从上世纪开始，美国借助在役航母平台上开展了大量的舰载机材料、结构及设备的随舰暴露试验[15-17]。有资料表明，这一工作直到2004年仍在持续开展。项目初期投放样品主要是舰载机典型材料试片和结构试件等，目的是为舰船平台特殊环境效应分析提供数据，为开发更加符合舰船平台环境影响的试验方法提供参考。美国海军航空发展中心(NADC)提出的酸性盐雾试验方法便是以这类试验数据为依据建立的[18]。随着项目的进行，投放样品涵盖了大量航空新型材料，并针对不同的航线和任务开展了专题研究，以确定新材料对舰船平台环境的耐受性，为新型舰载机的研制提供直接的数据。

3.1.2重视针对舰船平台特殊环境条件的新试验方法的研究

针对相对传统装备更加严酷的环境条件和相应的环境效应，美国等海军强国研究并应用了新的环境试验方法。酸性盐雾试验方法、弹射起飞冲击和拦阻着舰冲击试验方法等就是新试验方法的典型代表。

新试验方法的提出、研究直至上升为通用试验标准需要大量基础性研究工作作为支撑。以酸性盐雾试验方法为例，首先，该方法以大量舰船平台环境观测数据和随舰暴露样品的环境效应数据为基础提出的，美国NADC对海军飞机材料在实验室开展了大量加速腐蚀试验，结果表明MIL-STD-810的中性盐雾试验不适用于考核舰载机的盐雾环境适应性；通过对舰船平台盐雾环境特点及其作用机制的进一步研究，逐渐认识到建立一种能够反映舰船平台盐雾环境酸性特征的新型试验方法的必要性。其次，试验方法的初步建立和逐渐完善需要以大量实验室验证试验和环境效应相关性分析为基础。在大量实验室验证试验工作的基础上，NADC逐渐形成了NADC-81174-60高温酸性盐雾试验方法，验证试验结果表明，该方法能够较好地模拟舰船平台的特殊盐雾环境。在此基础上，经过进一步的试验条件优化，形成了更具通用性的ASTM G85附录4盐/SO2喷雾试验方法。ASTM专业技术刊物第866期上刊出的研究报告《开发一种加速试验：问题与缺陷》指出，盐雾与SO2循环比连续地在盐雾中加入SO2能更好地与航母暴露试验相符。自此，酸性盐雾试验方法在技术层面上达到成熟。

这些新方法的应用不仅为舰载机环境适应性的验证提供了手段，而且为更加全面、合理地确定舰载机的环境适应性设计要求提供了参照，促进了舰载机对特殊环境耐受能力的提升。

3.1.3重视环境试验方法与海洋飞机寿命期任务特点的结合

20世纪80年代，低可靠性水平严重地削减了美军海洋飞机作战效能，与此同时保障费用不断增加。美国海军武器系统和设备可靠性面临巨大压力的主要原因之一是由于当时的设计和试验要求不足以充分代表机体结构、设备在实际使用中所经受的环境。为此，在F-18飞机研制过程中，美军针对飞机关键结构制定了“涂层加速试验环境谱及试验程序”[19]，简称“CASS谱”(图4)。针对军用飞机在亚热带沿海地区服役的环境条件，该谱一个试验周期包含五个试验项目，与外场使用1年当量，考虑了停放环境中加速腐蚀(老化)的环境因素，如湿热、辐照、盐雾、污染物等，并考虑了由飞行任务诱发的温度变化环境以及飞机服役过程中的循环载荷作用，从飞机结构寿命期任务特点的角度将影响结构使用寿命的环境和载荷因素综合在了一起。

图4　涂层加速试验环境谱[19]Fig.4　Accelerated testing environmental spectrum for coating[19]

3.1.4重视针对海洋飞机环境效应数据的应用

在美国海军航空装备维修方案的不断改革中，环境损伤问题是影响新维修方案效果的重要原因。例如，对机体结构的腐蚀情况检查一直是海洋飞机的维护工作中的重要内容，其中检查周期等维护参数主要是依据不同结构的易腐蚀程度以及腐蚀对飞机的影响修定的[20]。维修方案的进步使得飞机的平均维修工时和非服役时间显著减少。另外，大量新型航空防护工艺和技术的开发和应用都以海军航空装备的环境腐蚀防护为背景[21-23]。

3.2国内研究现状及目前存在的问题

3.2.1舰船平台环境测量与分析

近年来，针对我国周边高温、高湿、高盐雾的海域开展了温度、湿度、盐雾、太阳辐射等气候环境参数的实船测试。针对某型新入列舰船开展了实船舱室温湿度、振动冲击噪声等平台环境参数为期1年的测试，数据来源于实际工况，主要为装备日常运行条件下的环境数据，初步掌握了我国在役典型舰船平台环境的基本情况。但是，目前观测周期仍较短，数据不够丰富。另外，由于条件限制，尚不能全面覆盖舰船平台环境范围，缺乏系统性，例如，对于在舰船平台上服役的海洋飞机，还没有开展相关气候、机械环境数据的测量与分析，不能有效地支撑飞机结构和机载设备的环境条件分析和环境模拟。

3.2.2舰船平台环境影响研究

借助中、小型舰船开展了典型航空材料和结构试样的随舰暴露试验，获得了样品在气候严酷海域及舰船平台环境下的腐蚀行为数据，能够为实验室模拟试验方法的研究提供支持，但是，在大型舰船平台上的环境试验工作尚未开展。

3.2.3模拟舰船平台环境试验方法研究

近年来，北京航空材料研究院、海军工程学院青岛分院[24]、中航工业综合技术研究所、北京航空航天大学[25-27]、中科院腐蚀与防护研究所[28]等单位相继开展了盐雾、紫外辐射、太阳辐射、腐蚀性气体(SO2等)等环境因素的(综合)环境试验技术、环境谱和腐蚀模型研究，取得了一些加速试验方法和试验数据，并对不同环境因素的协同影响和叠加影响机制进行了探讨；但是，这些方法针对的试验对象主要是材料，如何将使用对象扩展至典型结构、电子产品等仍需进一步工作。另外，对于气候、力学综合环境试验方法的研究在国内还属于空白。

4　结束语

仅以内陆飞机的使用维护经验为基础已经无法解决海洋飞机服役过程中的环境损伤问题。面对恶劣的舰上使用环境，结合国内外海洋飞机服役过程中出现的环境损伤情况，亟需开展舰船平台环境海洋飞机环境适应性研究。建议在环境测量与分析方面，积累舰船平台环境因素数据并建立相应的环境谱；在环境影响研究方面，积累典型材料及防护体系、易腐蚀结构、机载电子产品在舰船平台环境下的环境效应数据并研究变化规律；在环境试验方法研究方面，建立模拟舰船平台环境的实验室加速试验方法及装置并开展验证和应用研究，以满足在研和新一代海洋飞机的环境适应性需求。这对有效提升海洋飞机的环境适应性水平，保障我国海军作战效能以及有效控制使用费用和保障费用具有十分积极的意义。

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(责任编辑：徐永祥)

Environmental Damage and Environmental Adaptability of the Aircraft in Marine Atmosphere

LUO Chen1，LI Ming2，SUN Zhihua1，TANG Zhihui1，LU Feng1

(1．Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Corrosion and Protection for Aviation Material, Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China； 2．China Aero-Polytechnology Establishment, Beijing 100028, China)

Naval aircrafts are in parking condition in 90% of their life time. The most important factors that influence the environmental adaptability of naval aircrafts include marine atmospheric environment and the induced environment formed by heat and waste air from equipments. The main environmental damage of foreign naval aircrafts during service is the corrosion of structures and components, which is the most severe safety issue for aeronautical equipment. Naval aircrafts in China exhibits environmental damage related to structures, components and electronic devices. Environmental adaptability research on foreign naval aircrafts is focused on accumulation of shipborne environmental data, new testing methods for the shipborne environment, the combination of environmental testing methods and naval aircraft life time task characters, and the application of naval aircraft environmental data. Environmental adaptability research of naval aircrafts in China is mainly in three aspects: measurement and analysis of shipborne environment, the impact of shipborne environment, and environmental testing methods for simulation of shipborne environment. The future research is outlooked. It is considered that the changing rules of environmental effects of typical materials, corrosion susceptible structures, and aircraft electric products in shipborne environment should be studied. Environment factor data should be accumulated with the corresponding environment spectrum established. Laboratory testing methods and equipment simulating accelerated shipborne environment should be established for corrosion susceptible structures in order to support the environmental engineering work for naval aircraft.

environment； damage； environmental testing； environmental adaptability

2016-03-02；

2016-03-29

国防科技工业技术基础科研项目(JSHS052015A001)；国家自然科学基金资助项目(51201157)

骆晨(1984—)，男，博士，高级工程师，主要研究方向为环境试验与观测、表面工程，(E-mail)chen.luo.23@qq.com。

10.11868/j.issn.1005-5053.2016.3.011

TG174.4

A

1005-5053(2016)03-0101-07