空空导弹弹体结构海洋环境腐蚀防护

肖 军, 廖志忠, 吴连锋

(1.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009；2.海洋涂料国家重点实验室，山东 青岛 266071)

0 引 言

高温、高湿、高盐雾、强紫外线(三高一强)和微生物综合作用，容易引起海洋环境中空空导弹金属结构腐蚀、电器短路、非金属老化、运动部件失灵等故障，不仅影响导弹外观，还存在功能异常和事故等风险。海洋环境腐蚀防护是关系到战斗力的一个重要问题。为适应我国近海防御、远洋护卫，攻防兼备蓝色海军的发展战略，满足沿海及远洋、舰面及岛礁基地长期服役的要求，有必要开展弹体结构适海性相关的腐蚀防护应用研究。

海洋环境中的弹体防护涉及电化学、材料学、环境工程、生物学和结构兼容等诸多学科，是一项多学科、复杂的系统工程[1]。本文讨论了空空导弹弹体结构在海洋环境中腐蚀防护相关问题。

1 海洋环境中的空空导弹

1.1 结构材料及防护

空空导弹弹体通常由多个圆形截面、不同功能的薄壳舱体连接而成[2]，弹体外装有舵面翼面和电缆整流罩等结构件，舱体内各电气组件和仪器仪表通过框架和紧固件与弹体连接固定。

为提升导弹的射程和机动性，结构设计通常选用比强度和比刚度高的工程材料。由于外形尺寸严格受限，除红外、激光、电磁透波等窗口材料外，弹体结构多设计成铝合金、镁合金、钛合金、高强度不锈钢、超高强钢(发动机)薄壁结构，舵面和旋转尾翼等采用耐蚀钛合金或不锈钢结构。

弹体表面喷涂三防漆，金属表面进行钝化、阳极氧化、镀锌/镍/镉等防护性和装饰性处理，对在内陆环境服役的导弹有良好的防护功效。

1.2 任务及寿命剖面

空空导弹服役寿命通常在十年以上，有一个或多个大修期[3-4]。任务剖面一般经历贮存、运输、通电测试、战斗等事件[3-4](多次装箱、运输、检测、挂飞，直至发射或返修、退役)，面临多次开箱检测、挂飞前检测，测试口盖、舵面翼面、整流罩及舱段拆/装或更换。日常维修保障主要是检查和保养，大修期进行较为专业的维修和修复。

在寿命期内，空空导弹挂机值班期间直接暴露于海洋湿热、盐雾、紫外线以及振动、冲击等恶劣环境，比在内陆环境中更容易出现故障。

1.3 海洋环境腐蚀特性分析

持续高温、高湿、高盐雾、强紫外线和霉菌的综合作用是海洋环境腐蚀的主要特征[5-9]。舰载机挂载导弹处于海洋大气“三高一强”环境以及舰/机排放酸性废气的特定环境中。研究发现，舰载导弹所处局部环境呈酸性，pH值在3左右。这种含SO2酸性盐雾与湿热、紫外线结合会加速金属腐蚀、非金属老化、密封失效，增大故障风险。

对比沿海、海洋与内陆地区盐雾检测数据，发现海洋环境中盐雾浓度高达0.036 9 g/(m2·d)，为内陆的100倍以上，且盐的成份复杂(如MgCl2对不锈钢腐蚀比实验室中性NaCl严酷)，如表1～2所示。

表1 沿海/内陆大气环境对比

Table 1 Comparison of atmospheric data among coastal and inland regions

地点环境因素年平均气温/℃高低温/℃平均湿度/RH%年降雨量/mmCl-含量/(g/m2·d)北京1239/-17575520.0005武汉1740/-107712340.0011万宁24.737/88718990.0671

表2 海洋盐雾的多种成份

腐蚀、渗漏和短路是海洋环境中电气设备常见故障。金属的盐雾腐蚀符合电化学规律，普通河水的电导率为2×10-2S/m，而含盐海水的电导率通常为前者的200倍，是强电解质溶液。此外，海洋环境中氯等卤素离子能破坏金属钝化层，促进阳极腐蚀过程和异种金属的接触腐蚀。氧是海水腐蚀的去极化剂，海洋环境中飞溅海水、风、雨等环境因素都会促进溶氧去极化反应，加速腐蚀破坏。

同一纬度下海洋大气的湿度普遍高于内陆，通常年均相对湿度不小于70%，热带和亚热带海洋湿度不小于80%。我国周边各海域湿度高，持续时间长，南海30 ℃以上气温超过160 天/年，盐雾浓度高，太阳辐射强，一些在内陆干燥地区首翻期8年左右的装备，在南海等热带海域仅0.5～3年就不得不大修。我国黄海、东海、南海海域环境的差异，造就了不同的腐蚀类型、程度和现象。其中，南海海域环境最为严酷。

此外，虽然世界可航行水域的海面温度仅在-38～+51 ℃，但导弹挂飞过程的气动加热、温度冲击、振动和过载等效应会加剧腐蚀与老化失效。海洋“三高一强”等腐蚀促进因素的综合作用大于单因素破坏作用；光化学效应会加速挂飞导弹暴露于强紫外线部位的以及非金属涂层、密封和吸波材料起泡、剥落、分层等故障，进而导致提前失效。

1.4 故障及风险

弹体金属结构在内陆干燥、少盐环境中的腐蚀进程缓慢，而在海洋大气中多种盐电解质、高湿、高温、强紫外线及霉菌等因素叠加，相互促进作用，加速了常见涂层、镀层和密封等防护措施的失效，导致弹体外观、强度/刚度和运动配副功能劣化、可靠性异常。此外，封闭在导弹舱体内的金属结构、仪器仪表、PCB板和器件/组件、接插件结构复杂[7]，精度和可靠性要求高，受渗透潮气、盐雾腐蚀作用的时间更长，对适海性的影响不容忽视。

金属结构在海洋环境中的腐蚀有小孔腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳、磨损腐蚀等形式，电化学腐蚀是常见现象，也存在化学腐蚀。许凤玲等人[9]研究认为强紫外线会降低钢铁的阻抗，加速腐蚀。导弹吊挂、转轴、铰链部件等有摩擦磨损的金属裸露部位在海洋环境中存在缝隙腐蚀、应力腐蚀和腐蚀疲劳等风险。弹体表面三防漆、热防护涂层和局部密封部位的非金属材料，受湿热、盐雾、紫外线和霉菌作用提前老化失效可引起缝隙腐蚀，以及壳体、紧固件、接插件等外露部位的腐蚀(见图1)，导致结构强度下降、运动失灵、配合间隙改变等故障，应力腐蚀和腐蚀疲劳还会带来弹体结构承受飞行过载能力下降，甚至有脆断的风险[10-11]。氢脆是值得关注的破坏形式，常常在瞬间因脆性断裂失效导致故障或事故的发生。

图1 弹体表面海洋盐雾腐蚀状况

Fig.1 Corrosion on airborne missiles external surface in marine environment

海洋环境的腐蚀常常引起结构和系统故障，甚至诱发事故。如2002年和2007年，各有一架美军F-15战机因为结构腐蚀断裂和腐蚀疲劳而空中解体；2007年，约67%的F-22A战机因为腐蚀故障耗费大量的经费维修，更换结构件，降低了隐身性能[5]。

与箱式或筒装发射的战术导弹不同，舰载挂机导弹战备值班期间直接暴露于海洋环境，多次的挂弹/卸弹、测试口盖和整流罩拆/装或舱段更换的操作，容易造成紧固件表面和紧固件安装部位破损，舱段、舵面翼面、整流罩、测试口盖等结构件边缘和表面涂层/镀层的破损，进而容易产生腐蚀。导弹/发射装置摩擦配副金属裸露面在海洋环境中极易腐蚀，不仅存在结构强度/刚度下降，还存在摩擦系数增大影响发射安全性等风险。

2 易腐蚀部位

2.1 结构连接转动及摩擦磨损部位

导弹吊挂摩擦副的服役工况最为严酷、复杂。该结构直接暴露于海洋湿热、盐雾、砂尘等严酷环境中，并反复承受挂机巡航过程的振动、冲击、过载、加速度、微动磨损。由于强烈的冲击、振动和微动磨损，防护涂层和镀层的耐久性不足以持续到首次大修期，临时性防护和外场维修难以适应装备快速响应及免维修要求，存在缝隙腐蚀和腐蚀疲劳的风险。导弹吊挂、雨蚀头、控制面的舵轴、旋转尾翼、推矢装置转动和传动等部位裸露的金属结构难以用密封材料和涂层防护，存在盐雾渗漏、缝隙腐蚀等风险；钨渗铜或钼渗铜结构件因钨、钼与铜元素电位差异大而不耐湿热，在海洋环境中腐蚀故障的风险大。

导弹各舱对接面、测试口、接插件等部位服役期间多次开启，不经意的磕碰、划伤、封闭不严的缝隙都可能出现腐蚀。导弹挂飞巡航过程中持续振动、冲击、过载的动态应力环境使长径比10～20、多个舱段相互连接的弹体结构变形和位移增大、缝隙扩大，造成局部密封提前失效；此外，挂飞过程的微动磨损、穿越云层以及海面超低空突防过程受云雾、雨水、盐雾的冲刷作用，会加速结合部位腐蚀磨损、渗透和电偶腐蚀。有研究认为，腐蚀条件下的金属磨损可达到普通磨损的8～35倍，极端情况下可达到2～4个数量级水平。

2.2 多次拆装部位

试验表明，带有较大安装应力的紧固件、楔块容易腐蚀(见图1)，重复拆装螺钉有时会出现断裂、难以拆卸等故障，给维修保障带来困难。此外，航母上空空导弹舵面翼面、电缆整流罩和测试口盖快速拆装作业对这些部位的结构密封和三防设计是一个挑战。

2.3 涂层/镀层破损部位

弹体金属表面涂层和镀层、密封和复合材料结构受机械挤压、磕碰和剐蹭出现的破损，老化失效产生的缺陷在海洋环境中出现腐蚀是弹体常见故障。涂层/镀层和表面处理的缺陷和使用过程中损伤的部位都容易因盐雾、潮气渗透而腐蚀。涂层破损后生成的腐蚀物、局部脱粘形成的缝隙都会增加局部污染、腐蚀的风险，见图2。

图2 涂层破损加速腐蚀

Fig.2 Further corrosion due to damaged coating

3 腐蚀防护

空空导弹适海性相关的腐蚀防护是一项重要、复杂的系统工程。为实现导弹寿命期内防护目标，需要综合考虑材料优选、结构兼容、热/表处理、密封隔离，以及储运、包装、使用与维修保障。

导弹总体设计应结合海洋环境、任务和寿命剖面、弹体结构特点，依据专项规范开展设计。可借鉴国外海洋装备设计、试验、制造规范和经验，根据研制目标通过弹体结构数字模型、工程软件对腐蚀趋势进行分析、评估，结合型号工程经验开展防护策划，在设计-试验-改进-验证的迭代中完善设计。

3.1 防护策略

防护策略有临时性防护和长效防护两种方案。通常,临时性防护方案成本低、简便易行，具有短时或有限防护功效；而为实现总寿命或首次大修期限长效防护方案的成本和难度往往较高。

3.2 防护设计

弹体结构设计包括气动外形、布局和连接方式、强度/刚度、结构兼容、腐蚀防护、维修保障等。总体结构相容性设计的任务之一，是解决弹体结构电偶腐蚀、化学腐蚀等影响适海性的相关问题。国外有成熟的导弹结构完整性设计规范和制造规范等资料可供参考，如美军标MIL-M-8856B以及MIL-STD-1568, MIL-STD-1587等[5]。

弹体结构防护设计首先应依据适海性设计目标，优选满足耐蚀性要求的轻质、高强材料；其次，采用先进结构设计、热/表面处理(涂层/镀层/覆层)和优化工艺提升防护性能；通过结构相容性设计处理电偶腐蚀等相关问题，避免大阴极-小阳极(如钛合金壳体连接部位的钢螺钉)和电位差过大等情况。从结构相容的角度，对焊缝、钛合金/超高强钢舱体接缝进行密封避免缝隙腐蚀；采用镀锌/镍、封闭等措施解决钛合金舱体连接用65Mn楔块外露端容易锈蚀的问题；此外，微弧氧化处理有利于降低钛/铝合金与多种金属之间的电位腐蚀。若上述工作仍未达到预定目标，还可以通过合理的维修保障设计控制腐蚀破坏。

弹体大面积外露表面覆盖三防漆隔离海洋环境是一种简捷、有效的防护措施。导弹各舱之间和测试口的缝隙、控制面转轴和吊挂摩擦副等结构，宜采取密封隔离、特种材料替换以及复合镀、激光熔覆等表面工程综合技术加以防护；多次拆/装紧固件的外场防护较困难，采取钛合金紧固件、定期更换新零件、结合密封胶等防护措施较为适宜。

岛礁和舰载环境通常难以实现内陆场站细致、周全的腐蚀防护，应升级弹体出厂前的腐蚀防护措施，简化外场维修保障[5-6]。

(1)合理选材

选用海洋环境工程验证有效的高强不锈钢、钛合金等耐蚀材料，非金属选用长寿命复合材料、工程塑料、胶粘剂、涂层和密封材料，从根本上提高弹体结构、部/组件抗腐蚀性能和产品可靠性。

(2)表面防护

三防漆是弹体表面防护常用且十分有效的措施。常用三防漆有环氧、丙烯酸、聚氨酯、有机硅，以及丙烯酸-聚氨酯和耐久性更好的氟-聚氨酯飞机蒙皮涂料、氟碳涂料等[1]。为适应严格的环保要求，水性环保涂料正逐步替代溶剂型涂料。

先进表面工程技术、环保材料及技术替代传统有污染的材料和技术受到广泛关注：激光熔覆、功能复合镀替代普通电镀，微弧氧化替代普通阳极氧化可获得更好的综合防护、耐久性和特殊功能；高强钢、钛/铝合金等离子或火焰喷涂、爆炸喷涂替代镀锌镉；PVD和CVD沉积、热浸镀、离子镀铝替代镀镉等。

(3)运动/传动部件

导弹外露运动/传动部件的动密封要求防护可靠、持久并经试验验证。对兼有摩擦磨损、微动磨损、冲击和振动等严酷工况而涂层、镀层和覆层难以防护的部位，宜采用特种材料、局部异种材料焊接或复合镀、激光熔覆等表面工程方法加以防护。

3.3 防腐蚀密封结构

潮气、盐雾渗透引起的舱体缝隙腐蚀和内部腐蚀是常见故障。根据环境、介质、应力、材料、安装方式等因素优化弹体密封设计，防止腐蚀物进入，可显著减缓海洋环境中的腐蚀。除常用水密结构外，重要结构可采取气密防护。

制造工艺对腐蚀防护十分重要[5,8]。优化零部件表面处理、边角倒圆，提高涂层/镀层附着力、避免突出部位擦碰损伤，清除金属屑、灰尘、焊锡膏等残留物污染，以及储运过程防锈包装等措施对腐蚀防护都十分有效。

3.4 紧固件

紧固件的防护性能和耐用性对舱体、口盖多次拆/装，尤其是维修保障要求的重复使用很重要。试验表明，常见涂层/镀层不满足其适海性要求，不锈钢紧固件(如航标1Cr17Ni2)的耐久性不足；采用换新零件、钛合金紧固件、螺纹胶或螺纹防蚀剂湿装配可避免水、盐雾渗入螺纹缝隙腐蚀，涂抹三防漆或硅胶表面封闭有助于降低局部缝隙腐蚀、应力腐蚀、断裂的风险。

此外，适宜的紧固件装配力矩对防止松动间隙产生缝隙腐蚀、应力腐蚀等风险很重要。采用先进的安装应力、松动检查技术对关键和重要部位结构紧固件进行检查、监控，有助于降低腐蚀相关风险。

3.5 维修保障

除优化结构、材料设计和制造工艺外，将腐蚀防护纳入使用维护说明书，完善维修保障措施，开展腐蚀防护培训，是空空导弹腐蚀防护的另一条有效途径。发展快速维修材料和技术、便捷腐蚀监控技术，对避免故障或事故发生，延长寿命、提高可靠性和战斗力十分重要。美军十分重视腐蚀防护与监控[5]，制订了专项手册和技术标准(如MIL-DTL-85054D(AS)，MIL-PRF-81309F等)，明确腐蚀检查内容、方法及周期，并通过清洗、除湿、防护、腐蚀修理等措施，降低故障率，延长装备寿命。此外，开发多种去蚀膏、清洗剂、缓蚀剂用于军机和弹药防护。

外军航母上空空导弹的测试、维修工作十分简捷。如舰载机F-18挂载导弹鲜有复杂费时的测试和舱段拆/装。通过优化日常检查、清洗、抹油、疏水剂和包装防护(适合海洋环境的包装箱、弹衣、弹架组合包)等维修保障作业减缓腐蚀，提高导弹的可靠性。如在现有通用弹衣、包装箱中放置气相缓蚀材料；利用淡水清洗舰载机时一并洗掉弹体表面酸、盐腐蚀物以减缓海洋腐蚀作用；制订合理的日常检查准则及舰载挂飞寿命，及时抹油、除锈、补漆；首翻期更新涂层/覆层和结构密封等。

4 试验验证

空空导弹的研发受海军装备水平和岛礁建设进度制约，以往环境适应性主要参照GJB 150系列标准开展试验，缺少对长期暴露在“三高一强”+酸性海洋大气环境中产品的试验研究，难以满足弹体结构适海性设计要求。国产空空导弹多年来形成的以轻质、高强为特色的材料体系和表面处理工艺的适海性试验验证并不充分，也没有针对性开展海洋大气环境暴露试验。试验室单因素湿热、淋雨、中性盐雾等考核难以体现岛礁、舰载综合环境，与实际环境日历寿命无对应关系。

4.1 试验室试验

(1)环境腐蚀试验

海洋环境可分为大气区、浪溅区、水位变动区、水下区和泥下区5个区域，空空导弹通常在海洋大气区开展试验。以往空空导弹规定的湿热试验(GJB 150.9)、盐雾试验(GJB 150.11)不仅是环境适应性项目，也被用作耐腐蚀试验项目。

空空导弹产品规定的中性盐雾试验(GJB 150.11)的时间短，严酷程度难以反映舰载环境海浪间歇性喷溅及航母舰载机排放废气局部酸性对实际环境的影响；为优化设计，了解弹体结构金属腐蚀、非金属老化失效倾向和规律，验证和改进防护措施，各国制订了相应的标准和规范开展试验。美军制订了MIL-STD-810F《国防部试验方法标准环境工程考虑和实验室试验》、英国国防部制订了国防装备环境手册QRMS-10、QRMS-13等规范。国内目前多采用GJB 150A系列标准的GJB 150.11A(盐雾试验)和GJB 150.28酸性大气试验，也可参照GB/T 10125和专业规范开展试验。

(2)金属材料腐蚀试验

空空导弹主承力结构多采用高强金属材料，试验室金属腐蚀试验可采用常用的定性和定量试验评估方法，内容包括外观、腐蚀面积、蚀斑深度、质量损失率、力学性能变化等。有涂层、镀层或覆层弹体结构的腐蚀评估可参照GB/T6461等标准进行试验评估。

(3)非金属材料相关试验

除金属结构外，弹体结构还采用三防漆和防热涂层、胶粘剂、橡胶密封材料、功能材料、绝缘材料及复合材料等多种非金属材料。这些非金属材料在海洋环境中提前失效对弹体金属结构腐蚀进程的影响是适海性重要研究内容，涉及结构兼容设计和耐介质、自然/人工加速老化试验等。

4.2 海洋环境试验

海洋环境试验对了解空空导弹适海性相关的结构和材料、生产工艺和质量、防护水平以及改进措施的有效性十分重要。海洋环境影响因素有：温度、湿度、淋雨、盐雾、酸性气体、霉菌等，突出因素为高温、高湿、高盐雾、紫外线和霉菌。试验方案与试验件的制备应充分表征弹体结构和材料、热/表处理等状态，涵盖服役地域一年四季典型气候环境。海洋大气暴露挂片试验是最常用的试验方法，见图3。

图3 海洋环境挂片试样

Fig.3 Samples for corrosion tests in ocean atmosphere

已开展的空空导弹海洋环境试验包括：单项与综合性试验、试片与产品试验；常规实验室环境适应性试验与适海性实际海洋环境对比试验；金属腐蚀与防护试验；非金属三防与老化试验；密封结构的试验室-海洋环境试验等。已开展的数百件海洋大气暴露试验件涵盖了导弹常用结构不锈钢、超高强钢、钛合金、铝合金、镁合金、工程塑料、透波材料和结构复合材料等类别的材料及各种三防漆、金属镀层/覆层和表面处理等防护体系。考虑到弹体结构形状、应力、异种材料连接与简单试片的差异，投放了典型结构模拟件、局部和全尺寸产品。

与以往中性盐雾试验不同，试验中约60%的试片在仅仅几日内出现锈蚀，首月发现了约90%的腐蚀现象；多种结构不锈钢、超高强钢试验件在数日内陆续出现蚀斑；仅靠钝化、发蓝和镀锌、镀镉、镀镍以及涂抹防锈油等常用措施无法满足导弹适海性腐蚀防护要求。三防漆、防热涂层变色、鼓包等异常现象的时间和程度差异与材料、施工等因素有关。这说明通过中性盐雾试验的材料和表面处理并不一定适用于海洋环境。试验还发现，典型结构、全尺寸产品试验反映出弹体结构、材料和工艺更多的信息。通过挂片试验和典型结构、全尺寸产品的南海试验获得大量的试验数据，为新型号设计、制造和改进提供了依据。

鉴于弹体多处有异种材料连接、缝隙、承载受力结构，在海洋环境中容易腐蚀，简单的平板试样不足以表征实际腐蚀状况，海洋大气暴露试验中投放模拟实际工况的叠放、加载、异种材料电偶腐蚀试样获得的腐蚀数据改变了长期以来的认知。

温暖潮湿环境(20～50℃/90%～100%RH)适宜霉菌快速生长，在金属结构表面产生霉变和腐蚀导致导弹性能劣化和故障，也是防护研究的一项内容。

5 结 束 语

海洋环境持续高温、高湿、高盐雾、强紫外线和霉菌综合作用，是空空导弹在海洋环境中腐蚀故障频发的主要原因。此外，空空导弹战备值班暴露于海洋环境，挂飞巡航过程动态环境的振动、冲击、过载产生形变、微动磨损的作用增大水汽、盐雾渗透、海盐残留，也是其有别于箱式/筒式发射战术导弹在海洋环境中易于腐蚀的重要因素。为提升导弹的适海性，有必要从设计、制造、维修保障多方面综合开展试验和改进工作。

空空导弹海洋环境试验有助于了解结构材料适海性、防护有效性，改进措施有效性。研究表明，三防漆对弹体表面的防护是十分有效的手段。弹体测试口、对接缝等部位的密封、隔离可有效防止潮湿、盐雾渗透产生的腐蚀。对三防漆、金属镀层难以防护的弹体结构，采用功能复合镀、PVD和激光熔覆等表面工程技术防护，有助于在基本保持结构强度/刚度和制造工艺的前提下实现适海性腐蚀防护目标。此外，优化维修保障设计有助于进一步提升导弹现有结构设计、材料、制造基础上的适海性。